技术领域
[0001] 本
发明属于材料制备技术领域，涉及一种具有复杂精确形状特征、外径尺寸可达160mm以上的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮制备方法。
背景技术
[0002] 无压烧结碳化硅是一种良好的
结构陶瓷，具有硬度高、热导率高、热震性能高，耐磨损、耐化学
腐蚀性能好等特点，是一种非常理想的耐腐蚀、耐磨损、耐高温
离心泵叶轮制造材料。反应烧结的碳化硅制品中包含20vol%左右的游离硅，而且烧结
温度较低，所以反应烧结的碳化硅材料在机械强度、
耐腐蚀性、耐磨损性方面均远低于无压烧结碳化硅制品。
[0003] 碳化硅陶瓷叶轮复杂的形状特征使其制备非常困难。模压、冷
等静压等成型方式均不能获得如此复杂的形状。李子红的发明
专利“金属基陶瓷表层泵用复合叶轮及生产方法”（公开号CN1746510A）在金属叶轮的表面上包覆一层
石英、
长石、粘土、有机物等成分的陶瓷层，经600～850℃烧结后获得具有耐腐蚀、耐磨损等特性的金属基陶瓷表层复合叶轮。但该叶轮不属于全陶瓷叶轮，而且烧
结温度低，耐腐蚀、耐磨损等性能远低于无压烧结碳化硅材料；依凤鸣等的实用新型专利“工程陶瓷耐磨
风机叶轮”（公开号CN2181584）在金属叶轮后盘上开设沟槽，沟槽内镶嵌陶瓷
叶片并靠相对应的
榫头连接，该叶轮仍不属于全陶瓷叶轮。陆
锁根的实用新型专利“利用二次烧结法制造的全陶瓷叶轮”（公开号CN201079778）将叶轮整体分解成叶轮上盖、叶轮
底板和叶片三部分，分别加工后组装、采用陶瓷粘结剂、二次烧结达到陶瓷叶轮整体，全套工艺复杂，属于拼接组合成型，容易在结合部位发生断裂。因此只能采用胶态成型方法成型陶瓷叶轮，但注浆成型尺寸
精度低、壁厚较小，生坯
密度低；注射成型
工件壁厚小、脱胶时间过长、容易产生成型
缺陷。
[0004] 凝胶注模工艺是20世纪90年代由美国Omatete和Janney等发明的一种新成型工艺，该工艺利用混合陶瓷粉末的有机
单体溶液在引发剂和催化剂作用下交联聚合成三维网络
聚合物凝胶，从而原位
凝固成型状复杂且显微结构均匀的坯体，主要用于复杂结构形状的陶瓷与粉末
冶金制品成型，与普通干粉
压制成型相比具有生坯强度高、密度均匀等优点。因此凝胶注模成型方法是制造耐腐蚀、耐磨损、耐高温
离心泵陶瓷叶轮的理想选择。赵文兴等的发明专利“大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的凝胶注模成型工艺”（公开号CN
101941231 A）采用了中位径为0.5～40um的几种碳化硅粉末进行级配提高浆料固相含量，制备了尺寸达1米量级的复杂形状碳化硅素坯。但该素坯中没有助烧剂，同时0.5～40um的碳化硅粉末级配无法采用无压烧结致密化，后续工艺中包含渗硅，属于反应烧结碳化硅体系；周龙捷的“
水基高固相含量SiC悬浮体的制备和凝胶注模成型”及张涛的“凝胶注模成型制备致密SiC陶瓷材料”研究的为含
氧化物烧结助剂的液相烧结体系碳化硅；张景贤的“通过凝胶注模成型和无压烧结制备碳化硅陶瓷”采用的碳源为糊精，引发体系为自制，而且不具备复杂形状、大尺寸等重要特征要素；
[0005] 化工、石油及核电站经常需要将高温、强酸
碱性溶液泵入或泵出，迫切需要耐高温、耐强酸碱腐蚀、耐磨损的叶轮泵。如何制备出满足性能要求、形状复杂精确的大尺寸泵用叶轮，是摆在我们面前的一个难题。本发明正是针对这一问题开展的研究和开发工作：采用凝胶注模工艺成型、无压烧结制备大尺寸、形状复杂碳化硅陶瓷叶轮坯；采用适合无压烧结的亚微米碳化硅粉末、含
