[發明專利]一種多梯度氧化釔型殼及其制備方法

有效

• 申請號: 202110705871.3
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113369465B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 樊江磊;梁柳博;王霄;魏澤新;李瑩;吳深;王艷;周向葵;劉建秀
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: B22D27/04
• 分類號: B22D27/04;C04B35/505;C04B35/622;B28B1/00;B33Y10/00;B33Y70/10;B33Y80/00
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 李想;范小方

本發明公開一種多梯度氧化釔型殼，型殼由多梯度納米級氧化釔粉體和多梯度微米級氧化釔粉體，經3D打印制成，且氧化釔顆粒尺寸呈梯度結構分布。所述氧化釔型殼由內層到外層呈現梯度結構，由納米級氧化釔顆粒逐漸過渡到微米級氧化釔顆粒，形成的晶粒大小和孔隙尺寸有著逐漸增大的梯度結構，燒結后型殼內壁到外壁由致密到疏松，提高型殼的抗侵蝕性能，且型殼具有良好的抗熱震性能。采用3D打印技術制備所述氧化釔型殼使用，可制作大尺寸及結構復雜的型殼。

技術領域

本發明屬于陶瓷型殼技術領域，具體涉及一種適用于TiAl合金定向凝固的多梯度氧化釔型殼及其制備方法。

背景技術

TiAl合金具有低密度、高比強度和高比剛度、良好的高溫抗蠕變性能，在航空航天及汽車發動機領域具有極為廣闊的應用前景。目前已有TiAl合金結構件應用在民用飛機上，展現出巨大的經濟價值。采用定向凝固技術制備TiAl合金，可獲得具有平行于生長方向的全片層組織，可有效提高TiAl基合金的抗蠕變性能和疲勞強度。帶型殼定向凝固可直接制備形狀復雜且尺寸較大的TiAl合金零部件。因此，許多學者開展了大量TiAl合金定向凝固的研究。但是，復雜型殼制備較為困難，現階段研究大多集中在圓形截面和長方形截面等具有簡單形狀的棒狀試樣的定向凝固實驗。同時，TiAl合金熔體化學性質非常活潑，與常見的型殼材料均會發生不同程度的反應。定向凝固時合金熔體需達到足夠的過熱度，溫度較高，與型殼作用時間長，使得型殼材料的化學性質與熱力學穩定性面臨嚴峻的挑戰。

根據氧化物標準自由能，氧化釔具有較高的熱力學穩定性，理論上不與TiAl合金發生化學反應，是定向凝固TiAl合金的理想型殼材料。然而，現有氧化釔型殼材料在使用過程中,與TiAl合金熔體存在明顯的界面反應，且在凝固后的TiAl合金組織中出現了一定量的氧化釔顆粒。其原因是，在現有氧化型殼的制備過程中多使用硅溶膠、釔溶膠等物質作為粘結劑；同時，在缺少對漿料成分的嚴格控制，在氧化釔原料的選擇和掛漿過程中引入了SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂等熱力學穩定性低于氧化釔的雜質，這些物質的存在降低了氧化釔坩堝的使用性能。除了型殼成分的影響外，氧化釔型殼的結構對其使用性能有重要影響。型殼中的晶粒大小與孔隙尺寸及其分布直接影響型殼在使用過程中的耐侵蝕性、表面潤濕性以及抗熱震性能。實驗結果表明，較小的晶粒和孔隙尺寸可以提高氧化釔型殼的抗合金熔體侵蝕性，但抗熱震性能較差；較大的晶粒和孔隙尺寸則可以提高氧化釔型殼的抗熱震性能，但抗合金熔體侵蝕性較差。目前，常用的氧化釔型殼制備方法有冷等靜壓成型，溶膠粘結成型，然后進行高溫燒結。但這些制作方法只能制備出形狀較為簡單的型殼結構，且組織結構單一。另外，使用氧化釔制備型殼時，不同粉體在一起易出現團聚現象，影響了組織的均勻性，使用尺寸較小的氧化釔粉體時，尤其是納米級粉體、納米級與微米及混合粉體。因此，制備具有復雜形狀、組織結構可控，同時滿足抗侵蝕性和抗熱震性的氧化釔型殼是一個亟待解決的難題。

發明內容

本發明為了解決當前TiAl合金定向凝固用氧化釔型殼存在的問題，提出一種多梯度氧化釔型殼及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案為：

一種多梯度氧化釔型殼，型殼由多梯度納米級氧化釔粉體和多梯度微米級氧化釔粉體，經3D打印制成，且氧化釔顆粒尺寸呈梯度結構分布。

一種多梯度氧化釔型殼的制備方法，包括以下步驟：

a. 多梯度納米級氧化釔漿料的制備

取納米級氧化釔粉體、陶瓷添加劑、去離子水、消泡劑，將納米級氧化釔粉體分別與其他原材料放入球磨機濕混1-10h，得到多種納米級氧化釔初始漿料，其中，納米級氧化釔固相含量為70%-90%，陶瓷添加劑含量為0.05%-2.0%，消泡劑含量為0.05%-1.0%；同樣的方法制備不同梯度納米級氧化釔漿料；

b. 多梯度微米級氧化釔漿料的制備