一种添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料及其制备方法

本发明涉及镍基单晶高温合金叶片熔模铸造领域，具体为一种添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料及其制备方法。

背景技术：

1、飞机发动机工业的先进发展对铸件产品表面质量提出了严格的要求，熔模铸造工艺中陶瓷型壳的透气性能、表面光洁度、抗弯强度是直接决定铸件产品合格率的关键因素。就铸件表面质量而言，型壳通常需要较好的透气性，在浇铸过程中有益于气体的逸散；良好的表面光洁度，避免浇铸过程中在合金表面残留气孔、粘砂等缺陷；足够的湿坯强度，避免在制备、运输及使用过程中发生开裂；足够的高温强度，在铸件浇铸过程中能承受金属液凝固过程中产生的热应力，以免型壳变形、开裂、漏钢。

2、目前，先进的陶瓷企业普遍使用增强剂用于提高型壳质量、提升成品率。增强剂的添加形式主要有直接分散在浆料中、分散在粘结剂中进而与浆料混合两种方式。一般地，增强剂直接分散在浆料中容易团聚或者漂浮，且浆料比较混浊，增强剂在浆料中的分散形态不易观察；将增强剂添加至粘结剂中，避免了直接地与浆料发生缠绕结块现象，并且可以直观地观察到分散效果，及时予以措施改善分散效果。

3、为了型壳的透气性的改善，工业中常用增强剂的改良方式是增强剂经高温煅烧后会分解为气体逸出留下孔隙，常见的此类增强剂通常是不耐高温易分解的有机高分子复合物、碳纤维等；为了型壳表面光洁度的提升，工业中常用增强剂的提升方式主要是促进晶粒细化、提高结构均匀性、降低缺陷尺寸，常见的此类增强剂主要有纳米碳。为了型壳抗弯强度的提高，工业中常用增强剂的提高方式主要有高分子聚合物长分子链网状包裹粒子、粒子间形成氢键、高分子聚合物粘结作用，常见的此类增强剂通常为有机高分子聚合物。但有机高分子聚合物、碳纤维在亲水性、分散性、环保性方面仍需改善，纳米碳在陶瓷晶界处的积聚可能会促进型壳浇铸过程中陶瓷与合金发生的界面反应进而导致缺陷增加。因此，寻找兼具亲水性优良、分散性好、绿色环保与增强型壳性能效果优良的增强剂，用于提高熔模铸造陶瓷型壳的表面质量，对熔模铸造技术具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料及其制备方法，以改善目前陶瓷型壳透气性、表面光洁度及抗弯强度等问题，提升陶瓷型壳用于熔模铸造浇铸的稳定性。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，按质量百分比计，该浆料包括：320目白刚玉粉75～82wt％，硅溶胶粘结剂18～25wt％；硅溶胶粘结剂的组成和含量如下：消泡剂0～0.3wt％，润湿剂0～0.3wt％，纳米金属有机框架0.05～0.2wt％，其余为硅溶胶。

4、所述的添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，白刚玉粉作为陶瓷型壳面层耐火材料，采用电熔刚玉粉，电熔刚玉粉中的α-氧化铝含量在95.0wt％以上。

5、所述的添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，硅溶胶为水性硅溶胶，其参数为：氧化硅含量29～32wt％，氧化钠含量不超过0.5wt％，密度1.15～1.21g/cm3，室温粘度不高于8pa·s，ph为9.5～10.5，硅溶胶粒径为8～15nm。

6、所述的添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，纳米金属有机框架种类为铝基纳米金属有机框架al-fum，形貌为二维不规则片层，其参数为：配体为富马酸，比表面积750～1100m2/g，垂直孔道0.51×0.54～0.74×0.78nm2，孔容0.58～0.85cm3/g。

7、所述的添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料的制备方法，包括如下步骤：

8、(1)以纳米金属有机框架为型壳增强相，将纳米金属有机框架与硅溶胶混合、搅拌、超声分散形成透明溶液；

9、(2)向透明溶液中加入消泡剂和润湿剂，按照转速为280～320rpm进行搅拌均匀获得硅溶胶粘结剂；

10、(3)将硅溶胶粘结剂加入到配料桶中，加入白刚玉粉，按照转速为180～220rpm继续搅拌48h，使白刚玉粉均匀分散于硅溶胶粘结剂；

11、(4)加入去离子水调节浆料粘度至28～35pa·s，形成氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，用于型壳面层的涂壳。