硼体系助烧剂制备浆料，控制浆料固含量、
粘度，保证叶轮的均匀性和素坯强度；采用控温、控湿分段干燥的手段抑制复杂、精确形状、大尺寸素坯的开裂；采用关键区段
温度控制的无压烧结工艺保证叶轮的高强度、抗磨损和抗腐蚀性。具体发明内容如下：
发明内容
[0006] 本发明解决了采用凝胶注模成型、无压烧结制备陶瓷叶轮中的诸多工艺难题，实现了具有复杂精确形状特征、外径尺寸可达160mm以上的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮的制备。
[0007] 本发明提出的技术方案是：一种凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的方法，包括如下步骤：
[0008] 1）预混原料粉末：将碳化硅粉末、
炭黑粉末和碳化硼粉或硼粉加入到去离子水介质中，以丙三醇为分散剂，进行球磨混料、振动磨混料或者搅拌磨混料，料浆经
真空烘干、
破碎、过筛，或者
喷雾干燥，获得混合均匀的混合粉末，备用，其中，碳化硼粉或硼粉0.3wt%--2wt%，炭黑粉末0.5wt%--3wt%，其余为碳化硅粉末；
[0009] 2）配制有机物预混液：将单体和交联剂在预混液中占5～20vol%，分散剂比例为2～5vol%，加入到去离子水中进行机械搅拌，得到有机物预混液，备用，其中，单体和交联剂的
质量比为5～20：1；
[0010] 3）配制陶瓷浆料：将步骤1）的预混合的原料粉末加入到步骤2制备得到的有机物预混液中,固相含量45～55vol%；
[0011] 4）真空
脱泡：将步骤3得到陶瓷浆料放到密闭容器中，抽真空脱泡；
[0012] 5）加入引发剂、催化剂：向步骤4得到的陶瓷浆料中加入陶瓷浆料重量0.02～0.1wt%的引发剂和陶瓷浆料重量0.01～0.05wt%的催化剂；
[0013] 6）注模成型：将上述步骤制备得到的陶瓷浆料注入到特制的陶瓷叶轮模具中，室温
固化，脱模，得到陶瓷叶轮生坯；
[0014] 7）控湿、控温两段式干燥：将上述步骤制备得到陶瓷叶轮生坯放入可控制湿度的环境中，在室温下控制湿度缓慢的从100%降低至50%，保持2～24h，然后转移到烘箱内缓慢升温至100℃，保温1～5h；
机械加工，获得陶瓷叶轮部分形状、尺寸细节；
[0015] 8）真空脱胶：将经过上述步骤处理得到陶瓷叶轮采用真空脱胶炉，在流动氩气气氛下，缓慢脱除陶瓷叶轮中的有机物成分；
[0016] 9）无压烧结：上述步骤处理得到陶瓷叶轮置于真空烧结炉中，在温度为1700℃保温1～3h，再以2～8℃/min升温至2000℃，保温1～3h，在温度2050～2200℃进行烧结，保温时间1～2h，进行机械加工：该阶段陶瓷叶轮烧结坯硬度极高，机械加工主要是金刚石
砂轮磨削，获得具有复杂精确形状特征、外径尺寸可达160mm以上的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮。
[0017] 进一步，所述碳化硅粉末纯度≥98%，平均粒径为≤0.5um；碳化硼、炭黑粒度均为微米或亚微米级粉末。
[0018] 进一步，所述陶瓷浆料中的单体为分析纯的丙烯酰胺(AM)、分析纯的甲基丙烯酰胺(MAM)、羟甲基
丙烯酸铵（HMAM）或丙烯酸（AA）。
[0019] 进一步，所述交联剂为分析纯的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)。
[0020] 进一步，所述分散剂为分析纯的四甲基
氢氧化铵(TMAH)。
[0021] 进一步，所述引发剂为过
