陶瓷壳体零件制作工艺的研究

陶瓷材料可以被用来制作壳体类零件。由于陶瓷坯体在干燥和烧结过程中的收缩率较大,约5%-20%,并且受到多种因素影响,导致壳体零件尺寸精度较低,限制了陶瓷壳体的应用。为了提高陶瓷壳体零件的尺寸精度,本文首先利用注浆成型的方法制作了一个圆柱形陶瓷壳体试件,测量尺寸,计算材料收缩率。然后设计了一个电器仪表外壳,根据收缩率数据将模型放大,采用3D打印的方法制作模芯,并利用此模芯制作石膏模具。最后采用相同的注浆成形工艺参数,制作出陶瓷壳体零件。实验结果表明,这种二次注浆成形工艺能够抵消陶瓷材料收缩,并避免影响因素,使壳体零件尺寸的相对误差小于1%。

建构、细分——对陶瓷壳结构的数字重读

正本课程作业起始于2011年秋季由Martin Bechthold教授的陶瓷实验课程(Ceramic Lab)。陶瓷是近两年哈佛大学设计学院设计机器组(Design Robotic Group)的重点研究材料。除此课程之外,还有数个其他课程外的关于陶瓷的项目在同时进行。此项目在课程结束后也将作为重点研究项目之一持续进行,当然这是后话。

高温合金精密铸造用陶瓷型壳及其与合金界面反应的研究进展

高温合金因优异的高温性能广泛应用于航空发动机和工业燃汽轮机等领域,而制备性能优异的陶瓷型壳是生产精密高温合金铸件的前提。本文归纳了近年来陶瓷型壳制备技术的发展,分别叙述了陶瓷型壳基体材料的选择、黏结剂的影响、纤维材料改性、制备工艺等方面的研究进展以及现存的问题。同时,对于陶瓷型壳与高温合金发生的界面反应进行了分析讨论,总结了界面化学反应机理和润湿性机理,并归纳了陶瓷材料/合金组分元素对界面反应的影响,以及现有研究中存在的不足之处。最后指出基于高温合金精密铸造用陶瓷型壳制备技术未来研究的重点方向。

基于态基近场动力学的碳化硅陶瓷圆柱壳体断裂损伤分析

碳化硅(SiC)陶瓷材料具有优异的力学性能,广泛应用于各种工程部件中.然而,陶瓷是脆性材料,当发生脆断时会造成巨大的危害.因此对其断裂行为的准确预测显得极为重要.为了研究SiC陶瓷壳体在外载荷作用下的断裂损伤机理,首先通过准静态拉伸和压缩实验获得SiC陶瓷的临界能量释放率,建立了适用于拉伸和压缩损伤分析的常规态基近场动力学模型.然后,采用Fortran语言编程实现了陶瓷壳体在线性递增外载荷作用下断裂损伤行为的数值仿真,并将所获得的仿真值与理论预测值进行对比,验证了所建模型的准确性.最后,对仿真结果进行详细分析,揭示了壳体结构的损伤扩展演化规律.仿真结果表明:初始损伤区源于壳体内壁面的压缩断裂,且沿环向呈90°均匀分布.随着载荷的逐渐增加,壳体外壁面出现拉伸断裂损伤区,内外壁面的损伤区先沿着周向扩展,再向着壳体中面缓慢延伸,并在厚度方向贯穿整个壳体.随后,在壳体轴线方向出现拉-压损伤混合区,该损伤区沿着轴向扩展,最终将壳体分成4个断裂区.所建模型能够有效地描述复杂载荷作用下SiC陶瓷结构的断裂损伤演化过程,同时弥补了态基近场动力学在断裂分析方面的不足.

分层挤出成形陶瓷型壳的表面粗糙度研究

熔模铸造在进行金属浇注之前,通常要经过蜡模压制、蜡模组树、蜡模沾浆、型壳脱蜡、型壳焙烧等工序制备陶瓷型壳,而采用分层挤出成形技术直接成形陶瓷型壳,可大大简化熔模铸造的工艺流程。本文基于氧化铝陶瓷浆料,主要研究了分层挤出成形关键工艺参数(喷嘴直径、挤出层高和成形角度)对陶瓷型壳表面粗糙度的影响,构建了挤出成形陶瓷型壳的表面粗糙度数学模型,并采用涂层后处理工艺进一步降低了陶瓷型壳的表面粗糙度。结果表明:采用分层挤出成形技术,当喷嘴直径为0.26 mm、挤出层高为0.2 mm、成形角度为90°时,试样表面粗糙度Ra最低为(12.9±0.9)μm,施加涂层后,表面粗糙度Ra可降低至6.3μm以下。

