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三头挤出成形氧化铝基陶瓷制件的精度研究

中国机械工程 2024年

作者：彭子伟王寅成杨力樊自田华中科技大学材料科学与工程学院

本文在自主构建的三头分层挤出成形装备的基础上，主要研究了单头挤出时挤出头直径d、挤出头移动速度Vs、挤出层高h对成形的氧化铝基陶瓷表面粗糙度及尺寸精度的影响；然后研究了双头和三头协同挤出时陶瓷坯体试样的配合精度。实验结果... 详细信息

本文在自主构建的三头分层挤出成形装备的基础上，主要研究了单头挤出时挤出头直径d、挤出头移动速度Vs、挤出层高h对成形的氧化铝基陶瓷表面粗糙度及尺寸精度的影响；然后研究了双头和三头协同挤出时陶瓷坯体试样的配合精度。实验结果表明：单头挤出时，d为0.41 mm，Vs为10 mm/s，h/d为85% 时，陶瓷侧表面尺寸粗糙度较低为24.423μm，尺寸偏差最小为+0.67%；双头协同挤出成形时，双头定位配合误差为+ 1.03%，侧表面尺寸粗糙度为30.671 μm；三头协同挤出成形时，三头定位配合误差为+ 1.15%，侧表面尺寸粗糙度为30.671 μm；最后，采用双头与三头挤出成形工艺方法制备出氧化铝基陶瓷试样，验证了多头多材料协同挤出的可行性。

关键词：三头挤出成形氧化铝基陶瓷多头协同多材料精度

水溶性氧化钙陶瓷型芯的挤出式3D打印参数优化与表面精度控制研究

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机械工程学报 2024年第1期60卷 170-178页

作者：穆英朋刘富初张驰黄捷飞刘鑫韩光超樊自田许峰中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院武汉430074 中国地质大学深圳研究院深圳518057 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 荆门市炬峰机械设备制造有限公司荆门448000

挤出式3D打印成形水溶性氧化钙陶瓷型芯可高质高效成形复杂内腔铸造构件,铸件内腔的残留型芯用水溶解即可快速清理,在复杂内腔构件精密铸造领域具有较大的应用潜力。以针头内径、层高/内径比值、打印速度和内部填充方向四个关键工艺参... 详细信息

挤出式3D打印成形水溶性氧化钙陶瓷型芯可高质高效成形复杂内腔铸造构件,铸件内腔的残留型芯用水溶解即可快速清理,在复杂内腔构件精密铸造领域具有较大的应用潜力。以针头内径、层高/内径比值、打印速度和内部填充方向四个关键工艺参数进行四因素三水平正交试验,通过对不同工艺参数的3D打印成型坯体进行表面粗糙度测量与统计,采用极差分析确定各个打印参数对坯体表面质量影响的主次顺序,并得到挤出式3D打印氧化钙陶瓷型芯的最优打印参数。结果表明,内部填充方向对型芯坯体表面成形质量有显著的影响,当内部填充方向与外轮廓呈45°和90°时,内部填充浆料与外轮廓层有较多的拐点,拐点处的成形方向发生突变,进而造成挤出压力方向发生突变并作用于外轮廓层,外轮廓层变得凹凸不平,层层堆积成形的坯体表面粗糙度较大、表面质量较差。当针头内径为0.41 mm、层高/内径比值为70%、打印速度为20 mm/s、内部填充方向与外轮廓层平行时,坯体表面粗糙度最小,型芯坯体表面质量最好。通过增加外轮廓层数来可以有效地减小甚至消除填充方向对坯体表面粗糙度的影响,当外轮廓增加至两层时型芯坯体表面粗糙度降低了近22%,这对水溶性陶瓷型芯的快速精确成形具有重要意义。

关键词：氧化钙陶瓷型芯挤出式3D打印内部填充方向外轮廓层数

基于浆料直写成形的多孔氧化铝陶瓷孔隙率与抗弯强度的相关性研究

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机械工程学报 2024年

作者：张驰刘富初穆英朋吴丁一吴明林雨霄韩光超樊自田中国地质大学深圳研究院华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院

浆料直写成形制备多孔氧化铝陶瓷的孔隙率和抗弯强度是一对具有负相关性的性能指标，但在保温隔热、过滤催化等领域需要制备高孔隙率、高抗弯强度的多孔陶瓷以满足服役要求。以挤出头内径、填充率、挤出丝层高/挤出头内径和打印速度四... 详细信息

浆料直写成形制备多孔氧化铝陶瓷的孔隙率和抗弯强度是一对具有负相关性的性能指标，但在保温隔热、过滤催化等领域需要制备高孔隙率、高抗弯强度的多孔陶瓷以满足服役要求。以挤出头内径、填充率、挤出丝层高/挤出头内径和打印速度四个关键工艺参数设计正交实验，通过对不同参数条件下成形的多孔陶瓷孔隙率和抗弯强度的测量与统计，分析了工艺参数对孔隙率和抗弯强度的影响规律，确定了孔隙率与抗弯强度的关联数学方程。结果表明，填充率对多孔陶瓷的孔隙率和抗弯强度影响最为显著，当填充率较小时，相邻挤出丝之间跨距较大，形成的宏观结构孔尺寸较大，此时样品的孔隙率大、强度低。当挤出头内径为0.41 mm、填充率为50%、挤出丝层高/挤出头内径为60%、打印速度为1 200 mm/min时，陶瓷样件具有较高的孔隙率(66.32%±1.12%)和抗弯强度(10.54 MPa±0.32 MPa)，且孔隙率和抗弯强度之间存在良好的相关性，实现了高孔隙率、高抗弯强度的多孔陶瓷制备，为3D打印成形高孔隙率和高强度的复杂多孔陶瓷提供了一定的参考依据。

