高韧性全陶瓷叶轮材料及叶轮与其制备方法

技术领域

本发明涉及叶轮材料的技术领域，特别涉及全陶瓷叶轮材料。

背景技术

现代工业中广泛使用各种泵进行物质运输。由于传输介质多具有腐蚀性或者介质中含有高硬度的颗粒物，泵的叶轮在工作过程中将产生严重的腐蚀和摩擦磨损现象，严重降低了泵的使用寿命、限制了泵的使用领域。因此，叶轮材料的性能对泵的使用安全性及使用寿命等极为重要。针对传输的介质颗料较硬和/或具有高腐蚀性的情况，现有技术中采用的叶轮材料通常包括：双相不锈钢或超级双相不锈钢金属材料，该两种材料成本非常高，且耐磨性和耐腐蚀性仍然不佳；还有增加橡胶层的普通金属材料，其中橡胶材料添加在与介质接触的地方，可增强材料整体的耐磨、耐腐蚀性，但该种复合材料中，橡胶层的使用寿命不长，且容易剥落。先进陶瓷材料，相对于金属或合金材料等，具有高硬度、高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、低密度、低热膨胀系数、导热性能好等优势，被广泛应用于现代工业领域中。但是，陶瓷材料同时具有高脆性、低均匀性、低断裂韧性、需要高温烧结、零部件加工难度大等缺陷，在作为叶轮材料上的应用受到了明显限制。

针对以上问题，一种改进的技术手段是获得金属与陶瓷的复合材料，以该类复合材料制备叶轮，比如以金属材料作为骨架，通过浇筑、粘接、模具成型等方式在金属表面覆上一层陶瓷材料，进而制备金属-陶瓷两种材料复合使用的叶轮和泵。但该类方法存在很多问题，比如由于陶瓷材料和金属材料的表面热膨胀系数和热传导性能存在巨大差异，以及其他力学等物理性能的不同，在相同环境中工作时，二者表面结合能力较差，在使用过程中，陶瓷很容易被剥离或者破碎。陶瓷本身具有高脆性、低均匀性、低断裂韧性等特点，在使用模具制备叶轮和泵的过程中，无论是成型还是烧结，产品都很容易产生破损，成品率低、耗费大，特别是对于结构复杂的叶轮产品，即使成型所得产品轮廓完整，也很难保证其内部性能的均匀性，导致产品使用寿命难以得到实际提升，且产品难以量产；在浇铸或粘接方式中，得到的叶轮中通常含有低温粘结剂，无法在较高的温度环境中工作等等。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构稳定，同时具有高硬度和高韧性的全陶瓷基的叶轮材料和其制备叶轮的方法。

本发明的技术方案如下：

一种高韧性全陶瓷叶轮材料，其包括：形成叶轮骨架的陶瓷基片材料，进行叶轮骨架与叶片粘接的第一粉料组合物和形成叶轮叶片的第二粉料组合物，其中，所述陶瓷基片材料的原料组分由5～15wt％的α-氧化铝粉体，5～15wt％的γ-氧化铝粉体、2～5wt％的玄武岩纤维微粉、2～5wt％的苏州土粉体、0～3wt％的滑石粉体和余量的玄武岩石粉末组成；所述第一粉料组合物的原料组分包括40～60wt％的钢冶金熔渣粉体、10～40wt％的玄武岩石粉、5～15wt％的γ-氧化铝粉体、5～10wt％的石英砂粉体、2～10wt％的玄武岩纤维微粉和1～5wt％的苏州土粉体；所述第二粉料组合物的原料组分由5～20wt％的α-氧化铝粉体，5～15wt％的γ-氧化铝粉体、15～30wt％的玄武岩纤维粉体、1～10wt％的苏州土粉体、1～5wt％的滑石粉体和余量的玄武岩石粉末组成。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第二粉料组合物的原料组分中所述α-氧化铝粉体的含量为15wt％。

根据本发明的一些优选实施方式，所述陶瓷基片材料的原料组分包括72wt％的玄武岩石粉末、12wt％的α-氧化铝粉体、10wt％的γ-氧化铝粉体、3wt％的玄武岩纤维微粉、2wt％的苏州土粉体和1wt％的滑石粉体。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第一粉料组合物的原料组分包括45wt％的钢冶金熔渣粉体、25wt％的玄武岩石粉、10wt％的γ-氧化铝粉体、6wt％的石英砂粉体、5wt％的玄武岩纤维微粉和3wt％的苏州土粉体。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第二粉料组合物包括50wt％的玄武岩石粉末、20wt％的玄武岩纤维微粉、15wt％的α-氧化铝粉体、10wt％的γ-氧化铝粉体、3wt％的苏州土粉体和2wt％的滑石粉体。