单晶叶片型壳浆料粘度对型壳参数的影响研究

深入探讨了单晶叶片型壳浆料粘度对型壳参数及其最终产品性能的影响。鉴于单晶叶片在航空发动机中的关键作用,其型壳的质量直接影响发动机的效率和安全。鉴于此,通过对浆料粘度关键物理化学性质的详细分析,探讨了其如何影响型壳的常温强度、焙烧强度、热扩散系数等性能。通过实验,评估了耐火材料、粘结剂和附加物等不同组成元素对浆料粘度的影响,并特别关注了Al_(2)O_(3)粉体粒度分布、硅溶胶浓度和粉液比这三个主要因素。实验结果表明,通过精确控制浆料粘度,可有效提高型壳的均匀性和最终产品的质量,从而显著提升产品的合格率。该研究为单晶叶片型壳浆料的粘度控制提供了科学依据,对于优化铸造工艺和提高航空发动机性能具有重要的实际应用价值。

高温合金空心叶片精密铸造用陶瓷型芯与型壳的研究现状

介绍了高温合金空心叶片熔模铸造用陶瓷型芯与型壳的应用背景,及其对于高温合金空心叶片精密成形的重要意义,概述了采用熔模铸造工艺制备高温合金空心叶片对陶瓷型芯与型壳各项性能的基本要求;并指明了陶瓷型芯与型壳今后的发展方向。分别叙述了陶瓷型芯与型壳基体材料的选择、制备工艺及其对性能的影响,介绍了陶瓷型芯脱除工艺的研究进展及存在的问题。另外,对于陶瓷型芯与型壳定位的精确度、性能匹配性对高温合金空心叶片质量影响进行了评述。

DD6单晶高温合金与陶瓷型壳的界面反应

采用光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱等分析手段研究了DD6单晶合金与陶瓷型壳的界面反应.结果表明：DD6高温合金与陶瓷型壳的界面反应产物主要是Al2O3和HfO2,同时伴随着少量Ta元素的析出;界面反应层的厚度为5～6μm,反应产物在合金/型壳界面的富集,能够抑制氧化反应的进一步进行;高温下DD6合金与陶瓷型壳润湿角为145 ～150°,降低型壳内表面的气孔率能够减少毛细作用的产生,从而有效抑制界面反应的产生.

高温合金定向凝固用陶瓷型壳的铸型反应和导热性

介绍了陶瓷型壳和高温合金中的活性元素发生的化学反应,重点描述了陶瓷型壳中的SiO2和Al2O3与合金元素中的Nd、Hf、C、Al、Cr等的化学反应状况,由于非硅基粘结剂不含易于反应的SiO2,从而降低或消除铸型反应。此外,在陶瓷型壳中涂高辐射率涂层、添加金属氧化物和导热体等方法可以提高定向凝固过程中固-液界面凝固前沿的温度梯度。

定向凝固用陶瓷型壳高温力学性能研究现状

简述了高温合金定向凝固用陶瓷型壳的工况,重点介绍了在浆料中添加矿化剂和粒度小于10μm超细氧化铝粉等提高型壳材料的化学反应活性以促进型壳中莫来石的形成,进而提高陶瓷型壳的高温强度和抗蠕变性能的措施。还有采用非连续纤维和连续纤维强化型壳,提高其强度和抗蠕变性能的方法。并通过提高型壳孔隙率和在面层形成阻挡层的方法提高型壳的抗热震性能。同时,指出了定向凝固用陶瓷型壳存在的一些问题,论述了其发展方向。

TiAl合金反重力铸造用陶瓷型壳的调整

在真空反重力铸造过程中,熔融的TiAl合金是通过两真空腔体的压力差压入陶瓷型壳中的。因此,真空反重力铸造过程中型壳必须具有良好的透气性和必要的强度。实验表明,在料浆中加入少量糊精可以明显增加型壳的透气性,在型壳制作的过程中通过加入纤维可增强其强度。利用这种型壳,通过反重力低压真空铸造出的TiAl增压器涡轮的叶片尖端厚度可薄至0.5mm。

钛合金精密铸造用陶瓷模壳研究

对适用于钛合金精密铸造用陶瓷模壳的制备工艺进行了系统的实验分析,表征了以过渡金属氧化物溶胶为粘结剂、稳定氧化锆为耐火材料的料浆的性能并讨论了相关参数的影响,对比研究了级配粉与均匀细粉制作的模壳的表面质量.结果表明,粗/细粉含量等级配参量和粉液比通过影响密度、粘度、滞流率以及涂层厚度等工艺参数而影响模壳的表面质量.在上述分析基础上确定了适用于本实验条件下钛合金精密铸造用陶瓷模壳的制备工艺参数.

