一种陶瓷零件的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种陶瓷零件的制备方法，将陶瓷粉末与有机粘接剂在避光条件下混合均匀，然后再加入消泡剂混匀，待气泡消退后去除表面杂质，得到混合浆料；将混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，制成陶瓷零件粗坯。再将陶瓷零件粗坯进行低温脱脂处理，使粗坯中的有机粘接剂蒸发溢出；再进行热等静压处理，获得致密的陶瓷零件。本发明采用3D打印技术制造陶瓷零件，零件的形状不受约束，并且致密性较好，解决了现有热压成型制备方法依赖模具，不适合小批量生产的问题。
【专利说明】
一种陶瓷零件的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种陶瓷零件的制备方法。
【背景技术】
[0002]陶瓷颗粒具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度高，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，在石油、化工、机械、航天、核能等领域广泛应用，如:陶瓷轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等。
[0003]现有技术中制备陶瓷零件的方法主要是模压烧结法，S卩:首先将陶瓷粉体和粘结剂按照一定比例混合调制成浆料，再将浆料注入特定模具，通过热压烧结的方法成形得到陶瓷零件。该方法必须通过模具将陶瓷粉末进行热压烧结，而制造模具的周期过长，模具费用高昂。同时，现有粉末热压烧结制造技术仅能制造简单形状，不适用于带有定制化特点的单件/小批量产品的制造。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种陶瓷零件的制备方法，该方法可以制造任意复杂形状的零件，解决了现有热压成型制备方法依赖模具，不适合小批量生产的问题。并且该方法制备周期短，得到的产品致密度高。
[0005]本发明所采用的技术方案是，一种陶瓷零件的制备方法，包括以下步骤:
[0006]步骤I，原料配制
[0007]将陶瓷粉末与有机粘接剂在避光条件下混合均匀，然后再加入消泡剂混匀，待气泡消退后去除表面杂质，得到混合浆料。
[0008]步骤2，粗坯制造
[0009]将混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，制成陶瓷零件粗坯。
[0010]步骤3，后处理
[0011]将陶瓷零件粗坯进行低温脱脂处理，使粗坯中的有机粘接剂蒸发溢出；再进行热等静压处理，获得致密的陶瓷零件。
[0012]本发明的特点还在于:
[0013]陶瓷粉末与有机粘接剂的体积比为3:7?3:2。
[0014]有机粘接剂采用光敏树脂，将陶瓷粉末粘接固化成形陶瓷零件。优选为环氧丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸树脂或氨基丙烯酸树脂。
[0015]消泡剂可采用为低级醇、有机改性化合物、有机聚合物、有机硅树脂、矿物油等。优选乙醇、正丁醇、磷酸三丁酯、金属皂、聚醚、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅油或改性聚硅氧烷之
O
[0016]优选地，消泡剂占混合浆料总体积的0.05%?1.0%。
[0017]优选地，逐层打印的层厚控制在20?80μπι，光源波长为200?400nm。
[0018]优选地，采用面曝光时，曝光时间为0.l_3s;采用点扫描时，光斑直径为0.1?
0.15_，光斑移动速度1-300_/111；[11。
[0019]优选地，低温脱脂处理的温度100°C?700°C，时间2_4h。
[0020]优选地，热等静压处理温度1550 °C?1650 °C、压强10MPa?500MPa、时间2_5h。
[0021]本发明陶瓷，优选高熔点陶瓷，如WC、TiC、TiN、氧化铝或氧化锆等。
[0022]本发明的有益效果是，本发明采用3D打印技术制造陶瓷零件，零件的形状不受约束，缩短了传统方法的制造周期，提高了陶瓷零件的制造效率，降低了制造成本。
【具体实施方式】
[0023]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
[0024]本发明提供了一种陶瓷零件的制备方法，该方法可以用于制备高熔点陶瓷零件，尤其适用于如:WC、TiC、TiN、氧化铝、氧化锆等陶瓷零件。具体制备方法如下:
[0025]步骤I，原料配制
[0026]将球形陶瓷粉末与有机粘接剂按照3:7?3: 2的体积比混合均匀，得到混合浆料。有机粘接剂为环氧丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂、氨基丙烯酸树脂、聚酯丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸酯或聚酯丙烯酸酯。为保证浆料良好的流动性，混合过程和存储过程应避免见光，尤其避免紫外光照射，混合过程尽量避免混入过多杂质氧，确保高温烧结质量。
[0027]为了减少搅拌过程中产生的气泡，上述混合液中再加入消泡剂，缓慢搅拌，以降低气泡周围的液体表面张力，使小的气泡聚集成大的气泡，最终使气泡破裂，起到抑制或消除浆料中气泡的作用。待浆料内部气泡消退后，去除浆料表面漂浮物或残渣，获得均匀无气泡的混合浆料。消泡剂可选用低级醇、有机改性化合物、矿物油、有机聚合物、有机硅树脂等，优选乙醇、正丁醇、磷酸三丁酯、金属皂、聚醚、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅油或改性聚硅氧烷之一，其加入量占混合浆料总体积的0.05 %?1.0 %。