关键词：浆料直写成形多孔氧化铝陶瓷孔隙率抗弯强度相关性研究

FeCoNiCrCu高熵合金涂层对复合铸造Al/Mg双金属组织和性能的影响

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精密成形工程 2024年第3期16卷 115-122页

作者：徐远财蒋文明李庆晴牛言清余令辉樊自田华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室武汉430074

目的研究不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层对Al/Mg双金属组织和力学性能的影响。方法通过超音速火焰喷涂工艺在A356嵌体表面喷涂不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层,采用消失模复合铸造工艺制备Al/Mg双金属,利用扫描电镜、EDS能谱及XRD... 详细信息

目的研究不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层对Al/Mg双金属组织和力学性能的影响。方法通过超音速火焰喷涂工艺在A356嵌体表面喷涂不同厚度的FeCoNiCrCu高熵合金涂层,采用消失模复合铸造工艺制备Al/Mg双金属,利用扫描电镜、EDS能谱及XRD衍射仪、维氏硬度测试仪和万能试验机对Al/Mg双金属界面微观组织和力学性能进行测试和分析。结果未喷涂高熵合金涂层的Al/Mg双金属界面由共晶层和金属间化合物层组成,断裂位置主要位于金属间化合物层,裂纹从Al_(3)Mg_(2)扩展至共晶层结束,具有典型的脆性断裂特征,剪切强度仅为30.37MPa。当高熵合金涂层厚度为5μm时,Al/Mg双金属形成了Al_(3)Mg_(2)+Mg_(2)Si/AlxFeCoNiCrCu+FeCoNiCrCu+Al-Mg-Co-Ni混合相/δ-Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶组织的复杂界面,断裂发生在高熵合金层与δ-Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶组织的交界处,断裂面产生了一定程度的塑性变形,剪切强度为48.46MPa,相对于无涂层的Al/Mg双金属提高了59.56%。当高熵合金涂层厚度为20μm时,铝侧生成了AlxFeCoNiCrCu高熵合金,镁侧则只生成了少量Mg-Ni-Cu混合相,断裂发生在高熵合金涂层与镁基体交界处,剪切强度为39.69 MPa。结论高熵合金涂层可以有效阻碍Al、Mg元素之间的扩散,从而显著抑制或完全阻止Al-Mg脆性金属间化合物的产生,大幅度降低界面层厚度。金属间化合物的减少和混合相对裂纹扩展的阻碍作用显著提高了Al/Mg双金属界面的剪切强度。

关键词： FeCoNiCrCu高熵合金涂层 Al/Mg双金属超音速火焰喷涂复合铸造微观组织力学性能

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有机物对铸造粘土废旧砂再生质量的影响研究

铸造 2024年第4期73卷 527-531页

作者：胡胜利龚小龙蔡关翎任文强樊自田华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074 柳晶科技集团股份有限公司江苏常州213300

铸造粘土废旧砂通常采用高温焙烧结合机械摩擦方法进行再生回用,为了得到高质量的再生砂,废旧砂再生过程中要求焙烧温度相对精确和稳定,但粘土废旧砂中存在的煤粉及有机树脂砂壳芯混入的有机物使焙烧温度出现巨大波动,特别是细颗粒废旧... 详细信息

铸造粘土废旧砂通常采用高温焙烧结合机械摩擦方法进行再生回用,为了得到高质量的再生砂,废旧砂再生过程中要求焙烧温度相对精确和稳定,但粘土废旧砂中存在的煤粉及有机树脂砂壳芯混入的有机物使焙烧温度出现巨大波动,特别是细颗粒废旧砂中的有机物,影响再生砂质量和再生效率。本文首先将粘土废旧砂进行100目筛分分级,研究100目筛上和100目筛下两种粒级废旧砂中有机物对燃烧速率的影响,然后确立废旧砂中有机物燃值贡献的计算公式,并通过实际生产测试,获得有机物燃值贡献阀值和废旧砂的再生最优投入量,为粘土废旧砂的高效率和高质量再生提供理论参考。

关键词：铸造粘土废旧砂有机物再生回用燃烧阈值

超声施振方式对消失模铸造Al/Mg双金属复合材料界面组织和力学性能的影响

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铸造技术 2024年第5期45卷 411-418页

作者：李庆晴徐远财牛言清樊自田蒋文明华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室湖北武汉430074