钛熔模精铸用氧化物陶瓷型壳制壳工艺的研究

针对钛的特性合理地选择了制壳材料的种类， 研究了粉液比等工艺参数对涂料的悬浮性， 涂层厚度的影响， 合理地选择了面层、邻面层及背层涂料的干燥温度、湿度和时间， 并确定了适宜的微波脱蜡工艺。在不同粉液比条件下，研究了室温及不同焙烧温度对型壳抗弯强度的影响，从而确定了最佳粉液比和焙烧工艺参数。采用优化的制壳工艺参数制备的型壳， 内表面光洁、无裂纹等缺陷。采用水冷铜坩埚真空感应炉进行熔炼和浇注， 得到了外观较好的铲形薄壁铸件， 测试并分析了该铸件的表面性能。

钛合金用氧化物陶瓷型壳的研究

高质量的钛合金铸件与熔模型壳的性能和表面质量有着直接的关系 .通过TG -DTA、X衍射对氧化物陶瓷型壳的面层和背层进行了分析 ,测试了陶瓷型壳的常温、高温力学性能和热膨胀系数 ,对型壳试样的断口进行了SEM观察 .采用锆胶为粘结剂 ,以CaO稳定的ZrO2 为耐火材料制成的陶瓷型壳以四方相为主 ,具有良好的强度和尺寸稳定性 .

液钛与氧化锆陶瓷型壳的相互作用

借助于Ｘ射线衍射、电子探针和扫描电镜等测试手段，研究了液钛与氧化锆陶瓷型壳的相互作用。结果表明，界面反应一方面基于型壳中的ＺｒＯ２分解和Ｚｒ，Ｏ原子向钛基体的扩散，形成ＣａＺｒＴｉ２Ｏ７相；另一方面液钛也向氧化锆型壳中扩散，形成Ｃａ２Ｚｒ５Ｔｉ２Ｏ１６相。阐述了液钛与氧化锆陶瓷型壳相互作用的双向扩散机制。指出降低浇注温度可减弱钛与型壳的界面反应。

陶瓷型壳精铸挤压铸造成型模

研究了陶瓷型壳精铸挤压铸造成型模的工艺过程、工艺特点以及工艺参数的选择等问题。对一般陶瓷型铸造时易出现的问题从理论上作了一些分析 ,同时结合大量的实践对陶瓷型壳废料的再生、型壳的水煮工艺等方面提出了自己的看法 ,作了一些探讨。

钛合金精密铸造陶瓷型壳性能的研究

获得高质量精密铸造钛合金铸件的关键是制备出高质量的陶瓷型壳 .本文对Y/Y、ZY/ZY和TJ/ZC等三种面层材料的性能进行了研究 ,主要包括TG/DTA测试、型壳强度测试以及热膨胀性能测试 .实验表明 ,TJ/ZC材料是钛合金精密铸造理想的面层材料 .

粉料的粒度分布对TiAl合金熔模精密铸造用氧化锆陶瓷型壳性能的影响(英文)

研究粉料的粒度分布对TiAl合金熔模精密铸造用氧化锆陶瓷性能的影响。对粉料粒度分布、粉末形貌、浆料黏度、型壳抗弯强度和断裂形貌之间的关系进行研究;通过测量氧化锆粉末和粘结剂构成的浆料的黏度来考察粉末粒度分布对浆料黏的影响;对不同粒度分布氧化锆陶瓷型壳断口形貌进行观察。结果表明:粉料粒度分布对未焙烧和焙烧后氧化锆陶瓷型壳的强度影响行为相似;粉料粒度分布对氧化锆陶瓷型壳的质量能产生很大的影响并进而影响到熔模精密铸造制备TiAl合金构件的质量。

SiO_2/SiCN核壳陶瓷微球的制备及表征

采用乳液技术和先驱体转化法相结合,利用改性后SiO_2颗粒表面的双键引发聚硅氮烷(PSN)原位聚合,得到SiO_2/PSN核壳结构微球,经高温裂解过程成功制备SiO_2/SiCN核壳陶瓷微球。研究SiO_2与PSN原料的质量比、固化时间和热解温度对核壳微球形成过程和形貌的影响,并采用SEM,EDS,TEM,FT-IR,XRD对微球的微观形貌、化学成分及物相进行表征。结果表明:SiO_2与PSN质量比为1∶4时,200℃固化4h得到表面颗粒分布均一、包覆完全的SiO_2/PSN核壳微球;经800~1200℃热处理后,得到能保持原来形貌的非晶态SiO_2/SiCN核壳陶瓷微球;1400℃热解产物发生结晶,生成了SiO_2,SiC和Si_3N_4晶相。

钛精铸陶瓷型壳的新耐火材料研究

对ＨＲＥＭＯ新型耐火材料的初步研究作了介绍，指出该材料作为一种较廉价的新型耐火材料将有广阔的应用前景。