硫酸铵(APS)。
[0022] 进一步，所述催化剂为分析纯的N,N,N,N-四甲基乙二胺（TEMED）。
[0023] 本发明的有益效果在于：预先将陶瓷原料粉末混合均匀，再加入到有机物预混液中，避免了将各种陶瓷粉末先后、单独加入到有机物预混液中，由于有机物预混液粘度高而造成的原料粉末分散不均匀现象；在注模后采用室温固化，克服加热固化时因温度梯度造成的坯体内部不均匀固化等缺陷； 采用控湿、控温两段式干燥工艺抑制、消除复杂、精确形状、大尺寸素坯的开裂；采用亚微米碳化硅粉末、采用亚微米碳化硅粉末、含硼助烧剂的固相烧结体系进行无压烧结，保证叶轮的高强度、抗磨损和抗腐蚀性；又在关键区段进行升温、保温控制，抑制和消除了烧结过程中的裂纹、
变形等缺陷。
附图说明
[0024] 图1 本发明凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的工艺流程示意图。
具体实施方式
[0025] 下面结合具体
实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0026] 碳化硅粉末D50：0.45um，烧结助剂碳化硼D50：1um；炭黑的吸碘值85m2/g，DBP吸收值0.78cm3/g；凝胶注模单体丙烯酰胺（AM），交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM），分散剂四甲基氢氧化铵（(CH3)4NOH，TMAH），引发剂采用过硫酸铵（(NH4)2S2O8，APS），催化剂为N,N,N,N-四甲基乙二胺（TEMED），以上凝胶注模化学
试剂均为化学纯；介质为去离子水；
[0027] 根据图1所示凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的工艺流程，具体实施例的过程如下：
[0028] 实施例1
[0029] 将9500g碳化硅粉末、200g碳化硼粉末、300g炭黑粉末，加入到25L去离子水中，加入100ml丙三醇为分散剂，球磨混料24h，喷雾干燥，获得混合均匀的混合粉末待用；
[0030] 将1905g丙烯酰胺、95gN，N-亚甲基双丙烯酰胺、200ml四甲基氢氧化铵加入到7.8L去离子水中，充分机械搅拌，配制有机物预混液待用；
[0031] 取523ml有机物预混液，机械搅拌的同时逐步加入2000g预混合陶瓷粉末，配制陶瓷料浆；
[0032] 将陶瓷浆料放到真空箱中，真空除泡20min；
[0033] 向陶瓷浆料中加入2.76g引发剂APS，0.28g催化剂TEMED，搅拌均匀；
[0034] 将陶瓷浆料注入到特制的陶瓷叶轮模具中，室温固化，脱模，得到复杂形状的碳化硅陶瓷叶轮生坯；
[0035] 将陶瓷叶轮生坯放入可控制湿度的环境中，湿度缓慢从100%降低至50%，湿度50%保持5h；该过程温度为室温；然后将陶瓷叶轮生坯转移到烘箱内，缓慢升温至100温度，保温2h；
[0036]
车床车削，去除陶瓷叶轮生坯
飞边、浇冒口等；
[0037] 采用真空脱胶炉在流动氩气气氛下550℃保温1.5h，缓慢脱除陶瓷叶轮中的有机物成分；
[0038] 采用真空烧结炉在流动氩气气氛下进行无压烧结， 1700℃保温2h，以5℃/min升温至2000℃，保温2h，以8℃/min升温至2050℃，保温2h；
[0039] 金刚石砂轮磨削叶轮外径、内径等至规定尺寸及形位公差要求，粗糙度Ra1.6，获得具有复杂、精确形状特征、外径尺寸180mm的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮。
