[发明专利]一种多梯度氧化钇型壳及其制备方法

说明书

本发明公开一种多梯度氧化钇型壳，型壳由多梯度纳米级氧化钇粉体和多梯度微米级氧化钇粉体，经3D打印制成，且氧化钇颗粒尺寸呈梯度结构分布。所述氧化钇型壳由内层到外层呈现梯度结构，由纳米级氧化钇颗粒逐渐过渡到微米级氧化钇颗粒，形成的晶粒大小和孔隙尺寸有着逐渐增大的梯度结构，烧结后型壳内壁到外壁由致密到疏松，提高型壳的抗侵蚀性能，且型壳具有良好的抗热震性能。采用3D打印技术制备所述氧化钇型壳使用，可制作大尺寸及结构复杂的型壳。

技术领域

本发明属于陶瓷型壳技术领域，具体涉及一种适用于TiAl合金定向凝固的多梯度氧化钇型壳及其制备方法。

背景技术

TiAl合金具有低密度、高比强度和高比刚度、良好的高温抗蠕变性能，在航空航天及汽车发动机领域具有极为广阔的应用前景。目前已有TiAl合金结构件应用在民用飞机上，展现出巨大的经济价值。采用定向凝固技术制备TiAl合金，可获得具有平行于生长方向的全片层组织，可有效提高TiAl基合金的抗蠕变性能和疲劳强度。带型壳定向凝固可直接制备形状复杂且尺寸较大的TiAl合金零部件。因此，许多学者开展了大量TiAl合金定向凝固的研究。但是，复杂型壳制备较为困难，现阶段研究大多集中在圆形截面和长方形截面等具有简单形状的棒状试样的定向凝固实验。同时，TiAl合金熔体化学性质非常活泼，与常见的型壳材料均会发生不同程度的反应。定向凝固时合金熔体需达到足够的过热度，温度较高，与型壳作用时间长，使得型壳材料的化学性质与热力学稳定性面临严峻的挑战。

根据氧化物标准自由能，氧化钇具有较高的热力学稳定性，理论上不与TiAl合金发生化学反应，是定向凝固TiAl合金的理想型壳材料。然而，现有氧化钇型壳材料在使用过程中,与TiAl合金熔体存在明显的界面反应，且在凝固后的TiAl合金组织中出现了一定量的氧化钇颗粒。其原因是，在现有氧化型壳的制备过程中多使用硅溶胶、钇溶胶等物质作为粘结剂；同时，在缺少对浆料成分的严格控制，在氧化钇原料的选择和挂浆过程中引入了SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂等热力学稳定性低于氧化钇的杂质，这些物质的存在降低了氧化钇坩埚的使用性能。除了型壳成分的影响外，氧化钇型壳的结构对其使用性能有重要影响。型壳中的晶粒大小与孔隙尺寸及其分布直接影响型壳在使用过程中的耐侵蚀性、表面润湿性以及抗热震性能。实验结果表明，较小的晶粒和孔隙尺寸可以提高氧化钇型壳的抗合金熔体侵蚀性，但抗热震性能较差；较大的晶粒和孔隙尺寸则可以提高氧化钇型壳的抗热震性能，但抗合金熔体侵蚀性较差。目前，常用的氧化钇型壳制备方法有冷等静压成型，溶胶粘结成型，然后进行高温烧结。但这些制作方法只能制备出形状较为简单的型壳结构，且组织结构单一。另外，使用氧化钇制备型壳时，不同粉体在一起易出现团聚现象，影响了组织的均匀性，使用尺寸较小的氧化钇粉体时，尤其是纳米级粉体、纳米级与微米及混合粉体。因此，制备具有复杂形状、组织结构可控，同时满足抗侵蚀性和抗热震性的氧化钇型壳是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明为了解决当前TiAl合金定向凝固用氧化钇型壳存在的问题，提出一种多梯度氧化钇型壳及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种多梯度氧化钇型壳，型壳由多梯度纳米级氧化钇粉体和多梯度微米级氧化钇粉体，经3D打印制成，且氧化钇颗粒尺寸呈梯度结构分布。

一种多梯度氧化钇型壳的制备方法，包括以下步骤：

a. 多梯度纳米级氧化钇浆料的制备

取纳米级氧化钇粉体、陶瓷添加剂、去离子水、消泡剂，将纳米级氧化钇粉体分别与其他原材料放入球磨机湿混1-10h，得到多种纳米级氧化钇初始浆料，其中，纳米级氧化钇固相含量为70%-90%，陶瓷添加剂含量为0.05%-2.0%，消泡剂含量为0.05%-1.0%；同样的方法制备不同梯度纳米级氧化钇浆料；

b. 多梯度微米级氧化钇浆料的制备