摘要

　　采用凝胶注模法制备氧化铝陶瓷铸型，系统分析了烧成温度（1450℃~1600℃）、保温时间（2h~6h）、升温速率（200℃/h~500℃/h）及MgO添加剂（2wt%~8wt%）对铸型高温抗弯强度及烧成收缩率的影响。结果表明：在固相含量58vol%、烧成温度1550℃、保温时间4h、升温速率360℃/h（6℃/min）、MgO添加量6wt%的工艺条件下，陶瓷铸型的高温抗弯强度达到14.2MPa，烧成收缩率控制在0.55%以内，满足精密铸造的尺寸与强度要求。

　　1 实验过程

　　1.1 术语定义

　　凝胶注模法：一种基于有机单体原位聚合的陶瓷近净成型技术，通过丙烯酰胺等单体的自由基聚合反应使陶瓷浆料原位固化，具有坯体均匀性好、可成型复杂形状等优点。

　　烧成收缩率：坯体烧结致密化导致的线性尺寸变化率，计算公式为

1.2 原料规格与配比

1.3 制备工艺

　　预混液配制：将AM、MBAM溶于去离子水，加入分散剂、增塑剂，磁力搅拌30min。

　　浆料制备：加入超声分散后的陶瓷粉料，滴加氨水调pH至10.0，于行星式球磨机中250r/min球磨4h，获得固含量58vol%的悬浮体。

　　注模成型：浆料真空消泡（-0.08MPa，10min）后，依次加入APS、TEMED，搅拌2min后注入预热至85±5℃的硅胶模具中，聚合反应8~12min得到凝胶坯体。

　　干燥与烧结：

　　冷冻干燥：-40℃真空冷冻24h。

　　脱脂：以1℃/min升温至600℃，保温2h。

　　烧结：按设定升温速率（200℃/h~500℃/h）升至目标温度（1450℃~1600℃），保温2h~6h后随炉冷却。

　　1.4 性能测试

　　抗弯强度：万能试验机（Z030，K材料公司），三点弯曲法，跨距30mm，加载速率0.5mm/min，试样尺寸60mm×10mm×4mm（参照HB 6167-1988）。每组5个平行样，取平均值。

　　显微结构：场发射扫描电镜（JSM-6700F，日本电子），加速电压15kV。

　　物相分析：X射线衍射仪（XD-2，北京普析通用），Cu靶Kα辐射，扫描范围10°~80°，步长0.02°。

　　2 结果与讨论

　　2.1 烧成温度的影响

　　固定保温时间4h，不同烧成温度下的试样性能见表1。

　　表1 不同烧成温度下试样的性能

　　注：高温抗弯强度测试温度为1200℃；“—”表示室温强度过低，未进行高温测试。

　　1550℃时综合性能：收缩率0.55%，高温强度14.2MPa，致密度94.5%。1600℃时晶粒异常长大（>6μm）并产生微裂纹，导致致密度下降。

　　2.2 保温时间的影响

　　在1550℃烧成温度下，考察保温时间（2h~6h）对性能的影响。实验结果表明：保温时间由2h延长至4h时，收缩率从0.42%增至0.55%，高温抗弯强度从12.0MPa提高至14.2MPa，晶界MgAl₂O₄相由不连续分布演变为连续网状结构，钉扎效应增强。**保温时间超过4h后（5h~6h），晶粒粗化、晶界相局部过烧，强度略有下降至13.2~14.0MPa。因此，保温时间为4h。

　　2.3 升温速率的优化

　　采用三阶段升温策略：

　　低温段（室温~600℃）：速率≤120℃/h（2℃/min），控制热膨胀，防止开裂。

　　中温段（600℃~1200℃）：速率240℃/h（4℃/min），促进晶粒均匀生长。

　　高温段（1200℃~1550℃）：速率200~500℃/h，考察其对性能的影响。

　　高温段升温速率的影响见表2（低、中温段速率固定）。

　　表2 高温段升温速率对性能的影响

　　升温速率过快（≥450℃/h）导致坯体内外温差过大，热应力引起变形或开裂；速率过慢（200℃/h）则收缩率增大且效率低。高温段升温速率为350~400℃/h，其中360℃/h时获得高强度14.2MPa。

　　2.4 MgO添加剂的作用

　　不同MgO添加量（0~8wt%）在1550℃/4h/360℃/h工艺下的性能见表3。

　　表3 不同MgO添加量对性能的影响

　　6wt% MgO时，MgAl₂O₄尖晶石体积膨胀（约7.2%）补偿烧结收缩，同时晶界钉扎抑制晶粒长大，强度高。添加量增至8wt%时，过量尖晶石相导致液相增多，包裹气孔并弱化晶界，强度下降。

　　显微结构分析：6wt% MgO试样的SEM图像显示，MgAl₂O₄尖晶石（粒径0.5~1.2μm）与YAG相呈连续网状分布于α-Al₂O₃晶界，裂纹扩展路径偏转35°~45°，断裂韧性提升约28%。

　　2.5 物相组成

　　XRD分析表明，1550℃烧成后（6wt% MgO）的主晶相为：

　　α-Al₂O₃（PDF#01-1307）：87.3wt%

　　MgAl₂O₄尖晶石（PDF#21-1152）：9.8wt%

　　YAG（Y₃Al₅O₁₂，PDF#33-0040）：2.4wt%

　　微量YAP、YAM相：合计0.5wt%

　　3 结论

　　（1）工艺参数：烧成温度1550℃、保温时间4h、升温速率360℃/h（6℃/min）、MgO添加量6wt%。此时陶瓷铸型高温抗弯强度为14.2MPa，烧成收缩率0.55%，致密度94.5%，满足精密铸造对室温强度（≥10MPa）及收缩率（<0.6%）的要求。

　　（2）升温速率控制：低温段（<600℃）采用≤120℃>1200℃）宜控制在350~400℃/h（~6℃/min），兼顾致密化与尺寸精度。

　　（3）添加剂作用：6wt% MgO与Al₂O₃反应生成MgAl₂O₄尖晶石，体积膨胀补偿烧结收缩；晶界钉扎效应抑制晶粒异常长大，将平均晶粒尺寸控制在3.8μm以内，避免过烧导致的性能劣化。