[0040] 实施例2
[0041] 将9920g碳化硅粉末、30g碳化硼粉末、50g炭黑粉末，加入到25L去离子水中，加入100ml丙三醇为分散剂，搅拌磨混料8h，真空烘干、破碎、擦筛80目，获得混合均匀的混合粉末待用；
[0042] 将1200g丙烯酰胺、100gN，N-亚甲基双丙烯酰胺、500ml四甲基氢氧化铵加入到8200L去离子水中，充分机械搅拌，配制有机物预混液待用；
[0043] 取760ml有机物预混液，机械搅拌的同时逐步加入2000g预混合陶瓷粉末，配制陶瓷料浆；
[0044] 将陶瓷浆料放到真空箱中，真空除泡10min；
[0045] 向陶瓷浆料中加入0.55g引发剂APS，1.38g催化剂TEMED，搅拌均匀；
[0046] 将陶瓷浆料注入到特制的陶瓷叶轮模具中，室温固化，脱模，得到复杂形状的碳化硅陶瓷叶轮生坯；
[0047] 将陶瓷叶轮生坯放入可控制湿度的环境中，湿度缓慢从100%降低至50%，湿度50%保持12h；该过程温度为室温；然后将陶瓷叶轮生坯转移到烘箱内，缓慢升温至100温度，保温3h；
[0048] 车床车削，去除陶瓷叶轮生坯飞边、浇冒口等；
[0049] 采用真空脱胶炉在流动氩气气氛下550℃保温1.5h，缓慢脱除陶瓷叶轮中的有机物成分；
[0050] 采用真空烧结炉在流动氩气气氛下进行无压烧结， 1700℃保温1h，以5℃/min升温至2000℃，保温1h，以2℃/min升温至2200℃，保温2h；
[0051] 金刚石砂轮磨削叶轮外径、内径等至规定尺寸及形位公差要求，粗糙度Ra1.6，获得具有复杂、精确形状特征、外径尺寸160mm的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮。
[0052] 实施例3
[0053] 将9920g碳化硅粉末、30g碳化硼粉末、50g炭黑粉末，加入到25L去离子水中，加入100ml丙三醇为分散剂，搅拌磨混料8h，真空烘干、破碎、擦筛80目，获得混合均匀的混合粉末待用；
[0054] 将1200g丙烯酰胺、100gN，N-亚甲基双丙烯酰胺、500ml四甲基氢氧化铵加入到8200L去离子水中，充分机械搅拌，配制有机物预混液待用；
[0055] 取760ml有机物预混液，机械搅拌的同时逐步加入2000g预混合陶瓷粉末，配制陶瓷料浆；
[0056] 将陶瓷浆料放到真空箱中，真空除泡10min；
[0057] 向陶瓷浆料中加入0.55g引发剂APS，1.38g催化剂TEMED，搅拌均匀；
[0058] 将陶瓷浆料注入到特制的陶瓷叶轮模具中，室温固化，脱模，得到复杂形状的碳化硅陶瓷叶轮生坯；
[0059] 将陶瓷叶轮生坯放入可控制湿度的环境中，在室温下，将湿度缓慢从100%降低至50%，湿度50%保持24h；然后将陶瓷叶轮生坯转移到烘箱内，缓慢升温至100温度，保温5h；
[0060] 车床车削，去除陶瓷叶轮生坯飞边、浇冒口等；
[0061] 采用真空脱胶炉在流动氩气气氛下550℃保温1.5h，缓慢脱除陶瓷叶轮中的有机物成分；
[0062] 采用真空烧结炉在流动氩气气氛下进行无压烧结， 1700℃保温1.5h，以5℃/min升温至2000℃，保温1.5h，以5℃/min升温至2150℃，保温1.5h；
[0063] 金刚石砂轮磨削叶轮外径、内径等至规定尺寸及形位公差要求，粗糙度Ra1.6，获得具有复杂、精确形状特征、外径尺寸160mm的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮。
