线膨胀系数可调的ZrO₂和TiO₂超塑成形陶瓷模具的制备方法

专利名称：线膨胀系数可调的ZrO₂和TiO₂超塑成形陶瓷模具的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种线膨胀系数可调的ZK)2和Ti02陶瓷模具的制备方法。
背景技术：
TC4钛合金具有比强度高、耐热、耐腐蚀等优良性能，且适合于各种压力 加工成形，该合金现在占到Ti合金总产量的50%，占到全部Ti合金加工件的 95%，在航空航天、化工、船舶、医疗等领域均得到了广泛的应用。而随着超 塑成形技术的应用，改善了其难以成形的状况，更加充分的发挥了 TC4钛合 金的优势。钛合金超塑成形模具材料要求具有良好的高温机械性能、抗氧化性 能和热稳定性能。Ni7N高温耐热钢具有上述良好的性能，且价格适中，因此 在实际应用生产中大量使用。但是，Ni7N的平均线膨胀系数在 15.2-18.9xl(r6。C"之间，而TC4钛合金的膨胀系数在8.8-9.2xl(T6X:"之间，由 于超塑成形实验温度较高，胀形模具与工件均会产生热膨胀，模具材料与工件 材料膨胀系数的差异使得模具与工件在由试验温度降至室温时的收縮程度不 同，因此两者之间会产生一定量的弹性变形甚至塑性变形，室温下的工件尺寸 也会大于设计模具时的型腔尺寸，严重时还会产生扭曲变形，从而影响工件精 度。而且在实验结束脱模时也相当困难，往往造成工件的再次变形甚至破坏。 尤其对于尺寸较大的工件，该类问题会更加严重，导致工件与其整体部件难以 配合，甚至无法安装。因此，如何解决模具与工件膨胀系数的差异成为现有技 术下急需解决的问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种线膨胀系数可调的Zr02和TK)2超塑成形陶瓷模 具的制备方法，以解决现有的钛合金超塑成形过程中，模具与工件由于线膨胀 系数的差异，而导致工件精确性降低的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是本发明的一种线膨胀系数 可调的Zr02和Ti02超塑成形陶瓷模具的制备方法是这样完成的a、陶瓷粉 末混合首先将陶瓷粉末与聚乙烯醇粘结剂混合，在8(TC 14(TC温度之间搅 拌30min 90min，待聚乙烯醇粘结剂完全熔化且与陶瓷粉末均匀混合为止，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量占陶瓷粉末总体积的25%~45%，所述陶瓷粉末按 体积百分比由40%~80°/。的Zr02和20°/。~60%的Ti02组成；b、喷涂硅油在 形状压制模具内侧表面喷涂硅油；c、压制将经a步骤混合好的陶瓷粉末放 入形状压制模具内加压，加压压力为0.5Mpa~5.0 Mpa，压制过程在80°C 140°C 温度之间完成；d、陶瓷毛坯脱模将压制结束后的形状压制模具冷却至室温， 待2h 4h陶瓷毛坯变硬即刻脱模；e、陶瓷毛坯脱脂及预烧结成陶瓷模具脱 脂温度为380。C，预烧结温度为800。C 100(TC，其中，脱脂过程在20°C~380°C 之间的升温速度为0.9°C/min，在300。C时保温300 min;预烧结过程在 380。C 100(TC之间的升温速度为0.8°C/min，在1000°。时保温120 min; f、陶 瓷模具烧结陶瓷模具的烧结温度为1500°C，在20 150(TC之间升温速度为 3.5°C/min，在1500。C时保温30 min。
本发明具有以下有益效果 一、采用本发明的制备方法制成的陶瓷模具，
在钛合金超塑成形过程中，模具与工件的线膨胀系数十分接近，提高了工件的
精确性。二、本发明可以通过调节Ti02的含量调节其膨胀系数，其中7102含 量越多，则膨胀系数越小；反之，Ti02含量越少，则膨胀系数越大。三、本发 明的制备方法简单、容易操作。


图1是用本发明的制备方法制成的Zr02和Ti02超塑成形陶瓷模具与TC4 钛合金平均线膨胀系数进行比较的曲线图，图2是本发明的制备方法的b步骤 中所用形状压制模具的主视剖视图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式的线膨胀系数可调的ZrCb和Ti02超塑成形 陶瓷模具的制备方法是这样完成的a、陶瓷粉末混合首先将陶瓷粉末与聚 乙烯醇粘结剂混合，在8(TC 14(TC温度之间搅拌30min 90min，待聚乙烯醇 粘结剂完全熔化且与陶瓷粉末均匀混合为止，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量占 陶瓷粉末总体积的25%~45%，所述陶瓷粉末按体积百分比由40%~80%的Zr02 和20% 60%的1102组成；b、喷涂硅油在形状压制模具内侧表面喷涂硅油， 以防止压制过程中陶瓷粉末与形状压制模具粘结，影响表面质量；C、压制 将经a步骤混合好的陶瓷粉末放入形状压制模具内加压，加压压力为 0.5Mpa~5.0 Mpa，压力大小根据陶瓷模具所需的致密度选择，压制过程在8(TC 140。