本发明进一步提供了根据上述高韧性全陶瓷叶轮材料制备得到的高韧性全陶瓷叶轮及其制备方法。

所述制备方法包括：

(1)获得所述陶瓷基片材料的颗粒粉体；

(2)获得所述第一粉料组合物的颗粒粉体；

(3)获得所述第二粉料组合物的颗料粉体；

(4)通过第一模具成型，将所述陶瓷基片材料的颗料粉体成型为叶轮骨架坯体；

(5)通过第二模具成型，将所述第一粉料组合物的颗料粉体和所述第二粉料组合物的颗料粉体进行组合成型，得到含粘接层的叶轮叶片坯体，所述粘接层由第一粉料组合物的颗粒粉体形成；

(6)按叶轮结构将所述叶轮骨架坯体与所述含粘接层的叶轮叶片坯体进行组合摆放，其后进行高温共烧结，得到所述高韧性全陶瓷叶轮，所述高温共烧结包括在250～350℃的第一保温烧结，在550～650℃的第二保温烧结，在700℃的第三保温烧结及在1000～1200℃的第四保温烧结。

根据本发明的一些优选实施方式，所述高温共烧结包括：以1.5～2.5℃/min的升温速率升至250～350℃，保温21.5～2.5h，其后以0.5～1.5℃/min的升温速率升至550～650℃，保温10.5～1.5h，其后以0.3～0.7℃/min的升温速率升至700℃，保温1.5～32.5～3.5h，其后以0.5～1.5℃/min的升温速率升至1000～1200℃，保温5～6.5h，其后冷却。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第三保温烧结的保温时间为3h。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第四保温烧结的温度为1050℃。

根据本发明的一些优选实施方式，所述陶瓷基片材料的颗料粉体的获得包括：

将陶瓷基片材料的原料组分与水及聚乙烯醇水溶液进行混合球磨，得到混合浆料；

将所得混合浆料进行喷雾造粒，得到干燥的混合粒料；

将所得混合粒料进行筛分，得到陶瓷基片材料的颗粒粉体。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第一粉料组合物的颗粒粉体的获得包括：

将第一粉料组合物的原料组分与水及聚乙烯醇水溶液进行混合球磨，得到混合浆料；

将所得混合浆料进行喷雾造粒，得到干燥的混合粒料；

将所得混合粒料进行筛分，得到第一粉料组合物的颗粒粉体。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第二粉料组合物的颗粒粉体的获得包括：

将第二粉料组合物的原料组分与水及聚乙烯醇水溶液进行混合球磨，得到混合浆料；

将所得混合浆料进行喷雾造粒，得到干燥的混合粒料；

将所得混合粒料进行筛分，得到第二粉料组合物的颗粒粉体。

根据本发明的一些优选实施方式，所述聚乙烯醇水溶液的浓度为0.4～0.6wt％，其质量为所述原料组分的总质量的10～20wt％。

根据本发明的一些优选实施方式，所述混合球磨的介质为氧化铝球，所述氧化铝球与水及进行球磨的全部粉料的质量比为6:3:(0.5～1.5)。

根据本发明的一些优选实施方式，所述混合球磨的速率为60～120转/分钟，球磨时间为20～28小时。

根据本发明的一些优选实施方式，所述喷雾造粒的温度为220～260℃。

根据本发明的一些优选实施方式，所述筛分过200目筛。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第一模具成型包括：将所述陶瓷基片材料的颗粒粉体装填至第一模具内，加压至500MPa并保压3min，其后在250MPa进行冷等静压成型，得到所述叶轮骨架坯体。

根据本发明的一些优选实施方式，所述第二模具成型包括：在所述第二模具内装填所述第一粉料组合物的颗粒粉体，压实后再装填所述第二粉料组合物的颗粒粉体，干压成型后于250MPa进行冷等静压成型，得到所述含粘接层的叶轮叶片坯体。

更优选的，所述第一粉料组合物的颗粒粉体与所述第二粉料组合物的颗粒粉体的质量比为1:9。

本发明具备以下有益效果：

本发明的叶轮材料各组分之间具有很强的结合力，一次性整体烧结后得到的陶瓷骨架硬度高、耐磨性能好，陶瓷叶片韧性强，抗弯性能优异，陶瓷叶片和陶瓷骨架结合能力强且结合方式可有效地消除各部分的收缩率以及收缩方向存在差异的问题，使成型后的叶轮可以精密装配，耐磨耐腐蚀，且使用寿命长。