[0028]步骤2，粗坯制造
[0029]将步骤I的混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，层厚控制在20?80μπι，光源波长为200?400nm，若米用面曝光，每层曝光时间为0.l_3s;若米用点扫描，光斑直径为0.1?0.15mm，光斑移动速度为l-300mm/min。制成陶瓷零件粗还。
[0030]步骤3，后处理
[0031]为了降低有机粘接剂对陶瓷制件强度的影响，将陶瓷零件粗坯进行低温脱脂处理，温度控制在100°C?700°C，时间2_4h，使粗坯中的有机粘接剂蒸发溢出；之后，为了使陶瓷零件粗坯致密化，将脱脂后的陶瓷零件粗坯再进行热等静压处理，烧结过程中采用氩气保护，处理温度1550 °C?1650 °C、压强10MPa?500MPa、时间2_5h，获得致密的陶瓷零件。
[0032]本发明制备出的陶瓷零件精密度较高，质量稳定，对原材料的利用率高，并且制造速度快，能成型形状特别复杂、特别精细的零件，适合小批量生产。
[0033]实施例1
[0034]一种WC陶瓷零件的制备方法，具体包括以下步骤:
[0035](I)原料配制
[0036]制备有机粘接剂聚氨酯丙稀酸酯:以聚氨酯丙稀酸酯(polyurethaneacrylate，PUA)为有机粘接剂，聚氨酯丙烯酸酯的合成是利用异氰酸酯中异氰酸根与长链二醇和丙烯酸羟基酯中的羟基反应，形成氨酯键而制得的。其合成方法具体为:将2mol 二异氰酸酯和一定量的月桂酸二丁基锡加入反应器中，升温到40?50°C，慢慢滴加Imol聚乙二醇，反应Ih后，升温到60°C，测定一 NCO值到计算值，加入2mol丙烯酸羟基酯和一定量的阻聚剂对苯二酚，升温至70?80 °C，直至一 NCO值为零。鉴于一 NCO有较大毒性，反应时可以适当使丙烯酸羟基酯稍微过量，使一 NCO基团反应完全，即得。
[0037]将WC陶瓷粉末和合成的聚氨酯丙烯酸酯按照体积比为3:2在避光条件下进行混合，然后向其中加入消泡剂磷酸三丁酯，缓慢搅拌，待浆料内部气泡消退后，去除浆料表面漂浮物或残渣，获得均匀无气泡的混合浆料;消泡剂占混合浆料总体积的0.5%。
[0038](2)粗坯制造
[0039]将混合浆料装入3D打印光固化成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光的方法根据零件三维模型逐层打印，光斑直径为0.1mm，光源波长为200nm，层厚20μπι，每层曝光时间为0.1s，逐层制成WC陶瓷零件粗坯。
[0040](3)后处理
[0041]将所制成的WC陶瓷零件粗坯置入低温烧结炉内，在100°C进行低温脱脂处理2h，使有机粘接剂溢出/挥发。再将脱脂后的陶瓷零件粗坯置入热等静压炉内，氩气保护下，在1550°C、150MPa下，进行热等静压处理3.5h，获得致密的WC陶瓷零件。
[0042]实施例2
[0043]一种TiC陶瓷零件的制备方法，具体包括以下步骤:
[0044](I)原料配制
[0045]将TiC陶瓷粉末和环氧丙烯酸树脂按照体积比为1:1在避光条件下进行混合，然后向其中加入消泡剂正丁醇，缓慢搅拌，待浆料内部气泡消退后，去除浆料表面漂浮物或残渣，获得均匀无气泡的混合浆料;消泡剂占混合浆料总体积的I %。
[0046](2)粗坯制造
[0047]将上述混合浆料装入3D打印成型设备中，利用可控紫外线光束，采用点扫描法根据零件三维模型逐层打印，光源波长为300nm，层厚50μπι，光斑直径为0.15mm，光斑移动速度为300mm/min，逐层制成TiC陶瓷零件粗还。
[0048](3)后处理
[0049]将所制成的TiC陶瓷零件粗坯置入低温烧结炉内，在300°C进行低温脱脂处理4h，使有机粘接剂溢出/挥发。再将脱脂后的TiC陶瓷零件粗坯置入热等静压炉内，氩气保护下，在1650°C、200MPa下，进行热等静压处理2h，获得致密的TiC陶瓷零件。
[0050]实施例3
[0051]一种TiN陶瓷零件的制备方法，具体包括以下步骤:
[0052](I)原料配制
[0053]将TiN陶瓷粉末和氨基丙烯酸树脂按照体积比为3:7在避光条件下进行混合，然后向其中加入消泡剂金属皂，缓慢搅拌，待浆料内部气泡消退后，去除浆料表面漂浮物或残渣，获得均匀无气泡的混合浆料;消泡剂占混合浆料总体积的0.8 V0 O
[0054](2)粗坯制造
[0055]将上述混合浆料装入3D打印光固化成型设备中，利用可控紫外线光束，采用点扫描法根据零件三维模型逐层打印，光源波长为400nm，层厚80μπι，光斑直径为0.12mm，光斑移动速度为lmm/min，制成TiN陶瓷零件粗还。
[0056](3)后处理
[0057]将所制成的TiN陶瓷零件粗坯置入低温烧结炉内，在650°C进行低温脱脂处理3h，使有机粘接剂溢出/挥发。再将脱脂后的TiN陶瓷零件粗坯置入热等静压炉内，氩气保护下，在1600°C、100MPa下，进行热等静压处理5h，获得致密的TiN陶瓷零件。
[0058]实施例4
[0059]一种氧化铝陶瓷零件的制备方法，具体包括以下步骤:
[0060](I)原料配制
[0061]将氧化铝陶瓷粉末和环氧丙烯酸树脂按照体积比为3:5在避光条件下进行混合，然后向其中加入消泡剂金属皂，缓慢搅拌，待浆料内部气泡消退后，去除浆料表面漂浮物或残渣，获得均匀无气泡的混合浆料;消泡剂占混合浆料总体积的0.5%。