C温度之间完成，以保证聚乙烯醇粘结剂有良好的流动性；d、陶瓷 毛坯脱模将压制结束后的形状压制模具冷却至室温，待2h 4h陶瓷毛坯变硬 即刻脱模(此时通过压力脱模)；e、陶瓷毛坯脱脂及预烧结成陶瓷模具脱脂 温度为38(TC，预烧结温度为80(TC 100(TC,其中，脱脂过程在20°C~380°C 之间的升温速度为0.9°C/min，在300。C时保温300 min;预烧结过程在 38(TC 100(TC之间的升温速度为0.8°C/min，在1000"C时保温120 min; f、陶 瓷模具烧结陶瓷模具的烧结温度为1500°C，在20 1500'C之间升温速度为 3.5°C/min，在1500。C时保温30 min。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式
的a步骤中，将陶瓷粉末与聚乙烯醇粘结剂混合，搅拌温度为12(TC，搅拌时 间为40min，待聚乙烯醇粘结剂完全熔化且与陶瓷粉末均匀混合为止，所述聚 乙烯醇粘结剂的加入量占陶瓷粉末总体积的30%,所述陶瓷粉末按体积百分比 由73%的ZrCb和27%的Ti02组成。可以根据所需膨胀系数不同调节Zr02和 Ti02的比例。增加Ti02含量则膨胀系数降低，减少其含量则膨胀系数增加。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式 的c步骤中的加压压力为3.0 Mpa，压制过程在IO(TC时完成。可以根据压力 调节模坯致密度，增大压力则模坯致密度增加，降低压力则致密度减小。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式
的d步骤中，将压制结束后的形状压制模具冷却至室温，待3h陶瓷毛坯变硬
即刻脱模。脱模后的模坯具有一定的强度，但强度有限。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式
的e步骤中的预烧结温度为900°C。预烧结后模坯中的聚乙烯醇粘结剂完全挥 发，模坯强度较低。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式
的a步骤中，将陶瓷粉末与聚乙烯醇粘结剂混合，搅拌温度为80°C，搅拌时 间为30min，待聚乙烯醇粘结剂完全熔化且与陶瓷粉末均匀混合为止，所述聚 乙烯醇粘结剂的加入量占陶瓷粉末总体积的25%，所述陶瓷粉末按体积百分比 由40%的Zr02和60%的Ti02组成。该配比制成的陶瓷模具线膨胀系数较低。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式 的a步骤中，将陶瓷粉末与聚乙烯醇粘结剂混合，搅拌温度为14(TC，搅拌时间为90min，待聚乙烯醇粘结剂完全熔化且与陶瓷粉末均匀混合为止，所述聚 乙烯醇粘结剂的加入量占陶瓷粉末总体积的45%，所述陶瓷粉末按体积百分比 由80。/。的ZrO2和20。/。的TiO2组成。该配比聚乙烯醇粘结剂比例较高，粉料在 压制过程中流动性好，所需成形压力较小。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式 的c步骤中的加压压力为0.5Mpa，压制过程在80'C时完成。本方式适合聚乙 烯醇粘结剂比例较大的情况，由于粉料流动性好，因此所需压力减小。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式 的c步骤中的加压压力为5.0Mpa，压制过程在140'C时完成。本方式适合聚乙 烯醇粘结剂比例较少的情况，所需成形压力及温度较高。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方式 的d步骤中，将压制结束后的形状压制模具冷却至室温，待2h陶瓷毛坯变硬
即刻脱模。冷却时间相对较短，模坯强度较低，但变形性能较好。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方 式的d步骤中，将压制结束后的形状压制模具冷却至室温，待4h陶瓷毛坯变 硬即刻脱模。冷却时间相对较长，模坯强度较高，但变形性能较低
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是:本实施方
式的e步骤中的预烧结温度为80(TC。预烧结温度相对较低，但不影响粘结剂
挥发，预烧结后强度相对降低。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一的不同点是本实施方
式的e步骤中的预烧结温度为IOO(TC。预烧结温度相对较高，预烧结后模具 强度较高。 '