本发明对叶轮骨架、叶片和陶瓷粘结层的材料配方进行了创新性设计，使骨架和叶片两部分陶瓷材料的致密化温度十分接近、并使陶瓷粘结层材料可在特定的致密化温度下，发生比较充分的固相反应，产生很强的结合力。各部分材料可与其结构设计进行协同调节，在致密化温度下，使得到的全陶瓷叶轮达到很高的密度、强度、韧性、硬度、抗冲击、耐磨损性及高强度的结合界面。

本发明的制备方法使用分步成型再一体化烧结的方式，不仅加工灵活性高，利于规模化加工生产，且分开成型的两部分经一次烧结致密，所得产品的界面结合力也非常强。

本发明的制备方法得到的产品内外性能均较稳定，成品率高，适用于高效低成本地加工结构复杂的叶轮产品。

附图说明

图1为实施例1得到的带装配孔的基片坯体的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为主视图；

图2为实施例1得到的含粘接层的叶片坯体的主视结构示意图；

图3为实施例1中基片坯体与叶片坯体的组装结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为主视图；

图4为实施例1得到的陶瓷叶轮的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

根据本发明的技术方案，在一些具体实施方式中，所述高韧性全陶瓷叶轮材料包括陶瓷基片材料，第一粉料组合物和第二粉料组合物，其中，所述陶瓷基片材料为玄武岩纤维增韧的陶瓷材料，由5～15wt％的α-氧化铝粉体、5～15wt％的γ-氧化铝粉体、2～5wt％的玄武岩纤维微粉、2～5wt％的苏州土粉体、0～3wt％的滑石粉体和余量的玄武岩石粉末的组分组成；所述第一粉料组合物包括40～60wt％的钢冶金熔渣粉体、10～40wt％的玄武岩石粉、5～15wt％的γ-氧化铝粉体、5～10wt％的石英砂粉体、2～10wt％的玄武岩纤维微粉和1～5wt％的苏州土粉体；所述第二粉料组合物由5～20wt％的α-氧化铝粉体，5～15wt％的γ-氧化铝粉体、15～30wt％的玄武岩纤维粉体、1～10wt％的苏州土粉体、1～5wt％的滑石粉体和余量的玄武岩石粉末组成。

优选的，所述陶瓷基片材料包括72wt％的玄武岩石粉末、12wt％的α-氧化铝粉体、10wt％的γ-氧化铝粉体、3wt％的玄武岩纤维微粉、2wt％的苏州土粉体和1wt％的滑石粉体。

优选的，所述第一粉料组合物包括45wt％的钢冶金熔渣粉体、31wt％的玄武岩石粉、10wt％的γ-氧化铝粉体、6wt％的石英砂粉体、5wt％的玄武岩纤维微粉和3wt％的苏州土粉体。

优选的，所述第二粉料组合物包括50wt％的玄武岩石粉末、20wt％的玄武岩纤维微粉、15wt％的α-氧化铝粉体、10wt％的γ-氧化铝粉体、3wt％的苏州土粉体和2wt％的滑石粉体。

在一些具体实施方式中，根据所述高韧性全陶瓷叶轮材料获得叶轮的制备方法包括以下步骤：

(1)制备陶瓷基片材料粉体，包括：

将陶瓷基片材料的原料组分称量后放入球磨罐中，加入球磨介质和去离子水，及质量为原料组分总质量10～20wt％的浓度为0.4～0.6wt％的聚乙烯醇水溶液，放入卧式球磨机中进行球磨混料，得到混合浆料；优选的，球磨介质选择95氧化铝球，质量比为氧化铝球：去离子水：粉料＝6:3:(0.5～1.5)，球磨机转速为60～120转/分钟，球磨时间为20～28小时；

将所得混合浆料进行喷雾造粒处理，得到干燥的混合粒料，优选的，喷雾造粒的进风温度为220～260℃；

将干燥后的混合粒料进行机械筛分，过200目筛，所得筛下粉体即为陶瓷基片材料粉体；

(2)制备第一粉料组合物粉体，包括：

将第一粉料组合物的原料组分称量后放入球磨罐中，加入球磨介质和去离子水，及质量为原料组分总质量10～20wt％的浓度为0.4～0.6wt％的聚乙烯醇水溶液，放入卧式球磨机中进行球磨混料，得到混合浆料；优选的，球磨介质选择95氧化铝球，质量比为氧化铝球：去离子水：粉料＝6:3:(0.5～1.5)，球磨机转速为60～120转/分钟，球磨时间为20～28小时；

