烧结工艺对氧化铝陶瓷铸型强度的影响

1 实验过程

1.1 术语定义

凝胶注模法：依托有机单体原位聚合实现陶瓷近净成型的成熟制备技术，借助丙烯酰胺类单体自由基聚合反应完成陶瓷浆料原位固化，成型坯体均匀性优异，可制备各类复杂结构构件。

烧成收缩率：陶瓷坯体经高温烧结发生致密化所产生的线性尺寸变化率，为铸型尺寸精度控制核心指标。

1.2 原料规格与配比

陶瓷粉体：高纯α-Al₂O₃粉体，纯度≥99.99%，粗粉D50=25μm与细粉D50=5μm按照7:3质量比例复配使用。

助烧剂：高纯MgO粉体，纯度≥99.99%，D50=10μm，添加量区间2wt%~8wt%。

矿化剂：高纯Y₂O₃粉体，纯度≥99.99%，D50=5μm，固定添加量1.5wt%。

有机单体：丙烯酰胺（AM），配比浓度15wt%。

交联剂：N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM），二者质量配比AM:MBAM=20:1。

引发剂：过硫酸铵（APS），使用浓度0.5wt%。

催化剂：N,N,N',N'-四甲基乙二胺（TEMED），使用浓度0.3wt%。

分散剂：聚丙烯酸铵（PMAA-NH₄），分子量3000~5000，添加量为陶瓷粉料总质量的0.8%。

pH调节剂：25%浓度氨水，调节陶瓷浆料pH值至10.0±0.2。

1.3 制备工艺

预混液配制：将丙烯酰胺、交联剂充分溶于去离子水中，加入分散剂与增塑剂，磁力匀速搅拌30min制成均匀预混液。

浆料制备：加入经超声分散处理后的复合陶瓷粉料，滴加氨水调控浆料pH值至标准范围，置入行星式球磨机以250r/min转速球磨4h，制备得到固含量58vol%的稳定陶瓷悬浮浆料。

注模成型：将配制完成的浆料置于-0.08MPa负压环境真空消泡10min，依次加入引发剂与催化剂，快速搅拌2min后注入预热至85±5℃的硅胶模具内部，恒温聚合反应8~12min，成型得到完整凝胶陶瓷坯体。

干燥与烧结

冷冻干燥：设置-40℃真空环境，恒温冷冻干燥24h，彻底脱除坯体内部游离水分。

脱脂处理：以1℃/min匀速升温至600℃，恒温保温2h，完全脱除坯体内有机组分。

高温烧结：按照预设升温速率200℃/h500℃/h升温至1450℃1600℃目标烧结温度，恒温保温2h~6h，完成烧结后随炉膛自然冷却。

1.4 性能测试

抗弯强度：采用万能材料试验机，执行三点弯曲测试方法，试验跨距30mm，加载速率0.5mm/min，标准试样尺寸60mm×10mm×4mm，参照行业通用测试标准开展试验，每组设置5组平行试样，最终取测试平均值。

显微结构观测：采用高分辨场发射扫描电子显微镜观测陶瓷断面与晶界微观形貌，设备加速电压设定15kV。

物相分析：使用多晶X射线衍射仪开展物相检测，采用Cu靶Kα辐射，扫描角度范围10°~80°，扫描步长0.02°，精准判定制品内部物相组成。

2 结果与讨论

2.1 烧成温度的影响

固定保温时长4h，探究不同烧成温度对氧化铝陶瓷铸型各项性能的影响，具体性能数据如下表所示。

注：高温抗弯强度测试环境温度为1200℃；标注“—”代表试样室温力学性能偏低，未开展高温强度检测。

试验结果表明，1550℃烧结温度下铸型综合使用性能达到最优，烧成收缩率0.55%，1200℃高温抗弯强度14.2MPa，整体致密度可达94.5%。当烧结温度提升至1600℃时，陶瓷内部晶粒出现异常长大现象，晶粒尺寸超出6μm，坯体内部滋生微裂纹，直接造成整体致密度下降，力学性能稳定性变差。