研究了连续超声振动和间歇超声振动两种施振方式对消失模铸造Al/Mg双金属材料界面组织和力学性能的影响。结果表明,未施加超声振动Al/Mg双金属界面由Al-Mg金属间化合物区和共晶组织区组成,两个区域边界存在一层氧化膜,阻碍了元素扩散,Mg... 详细信息

研究了连续超声振动和间歇超声振动两种施振方式对消失模铸造Al/Mg双金属材料界面组织和力学性能的影响。结果表明,未施加超声振动Al/Mg双金属界面由Al-Mg金属间化合物区和共晶组织区组成,两个区域边界存在一层氧化膜,阻碍了元素扩散,Mg_(2)Si相呈网状,团聚分布于金属间化合物区。两种超声施振方式均能通过超声空化效应和声流效应破碎和消除氧化膜,并使Mg_(2)Si相细化和分散于整个界面,部分共晶组织转变为金属间化合物,提高了界面组织和显微硬度分布均匀性。连续超声振动作用下Al/Mg双金属界面剪切强度达到53.9 MPa,相比未超声处理提升63.8%。间歇超声振动作用下,界面厚度较连续超声振动减小,然而局部区域存在孔洞缺陷和Mg_(2)Si相局部聚集,削弱了对界面的强化效果,但界面剪切强度仍达到49.5 MPa。

关键词： Al/Mg复合材料消失模铸造超声振动界面微观组织力学性能

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分层挤出成形陶瓷型壳的表面粗糙度研究

铸造 2024年第6期73卷 818-824页

作者：王盼龙杨力杨致远彭子伟樊自田华中科技大学材料科学与工程学院湖北武汉430074

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... 详细信息

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。

关键词：分层挤出成形工艺参数表面涂层陶瓷型壳熔模铸造

浸渗处理及真空度对喷射粘结成形氧化钙基陶瓷型芯性能影响

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铸造 2024年第1期73卷 32-37页

作者：牛言清蒋文明杨力杨致远李庆晴徐远财魏青松南海洪润洲郄喜望樊自田华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术全国重点实验室湖北武汉430074 中国航发北京航空材料研究院北京100095

采用喷射粘结成形技术,以重质碳酸钙作为原料,浸渗纳米ZrO2分散液后烧结得到了氧化钙基陶瓷型芯,研究了浸渗处理以及浸渗真空度对陶瓷型芯性能的影响。研究发现,浸渗处理后的陶瓷型芯内部生成了大量CaZrO3,使内部孔隙减少,微观组织更加... 详细信息

采用喷射粘结成形技术,以重质碳酸钙作为原料,浸渗纳米ZrO2分散液后烧结得到了氧化钙基陶瓷型芯,研究了浸渗处理以及浸渗真空度对陶瓷型芯性能的影响。研究发现,浸渗处理后的陶瓷型芯内部生成了大量CaZrO3,使内部孔隙减少,微观组织更加致密,弯曲强度最大增加幅度为277.87%。浸渗处理时增大真空度可以进一步改善陶瓷型芯的性能,当真空度从0增加至0.05 MPa时,弯曲强度由7.15 MPa提升到8.88 MPa,但当真空度进一步增加至0.08 MPa时,弯曲强度却降至6.85 MPa,陶瓷型芯性能降低。不同处理工艺烧结后得到的陶瓷型芯浸泡在热水中5 min后即开始溃散,表现出良好的可溶性。

关键词：喷射粘结成形浸渗处理真空度重质碳酸钙可溶性陶瓷型芯

ZL205A合金侧盖壳体铸造工艺研究与产品试制

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铸造 2024年第6期73卷 865-871页

作者：马文龙杨力杨小冬徐远财罗辉樊自田唐锦球江麓机电集团有限公司湖南湘潭411100 华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室湖北武汉430000

模拟分析了重力铸造与低压铸造方法下ZL205A合金侧盖壳体铸件的充型、凝固过程及缺陷特征,进行了侧盖壳体铸件试制及性能对比。采用重力铸造时,模拟显示铸件充型速度快,紊流、混流现象严重,凝固速率慢且过程混乱,孔隙率高;样件表面及内... 详细信息

模拟分析了重力铸造与低压铸造方法下ZL205A合金侧盖壳体铸件的充型、凝固过程及缺陷特征,进行了侧盖壳体铸件试制及性能对比。采用重力铸造时,模拟显示铸件充型速度快,紊流、混流现象严重,凝固速率慢且过程混乱,孔隙率高;样件表面及内部缩松、偏析等缺陷严重,基体组织及晶界中微观缩松与成分偏析交织显现。取样部位平均抗拉强度与伸长率为A区:400 MPa,3.1%,B区:444 MPa,3.4%,铸件为不合格品。采用低压铸造时,模拟显示铸件充型平稳,凝固速率快且自上而下顺序凝固,孔隙率低,样件探伤合格,组织均匀致密且微观缩松和偏析占比显著降低。取样部位平均抗拉强度与伸长率为A区:478 MPa,4.7%,B区:484 MPa,4.9%,铸件合格且性能优异。验证了低压铸造工艺对ZL205A合金侧盖壳体铸件的适应性与优势。

关键词： ZL205A 铸造侧盖壳体组织结构力学性能

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