将所得混合浆料进行喷雾造粒处理，得到干燥的混合粒料，优选的，喷雾造粒的进风温度为220～260℃；

将干燥后的混合粒料进行机械筛分，过200目筛，所得筛下粉体即为第一粉料组合物粉体；

(3)制备第二粉料组合物粉体，包括：

将第二粉料组合物的原料组分称量后放入球磨罐中，加入球磨介质和去离子水，及质量为原料组分总质量10～20wt％的浓度为0.4～0.6wt％的聚乙烯醇水溶液，放入卧式球磨机中进行球磨混料，得到混合浆料；优选的，球磨介质选择95氧化铝球，质量比为氧化铝球：去离子水：粉料＝6:3:(0.5～1.5)，球磨机转速为60～120转/分钟，球磨时间为20～28小时；

将所得混合浆料进行喷雾造粒处理，得到干燥的混合粒料，优选的，喷雾造粒的进风温度为220～260℃；

将干燥后的混合粒料进行机械筛分，过200目筛，所得筛下粉体即为第二粉料组合物粉体；

(4)通过第一模具成型，将陶瓷基片材料粉体成型为叶轮骨架的坯体即叶轮基片坯体，优选的，成型过程包括：将陶瓷基片材料粉体装填至第一模具后，加压至500MPa并保压3min，其后进行250MPa冷等静压成型，得到所述基片坯体；

(5)通过第二模具成型，将第一粉料组合物粉体与第二粉料组合物粉体成型为含粘接层的叶轮叶片的坯体，优选的，成型过程包括：在第二模具内装填第一粉料组合物粉体，压实后再装填第二粉料组合物粉体，其后500MPa干压成型后再进行250MPa冷等静压成型；优选的，第一粉料组合物粉体与第二粉料组合物粉体的质量比为1:9；

(6)按叶轮结构，将叶轮基片坯体与含粘接层的叶轮叶片的坯体进行组合摆放，其后进行高温共烧结，得到高韧性全陶瓷叶轮，优选的，高温共烧结过程包括：以1.5～2.5℃/min的升温速率升至250～350℃，保温1.5～2.5h，其后以0.5～1.5℃/min的升温速率升至550～650℃，保温0.5～1.5h，其后以0.3～0.7℃/min的升温速率升至700℃，保温2～3.5h，其后以0.5～1.5℃/min的升温速率升至1000～1200℃，保温5.5～6.5h，其后冷却；优选的，组合摆放时，使含粘接层的叶轮叶片的坯体的边缘超出叶轮基片坯体边缘1-2mm，形成可抵消收缩引起的应力和裂纹扩张的空隙。

在具体实施方式的基础上，以下结合具体实施例对本发明的技术方案做出进一步的展示。

实施例1

本实施例中高韧性全陶瓷叶轮材料的配方为：陶瓷基片材料：72wt％的玄武岩石粉末、12wt％的α-氧化铝粉体、10wt％的γ-氧化铝粉体、3wt％的玄武岩纤维微粉、2wt％的苏州土粉体和1wt％的滑石粉体；第一粉料组合物：45wt％的钢冶金熔渣粉体、31wt％的玄武岩石粉、10wt％的γ-氧化铝粉体、6wt％的石英砂粉体、5wt％的玄武岩纤维微粉和3wt％的苏州土粉体；第二粉料组合物：50wt％的玄武岩石粉末、20wt％的玄武岩纤维微粉、15wt％的α-氧化铝粉体、10wt％的γ-氧化铝粉体、3wt％的苏州土粉体和2wt％的滑石粉体。

根据以上配方，通过以下步骤制备高韧性全陶瓷叶轮：

(1)制备陶瓷基片材料粉体，包括：

将陶瓷基片材料的原料组分称量后放入球磨罐中，加入95氧化铝球和去离子水，及质量为原料组分总质量10～20wt％的浓度为0.4～0.6wt％的聚乙烯醇水溶液，氧化铝球、去离子水与粉料的质量比为6:3:(0.5～1.5)，放入卧式球磨机中进行球磨混料，球磨机转速为60～120转/分钟，球磨时间为20～28小时，得到混合浆料；