2.2 保温时间的影响

选定最优烧成温度1550℃，探究2h~6h不同保温时长对铸型性能的作用规律。保温时长从2h延长至4h阶段，铸型烧成收缩率由0.42%提升至0.55%，1200℃高温抗弯强度由12.0MPa提升至14.2MPa，坯体内晶界处MgAl₂O₄物相由零散分布转变为连续网状结构，晶粒钉扎强化效果显著增强。

当保温时长超出4h，延长至5h至6h区间后，陶瓷晶粒出现粗化现象，晶界辅助相发生局部过烧问题，整体力学强度小幅回落至13.2~14.0MPa。综合生产效率与产品性能，确定最佳烧结保温时间为4h。

2.3 升温速率的优化

试验采用三段式梯度升温工艺，有效规避烧结缺陷：

低温段（室温~600℃）：升温速率≤120℃/h，平稳释放坯体热膨胀应力，杜绝开裂缺陷产生。

中温段（600℃~1200℃）：升温速率设定240℃/h，保障陶瓷晶粒均匀有序生长。

高温段（1200℃1550℃）：调控升温速率区间200℃/h500℃/h，探究其对成品性能的影响。

升温速率过快达到450℃/h及以上时，坯体内部与外部形成极大温差，热应力集中引发制品变形、开裂甚至坍塌；升温速率过慢仅200℃/h，会大幅增大烧成收缩率，同时拉长生产周期、降低制备效率。综合判定高温段最优升温速率为350~400℃/h，其中360℃/h工况下铸型可达到最高高温抗弯强度。

2.4 MgO添加剂的作用

在1550℃烧结温度、4h保温时长、360℃/h升温速率固定工艺条件下，测试0~8wt%不同MgO添加量对铸型性能的影响。

添加6wt% MgO时效果最佳，MgO与氧化铝基体反应生成MgAl₂O₄尖晶石相，依托约7.2%的体积膨胀效应有效补偿烧结收缩，同时发挥晶界钉扎作用，严格抑制晶粒过度生长，整体力学强度达到峰值。若MgO添加量提升至8wt%，体系内尖晶石物相含量过高，产生过量液相物质，包裹封闭内部气孔、弱化晶界结合力，直接造成铸型整体强度下降。

微观结构观测显示，6wt% MgO配比试样中，粒径0.51.2μm的MgAl₂O₄尖晶石相与YAG辅助相，均匀形成连续网状结构分布于氧化铝晶界之间，可将裂纹扩展路径偏转35°45°，有效提升制品断裂韧性，韧性增幅约28%。

2.5 物相组成分析

经X射线衍射物相检测证实，6wt% MgO配比原料经1550℃高温烧结完成后，制品内部物相组成稳定：主晶相α-Al₂O₃占比87.3wt%，MgAl₂O₄尖晶石相占比9.8wt%，Y₃Al₅O₁₂（YAG）相占比2.4wt%，其余微量YAP、YAM等杂相总占比仅0.5wt%，物相纯度高，结构稳定性强。

3 结论

1、氧化铝陶瓷铸型最优全套烧结工艺参数：烧成温度1550℃，恒温保温时长4h，高温段升温速率360℃/h，助烧剂MgO最佳添加量6wt%。在此工艺条件下，铸型1200℃高温抗弯强度可达14.2MPa，烧成收缩率控制在0.55%，整体致密度94.5%，完全满足精密铸造行业对铸型室温强度≥10MPa、烧成收缩率＜0.6%的实际使用标准。

2、烧结升温制度为制品成型质量关键：600℃以下低温区间严格控制升温速率≤120℃/h，可从根源避免陶瓷坯体受热开裂；1200℃以上高温区间升温速率控制在350~400℃/h，既能保障坯体充分致密化烧结，又可精准把控成品尺寸精度。

3、功能性添加剂作用显著：适量MgO引入体系后，生成的尖晶石物相可双向实现烧结收缩补偿与晶粒生长抑制，将成品平均晶粒尺寸稳定控制在3.8μm以内，有效规避高温过烧引发的力学性能衰减问题，全面提升氧化铝陶瓷铸型耐高温性能与结构稳定性。