[0062](2)粗坯制造
[0063]将混合浆料装入3D打印光固化成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光法根据零件三维模型逐层打印，光源波长为300nm，层厚50μπι，每层曝光时间为3s，逐层制成氧化铝陶瓷零件粗坯。
[0064](3)后处理
[0065]将所制成的氧化铝陶瓷零件粗坯置入低温烧结炉内，在400°C进行低温脱脂处理4h，使有机粘接剂溢出/挥发。再将脱脂后的氧化铝陶瓷零件粗坯置入热等静压炉内，氩气保护下，在1550 °C、10MPa下，进行热等静压处理2h，获得致密的氧化铝陶瓷零件。
[0066]实施例5
[0067]一种氧化锆陶瓷零件的制备方法，具体包括以下步骤:
[0068](I)原料配制
[0069]将氧化锆陶瓷粉末和氨基丙烯酸树脂按照体积比为3:7在避光条件下进行混合，然后向其中加入消泡剂金属皂，缓慢搅拌，待浆料内部气泡消退后，去除浆料表面漂浮物或残渣，获得均匀无气泡的混合浆料;消泡剂占混合浆料总体积的I %。
[0070](2)粗坯制造
[0071]将上述混合浆料装入3D打印光固化成型设备中，利用可控紫外线光束，采用点扫描法根据零件三维模型逐层打印，光源波长为200nm，层厚50μπι，光斑直径为0.1mm，光斑移动速度为100mm/min，制成氧化错陶瓷零件粗还。
[0072](3)后处理
[0073]将所制成的氧化锆陶瓷零件粗坯置入低温烧结炉内，在700°C进行低温脱脂处理3h，使有机粘接剂溢出/挥发。再将脱脂后的氧化锆陶瓷零件粗坯置入热等静压炉内，氩气保护下，在1600°C、500MPa下，进行热等静压处理5h，获得致密的氧化锆陶瓷零件。
[0074]本发明实施例1-5制备出的陶瓷零件的致密性和韧性良好，均能满足市场产品需求，也形状各异，能满足不同形状零件的需求。
[0075]本发明采用3D打印技术制造陶瓷零件，零件的形状不受约束，缩短了传统方法的制造周期，提高了陶瓷零件的制造效率，降低了制造成本。
[0076]本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】。上述的【具体实施方式】是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的材料和方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种陶瓷零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I，原料配制 将陶瓷粉末与有机粘接剂在避光条件下混合均匀，然后再加入消泡剂混匀，待气泡消退后去除表面杂质，得到混合浆料； 步骤2，粗坯制造 将混合浆料装入3D打印光固化成型设备中，利用可控紫外线光束，采用面曝光或点扫描的方式，根据零件三维模型逐层打印，制成陶瓷零件粗坯； 步骤3，后处理 将陶瓷零件粗坯进行低温脱脂处理，使粗坯中的有机粘接剂蒸发溢出；再进行热等静压处理，获得致密的陶瓷零件。2.根据权利要求1所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉末与所述有机粘接剂的体积比为3:7?3:2。3.根据权利要求1所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述有机粘接剂为环氧丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸树脂或氨基丙烯Ife树脂。4.根据权利要求1所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述消泡剂为乙醇、正丁醇、磷酸三丁酯、金属皂、聚醚、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅油或改性聚硅氧烷。5.根据权利要求1所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述消泡剂占混合浆料总体积的0.05%?1.0%。6.根据权利要求1所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述逐层打印的层厚控制在20?80μπι，光源波长为200?400nm。7.根据权利要求1所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述打印方式采用面曝光时，曝光时间为0.l_3s;所述打印方式米用点扫描时，光斑直径为0.1?0.15mm，光斑移动速度l-300mm/min。8.根据权利要求1所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述低温脱脂处理的温度100°C ?700°C，时间2-4h。9.根据权利要求1所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述热等静压处理温度1550 °C ?1650 °C，压强 10MPa?500MPa，时间 2_5h。10.根据权利要求1-9中任一项所述的陶瓷零件的制备方法，其特征在于，所述陶瓷为高熔点陶瓷。
【文档编号】C04B35/634GK105837216SQ201610164472
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】薛蕾, 王俊伟, 赵晓明, 杨东辉
【申请人】西安铂力特激光成形技术有限公司