12、本发明的设计思想是：

13、从操作简易、储存运输便捷、绿色环保等实际角度出发，以改善型壳透气性、改良型壳表面光洁度、提升型壳强度为目的寻找适宜的增强剂。传统工业中的有机高分子纤维在亲水性、分散性、环保性方面略显颓势，纳米碳则容易加剧合金与陶瓷的界面反应进而导致铸件缺陷、粘砂。本发明采用添加纳米金属有机框架(简称mof)的方法制备陶瓷型壳面层浆料，铝基纳米金属有机框架al-fum(又称mil-53(al)-fa)中的配体富马酸中含有亲水性的羧基，这保证了al-fum在硅溶胶粘结剂中完全溶解分散，从而避免型壳浆料结块团聚，富马酸简单的分子结构保证了增强剂在型壳烧结过程中的完全去除，以制备一种透气性良好、表面光洁度优良、强度高的陶瓷型壳。

14、相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：

15、1)铝基纳米金属有机框架al-fum可以稳定分散于硅溶胶中。铝基纳米金属有机框架al-fum的配体为富马酸(具有两个羧基基团)，羧基基团保证了其在水系硅溶胶的亲水性、均匀分散性，且al-fum在空气和水溶液中非常稳定，仅在强碱性条件缓慢分解。因此，将al-fum添加到以水为溶剂的硅溶胶中，可以实现al-fum的稳定分散。

16、2)增强陶瓷型壳的透气性。在型壳的烧结过程中，al-fum达到热分解温度分解，主要生成的物质为co2、h2o、al2o3，其中二氧化碳与水蒸气会逸散出去，氧化铝则会留在陶瓷内部，逸散的气体会在陶瓷内部留下细密的孔隙，连接成为透气通道，从而增强陶瓷型壳透气性。

17、3)改善陶瓷型壳的表面光洁度。一方面，al-fum本身可作为纳米碳的转化前体，在型壳烧结过程中衍生部分纳米碳，在型壳内部的陶瓷粒子边缘积聚达到晶粒细化的目的，使得型壳面层致密平滑；随着温度进一步升高，al-fum在空气中完全氧化生成二氧化碳与水蒸气，从陶瓷内部逸散出去，形成孔隙，由于蜡模在温度升高过程中膨胀，对型壳表面产生应力作用，型壳表面倾向于产生裂纹，但陶瓷的孔隙与裂纹生长方向不平行时，能够抑制裂纹生长。

18、4)提高陶瓷型壳的抗弯强度。一方面al-fum的富马酸配体具有提供两个氢键的能力，这会使得型壳粉料的粒子间发生氢键反应而产生氢键作用力，从而提高陶瓷湿坯和成品的强度；另一方面，al-fum抑制裂纹生长有利于抗弯强度的进一步提升。

技术特征：

1.一种添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，其特征在于，按质量百分比计，该浆料包括：320目白刚玉粉75～82wt％，硅溶胶粘结剂18～25wt％；硅溶胶粘结剂的组成和含量如下：消泡剂0～0.3wt％，润湿剂0～0.3wt％，纳米金属有机框架0.05～0.2wt％，其余为硅溶胶。

2.如权利要求1所述的添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，其特征在于，白刚玉粉作为陶瓷型壳面层耐火材料，采用电熔刚玉粉，电熔刚玉粉中的α-氧化铝含量在95.0wt％以上。

3.如权利要求1所述的添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，其特征在于，硅溶胶为水性硅溶胶，其参数为：氧化硅含量29～32wt％，氧化钠含量不超过0.5wt％，密度1.15～1.21g/cm3，室温粘度不高于8pa·s，ph为9.5～10.5，硅溶胶粒径为8～15nm。

4.如权利要求1所述的添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料，其特征在于，纳米金属有机框架种类为铝基纳米金属有机框架al-fum，形貌为二维不规则片层，其参数为：配体为富马酸，比表面积750～1100m2/g，垂直孔道0.51×0.54～0.74×0.78nm2，孔容0.58～0.85cm3/g。

5.一种权利要求1至4之一所述的添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明涉及镍基单晶高温合金叶片熔模铸造领域，具体为一种添加纳米金属有机框架的氧化铝基陶瓷型壳面层浆料及其制备方法。该浆料包括：白刚玉粉75～82wt％，硅溶胶粘结剂18～25wt％；硅溶胶粘结剂中，消泡剂0～0.3wt％，润湿剂0～0.3wt％，纳米金属有机框架0.05～0.2wt％，其余为硅溶胶。将硅溶胶粘结剂加入到配料桶中，加入白刚玉粉持续搅拌至均匀，继续加入去离子水调节粘度，形成氧化铝基陶瓷型壳面层浆料。本发明可以增强陶瓷型壳的透气率、提升陶瓷型壳面层的光洁度、改善陶瓷型壳的强度，具有操作简易、可调节性强、浆料稳定的特点。技术研发人员：周亦胄,关娜娜,白炜琛,张朝威,王亮,孟杰,李金国,孙晓峰受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/17