具体实施方式
十四结合图1说明本实施方式，本实施方式是对利用本发
明的制备方法制成的试样进行平均线膨胀系数测试的一个具体实例，所述平均
线膨胀系数测试是在RPZ-03P全自动高温热膨胀仪上进行的，其中试样为 #10x50 mm的Zr02和Ti02陶瓷圆柱体，升温速度为0~5°C/min，测量的温度 区间为5°C。测量结果显示Zr02和Ti02陶瓷的平均线膨胀系数为 8.91xlO^CT1，与所测试的TC4钛合金的线膨胀系数8.9xlO'"CT1近乎相同。
具体实施方式
十五结合图2说明本实施方式，本实施方式的b步骤中所 用形状压制模具由压块l、型腔外模2、型腔内模3、加热装置4和螺栓5组成；所述型腔外模2放置在型腔内模3的平台端面3-1上且通过螺栓5与型腔 内模3固接，型腔外模2和型腔内模3装在加热装置4内，且型腔外模2和型 腔内模3的外侧壁与加热装置4的内侧壁相贴靠在一起，型腔外模2的内腔从 上至下由内圆柱孔2-l和内圆锥孔2-2组成，所述压块1装在型腔外模2的内 圆柱孔2-l中且与型腔外模2滑动配合，型腔内模3的平台端面3-l上设有中 心圆台3-2，型腔外模2的内圆锥孔2-2与型腔内模3的中心圆台3-2的侧壁 相配合。如此设置，其结构简单、易于脱模。其它方法步骤与具体实施方式
一 相同。
权利要求
1、一种线膨胀系数可调的ZrO2和TiO2超塑成形陶瓷模具的制备方法，其特征在于所述方法是这样完成的a、陶瓷粉末混合首先将陶瓷粉末与聚乙烯醇粘结剂混合，在80℃～140℃温度之间搅拌30min～90min，待聚乙烯醇粘结剂完全熔化且与陶瓷粉末均匀混合为止，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量占陶瓷粉末总体积的25％～45％，所述陶瓷粉末按体积百分比由40％～80％的ZrO2和20％～60％的TiO2组成；b、喷涂硅油在形状压制模具内侧表面喷涂硅油；c、压制将经a步骤混合好的陶瓷粉末放入形状压制模具内加压，加压压力为0.5Mpa～5.0Mpa，压制过程在80℃～140℃温度之间完成；d、陶瓷毛坯脱模将压制结束后的形状压制模具冷却至室温，待2h～4h陶瓷毛坯变硬即刻脱模；e、陶瓷毛坯脱脂及预烧结成陶瓷模具脱脂温度为380℃，预烧结温度为800℃～1000℃，其中，脱脂过程在20℃～380℃之间的升温速度为0.9℃/min，在300℃时保温300min；预烧结过程在380℃～1000℃之间的升温速度为0.8℃/min，在1000℃时保温120min；f、陶瓷模具烧结陶瓷模具的烧结温度为1500℃，在20～1500℃之间升温速度为3.5℃/min，在1500℃时保温30min。
2、 根据权利要求1所述的线膨胀系数可调的Zr02和7102超塑成形陶瓷 模具的制备方法，其特征在于所述a步骤中，将陶瓷粉末与聚乙烯醇粘结 剂混合，搅拌温度为120°C，搅拌时间为40min，待聚乙烯醇粘结剂完全熔 化且与陶瓷粉末均匀混合为止，所述聚乙烯醇粘结剂的加入量占陶瓷粉末总 体积的30%,所述陶瓷粉末按体积百分比由73%的Zr02和27%的7102组成。
3、 根据权利要求l所述的线膨胀系数可调的Zr02和Ti02超塑成形陶瓷 模具的制备方法，其特征在于所述c步骤中的加压压力为3.0 Mpa，压制 过程在10(TC时完成。
4、 根据权利要求1所述的线膨胀系数可调的Zr02和Ti02超塑成形陶瓷 模具的制备方法，其特征在于所述d步骤中，将压制结束后的形状压制模 具冷却至室温，待3h陶瓷毛坯变硬即刻脱模。
5、 根据权利要求1所述的线膨胀系数可调的Zr02和Ti02超塑成形陶瓷 模具的制备方法，其特征在于所述e步骤中的脱脂温度为380°C，预烧结 温度为900°C。
全文摘要
线膨胀系数可调的ZrO₂和TiO₂超塑成形陶瓷模具的制备方法，它涉及一种线膨胀系数可调的ZrO₂和TiO₂陶瓷模具的制备方法。针对钛合金超塑成形过程中，模具与工件由于线膨胀系数的差异，导致工件精确性降低问题。方法是将陶瓷粉末与聚乙烯醇粘结剂混合搅拌均匀，聚乙烯醇粘结剂的加入量占陶瓷粉末总体积的25％～45％，陶瓷粉末按体积百分比由40％～80％的ZrO₂和20％～60％的TiO₂组成；在形状压制模具内侧表面喷涂硅油；将陶瓷粉末放入形状压制模具内加压；陶瓷毛坯脱模；脱脂温度为380℃，预烧结温度为800℃～1000℃，预烧结在380℃～1000℃之间的升温速度为0.8℃/min，在1000℃时保温120min；将陶瓷模具烧制。由本发明的制备方法制成的陶瓷模具，在钛合金超塑成形中，模具与工件的线膨胀系数十分接近，提高了工件的精确性。
文档编号C04B35/622GK101417876SQ20081013755
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者张凯锋, 蒋少松 申请人:哈尔滨工业大学