一种高性能陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及陶瓷材料领域，特别是涉及一种高性能陶瓷的制备方法。
【背景技术】
[0002]工程陶瓷又称结构陶瓷，以其本身所具备的高硬度、高强度、高耐磨性及良好的防腐性能，在石油、化工、机械、医学等领域应用广泛。传统陶瓷成型方法适合制备简单的零件，而形状复杂的零部件，通常需要借助复杂的模具来实现，制造成本高，制造周期长。
[0003]SLS技术采用激光有选择的分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层叠加，生成所需形状的制件。SLS成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点，使得SLS适合于许多领域，如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、汽车等行业。利用SLS技术成型陶瓷零件时，需要加入熔点较低的高分子材料作为粘结剂，得到的零件坯体还要通过排胶去除粘结剂，经冷等静压处理使素坯达到一定强度和致密度后即可进行烧结。
[0004]为了增加陶瓷的强度和致密度，人们引入了包套热等静压烧结工艺，其是将有致密不透气的金属包套包覆的陶瓷坯体或经预烧结的陶瓷零件放置到密闭的容器中，以高压惰性气体或氮气作为传压介质，在高温高压作用下对零件进行烧结，获得高致密化烧结体。包套热等静压烧结技术最显著的特点是采用了高压，使零件所需要的烧结温度大大降低，甚至可以在无烧结添加剂的条件下也可制备出高可靠性、显微组织均匀、几乎不含气孔的完全致密材料。传统金属包套通常采用焊接工艺密封，只能适用于形状简单的零件，而且焊接前还要对包套进行抽真空，工艺复杂，难度和成本很高。
[0005]近年来，一些研宄人员已经尝试将激光粉末快速成型与热等静压技术结合起来，例如CN101391302描述利用选择性激光熔融(SLM)成型包套，该方法主要用于金属粉末的热等静压。若采用这种方法制备陶瓷件，则需要预留进粉口向其中装入陶瓷粉末，震实粉末后需要先抽真空(几乎难以实现)再进行焊接封装后进行热等静压，工艺复杂，且热等静压烧结时收缩量太大(大于50% )，产品尺寸难以控制，而且对于一些结构较复杂的零件，局部区域很难震实，导致产品收缩严重不均匀，不能实现3D打印的智能制造和近净尺寸成型。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是解决上述现有技术出现的问题，提供一种高性能陶瓷的制备方法。
[0007]为此，本发明公开了一种高性能陶瓷的制备方法，其包括下列步骤:
[0008]a)陶瓷零件件坯制备；
[0009]b)排胶处理；
[0010]c)冷等静压处理；
[0011]d)预烧结处理；
[0012]e)热等静压包套制作:同步送粉激光熔覆处理，陶瓷零件坯体包覆热等静压包套；
[0013]f)热等静压烧结；
[0014]g)去除热等静压包套，精密加工陶瓷零件。
[0015]在一些实施例中，所述排胶处理为先以3?6°C /min的速度升至软化点温度Tl-1O0C，再以2?4°C /min的升温速度升至150°C除尽水蒸气，保温lh，最后以2°C /min的速度升至T2+50°C，保温2h ;粘结剂熔点或者软化点Tl，完全分解温度T2。其中优选，所述排胶处理为以4°C /min的速度升至软化点温度70°C，再以2°C /min的升温速度升至150°C除尽水蒸气，保温lh，最后以2°C /min的速度升至700°C，保温2h ;或以4°C /min的速度升至软化点温度90°C，再以2°C /min的升温速度升至150°C除尽水蒸气，保温lh，最后以2°C /min的速度升至700°C，保温2h。
[0016]在一些实施例中，所述冷等静压处理为冷等静压降压速度2?6MPa/s，压力升至200?350MPa，保压30s再降压。
[0017]在一些实施例中，所述预烧结处理温度低于热等静压烧结时的温度，气体气氛由烧结材料决定。
[0018]在一些实施例中，所述步骤e为陶瓷零件坯体、基板放入同步送粉激光熔覆设备成型空间，陶瓷零件坯体底面中心、基板中心与成型空间坐标系原点重合，且陶瓷零件坯体方向与包套三维模型一一对应，在真空环境下开始叠层制作热等静压包套；所用金属粉末粒径20?100 μ m，其材料根据陶瓷零件材料调整，热等静压包套在高温下具有较低的屈服强度和良好的塑形变形能力，在热等静压过程中，气体介质的压力通过金属包套均匀作用在陶瓷件上。且包套材料在高温下具有良好的变形能力，能够保证包套内外环境的隔离。
[0019]所述热等静压包套与陶瓷零件坯体过盈配合，使包套在叠层打印过程中熔覆于陶瓷还体上，包套厚度0.1?5mm。
[0020]同步送粉法可控性好，容易实现自动化，在制作包套的过程中不与陶瓷坯体零件发生干涉。
[0021]在一些实施例中，所述热等静压烧结为烧结温度由烧结材料决定，选用氩气或者氮气作为HIP气氛，压力100?300MPa。
[0022]在一些实施例中，所述去除热等静压包套的方法有:机械去除、激光切割，主要用于简单零件包套；酸蚀，主要用于形状复杂的金属包套。
[0023]本发明专利结合了快速成型技术、同步送粉激光熔覆技术、冷等静压技术和热等静压技术，通过选择性激光烧结可以制造复杂的陶瓷零件坯体，用同步送粉激光熔覆设备将金属紧密熔覆于预烧结陶瓷零件表面形成包套，经过高温烧结后实现了复杂陶瓷零件的近净成形。该方法工艺简单，周期短，效率高，成本低，制作的陶瓷零件强度高，性能好。
【附图说明】
[0024]图1齿轮零件简图及其包套包覆剖面图；
[0025]图2齿轮包套制作示意图及侧向送粉喷头简图；
[0026]图3Si3N4陶瓷断口扫描电镜图像比较；
[0027]图4人工髋臼假体简图；
[0028]图5包套制作示意图及同轴送粉喷头简图；
[0029]图6A1203陶瓷断口扫描电镜图像比较。
【具体实施方式】
[0030]以下结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则所有的百分比和份数均按重量计。
[0031]除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
[0032]实施例1:Si3N4齿轮零件(参加图1，A为齿轮坯体，B为覆有热等静压包套的齿轮坯体，其中I为齿轮坯体；2为包套)
[0033](I)用三维造型设计软件(如UG，Solidworkds)设计齿轮及其包套的三维数字模型，并用切片分层软件将其转为STL格式后导入选择性激光烧结设备。
[0034](2)按照一定的比例将掺有烧结助剂的Si3N4粉末、双氛A型环氧树脂粉末通过球磨混合均匀后用选择性激光烧结设备叠层打印Si3N4齿轮素坯。所用Si 3N4粉末造粒粒径20?150 μπι，双酸A型环氧树脂粉末粒径10?80 μπι。选择性激光烧结设备中所用激光器为50w的0)2激光器，预加热温度40?60°C，单层厚度0.1?0.2mm，扫描间距0.1?0.2mm，扫描速度 800 ?4000mm/s。
[0035](3)对Si3N4齿轮零件坯体进行排胶处理，除去低温粘结剂。首先以4°C /min的速度升至软化点温度70°C，再以2°C /min的升温速度升至150°C除尽水蒸气，保温lh，最后以20C /min的速度升至700°C，保温2h。
[0036](4)对Si3N4齿轮坯体进行冷等静压处理，冷等静压升降压速2?6MPa/s，压力升至200?350MPa，保压30s再泄压。