将所得混合浆料进行喷雾造粒处理，喷雾造粒的进风温度为220～260℃，得到干燥的混合粒料；

将干燥后的混合粒料进行机械筛分，过200目筛，得到陶瓷基片材料粉体；

(2)制备第一粉料组合物粉体，包括：

将第一粉料组合物的原料组分称量后放入球磨罐中，加入95氧化铝球和去离子水，及质量为原料组分总质量10～20wt％的浓度为0.4～0.6wt％的聚乙烯醇水溶液，氧化铝球、去离子水与粉料的质量比为6:3:(0.5～1.5)，放入卧式球磨机中进行球磨混料，球磨机转速为60～120转/分钟，球磨时间为20～28小时，得到混合浆料；

将所得混合浆料进行喷雾造粒处理，喷雾造粒的进风温度为220～260℃，得到干燥的混合粒料；

将干燥后的混合粒料进行机械筛分，过200目筛，得到第一粉料组合物粉体；

(3)制备第二粉料组合物粉体，包括：

将第二粉料组合物的原料组分称量后放入球磨罐中，加入95氧化铝球和去离子水，及质量为原料组分总质量10～20wt％的浓度为0.4～0.6wt％的聚乙烯醇水溶液，氧化铝球、去离子水与粉料的质量比为6:3:(0.5～1.5)，放入卧式球磨机中进行球磨混料，球磨机转速为60～120转/分钟，球磨时间为20～28小时，得到混合浆料；

将所得混合浆料进行喷雾造粒处理，喷雾造粒的进风温度为220～260℃，得到干燥的混合粒料；

将干燥后的混合粒料进行机械筛分，过200目筛，得到第二粉料组合物粉体；

(4)将制备得到的陶瓷基片材料粉体放入第一模具中，机械加压至500MPa并保压3min，其后在250MPa下进行冷等静压，并保压10min，得到如附图1所示的带装配孔3的基片坯体1；

(5)将制备得到的第一粉料组合物粉体和第二粉料组合物粉体依次叠放入第二模具中，机械加压至500MPa并保压3min，其后在250MPa下进行冷等静压，并保压10min，得到如附图2所示的含粘接层4的叶片坯体2，其中，第一粉料组合物形成粘接层4；

(6)以带装配孔3的基片坯体1作为骨架，在其上按叶轮设计要求排列含粘接层3的叶片坯体2，如附图3所示，其后将两者放入窑炉中进行共烧结，烧结工艺为：1.5～2.5℃/min的升温速率升至250～350℃并保温1.5～2.5h，其后以0.5～1.5℃/min的升温速率升至550～650℃并保温0.5～1.5h，其后以0.3～0.7℃/min的升温速率升至700℃并保温2～3.5h，其后以0.5～1.5℃/min的升温速率升至1050℃，保温6h，其后冷却，得到高韧性全陶瓷叶轮，如附图4所示；

经测试，该叶轮的各项性能参数如下表1所示：

表1：

实施例2

按与实施例1相同的配方和步骤制备陶瓷叶轮，仅改变其中烧结时的最高温度即烧成温度，对得到的叶轮进行力学性能、耐腐蚀性等性能测试，其结果如下表2所示：

表2：

可以看出，随着烧成温度的逐渐提高，叶轮整体的性能呈现出先提高后降低的趋势，当温度超过1100℃后，虽然叶轮基片的硬度依然逐步增大，但是叶片的性能有所下降，并且，随着温度的升高，样品的烧制合格率也在逐渐下降，耐温差急变性也很差，其中，1050℃是最佳的烧成温度。

实施例3

按与实施例1相同的配方和步骤制备陶瓷叶轮，仅改变烧结过程中温度升到700℃后的保温时间，对得到的叶轮进行力学性能、耐腐蚀性等性能测试，其结果如下表3所示：

表3：

可以看出，随着在700℃保温时长的的逐渐提高，叶轮整体的性能呈现出先提高后降低的趋势，在700℃下的最佳保温时间为3h。

实施例4

按与实施例1基本相同的配方和步骤制备陶瓷叶轮，区别仅在与改变其中第二粉料组合物中α-氧化铝粉体的含量，对得到的叶轮进行力学性能、耐腐蚀性等性能测试，其结果如下表4所示：

表4：

可以看出，第二粉料组合物中α-氧化铝粉体的含量会影响到叶轮叶片的性能，α-氧化铝粉体的含量较低时，烧制得到的叶轮叶片的维氏硬度很低，即叶片的耐磨性能较差，但α-氧化铝粉体含量过大后，在烧制过程中可能存在叶轮叶片与基片在第一粉料组合物作为粘结剂的情况下界面结合不好，成品率降低、耐温差急变性变差，因此，α-氧化铝粉体在第二粉料组合物中的含量为15％wt是较优的选择。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。