一种ND1粉体专用Φ380mm红外氧化铝陶瓷104/600AF复配成型、温等静压预致密及HIP热等静压终极致密方法与流程

本发明涉及氧化铝陶瓷制备，具体涉及到一种nd1粉体专用φ380mm红外氧化铝陶瓷104/600af复配成型、温等静压预致密及hip热等静压终极致密方法。

背景技术：

1、氧化铝陶瓷因具有优异的力学性能、耐热性能和红外透过性能，在红外窗口、整流罩及大功率红外辐射器件中得到应用。随着红外探测与制导系统向大口径方向发展，对直径不小于380mm的红外氧化铝陶瓷坯体的制备提出了更高要求。大尺寸氧化铝陶瓷在成型与烧结过程中易因密度分布不均而产生开裂、变形及晶粒异常长大，进而导致最终产品的平面度、透光率和强度无法满足使用要求。

2、在相关技术中，采用高纯α-al2o3粉体制备大尺寸陶瓷时，通常通过干压成型结合常压烧结或热压烧结实现致密化。干压成型所得坯体在径向和轴向存在明显的密度梯度，后续烧结收缩不一致，难以控制大直径坯体的尺寸精度；常压烧结获得的陶瓷相对密度有限，红外透过率不足；直接热压烧结大尺寸薄壁或平板状坯体时，模具与压力传递限制使中心区域致密化程度低于边缘区域。另有采用注浆成型或凝胶注模成型改善坯体均匀性的工艺，但素坯强度与干燥收缩控制复杂，且有机载体脱除窗口窄，不适用于φ380mm级坯体的稳定量产。

3、针对nd1高纯α-al2o3粉体的特性，需要一种能够兼顾大尺寸坯体成型均匀性、预致密化控制以及终极致密化的方法，使所得φ380mm红外氧化铝陶瓷在相对密度、平均晶粒尺寸、平面度、红外透过率、抗弯强度和维氏硬度方面同时满足指标，且直径尺寸控制在380±0.3mm。上述要求在现有单一成型或烧结工艺中尚未被整体解决。

技术实现思路

1、本发明针对高纯α-al2o3粉体制备φ380mm红外氧化铝陶瓷时干压密度不均、热压中心致密差致开裂与晶粒粗大、平面度/透过率/强度难兼顾的问题，提供采用isobam-104粘结剂与isobam-600af分散剂复配结合温等静压及热等静压制备nd1高纯α-al2o3粉体专用φ380mm红外氧化铝陶瓷的方法，解决大尺寸坯体致密化难题，使相对密度≥99.5%、平均晶粒尺寸≤1.0μm、直径380±0.3mm、平面度≤0.1mm、3-5μm波段平均直线透过率≥75%、室温抗弯强度≥500mpa、维氏硬度≥16gpa。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种nd1粉体专用φ380mm红外氧化铝陶瓷，所述陶瓷由包括以下质量份的原料经成型、脱脂、预烧结及热等静压制备而成：nd1高纯α-al2o3粉体100份、isobam-104粘结剂1.0-2.0份、isobam-600af分散剂0.3-0.8份、去离子水20-25份、mgo烧结助剂0.05-0.20份和消泡剂0.05-0.15份；所述nd1高纯α-al2o3粉体的纯度≥99.99%，α-al2o3相含量≥99.5%，d50为0.15-0.50μm，比表面积为8-14m2/g，na、fe、si和ca各杂质元素的质量含量分别不高于100ppm；所述陶瓷以α-al2o3为主晶相，相对密度≥99.5%，直径为380±0.3mm，平均晶粒尺寸≤1.0μm，平面度≤0.1mm；在厚度为1.00±0.02mm且两表面均经过光学抛光的试样上于法向入射条件下测得的3-5μm波段平均直线透过率≥75%；室温抗弯强度≥500mpa，维氏硬度≥16gpa。

3、一种nd1粉体专用φ380mm红外氧化铝陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

4、s1：将nd1高纯α-al2o3粉体、isobam-104粘结剂、isobam-600af分散剂、去离子水、mgo烧结助剂和消泡剂加入球磨罐中，以氧化铝球为研磨介质球磨4-8h，得到陶瓷浆料；

5、s2：将陶瓷浆料进行喷雾造粒，进口温度180-220℃，出口温度80-110℃，得到d50为50-150μm的造粒粉体；

6、s3：预先采用同批次nd1高纯α-al2o3粉体按照与目标产品相同的工艺路线进行尺寸补偿试验，以试验所用模腔直径d0和热等静压后坯体直径dhip计算总径向线收缩率s=(d0-dhip)/d0；结合s8单边外圆磨削余量a，按d模=(380+2a)/(1-s)计算目标模腔直径，并使d模控制在430-450mm范围内；将造粒粉体置于所述模具中双向干压成型，得到圆片状干压坯体；

7、s4：将圆片状干压坯体装入聚氨酯弹性包套，抽除包套内空气至包套与坯体表面贴合后密封，在90-110℃、250-320mpa下温等静压处理20-25min，得到预致密化坯体；

8、s5：将预致密化坯体脱脂，排除isobam-104粘结剂、isobam-600af分散剂和消泡剂，得到脱脂坯体；

9、s6：将脱脂坯体置于真空烧结炉中预烧结，控制所得预烧结体相对密度为92-95%，得到预烧结体；

10、s7：在预烧结体表面形成连续覆盖的氮化硼隔离层，装入石英玻璃包套抽真空密封，在氩气气氛中于1450-1500℃、150-200mpa下热等静压处理2.5-3.5h，得到热等静压陶瓷；

11、s8：将热等静压陶瓷冷却、去除包套及隔离层，依次经外圆磨削、双面磨削、精研磨和双面抛光，得到直径为380±0.3mm、平面度≤0.1mm的nd1粉体专用φ380mm红外氧化铝陶瓷。

12、进一步，所述s1中陶瓷浆料的无机固相体积分数为50-56vol%，球磨时间为4-8h。

13、进一步，所述s3中双向干压成型包括先以10-20mpa预压5-10s，再以40-70mpa保压30-60s。

14、进一步，所述s4中聚氨酯弹性包套邵氏硬度80a-95a，壁厚3-5mm；温等静压温度90-105℃，压力250-320mpa，保压20-25min。

15、进一步，所述s5脱脂包括以0.5-2℃/min升温至180-220℃，再以0.3-1.0℃/min升温至300-350℃并保温1-3h，继续以0.3-1.0℃/min升温至500-600℃并保温2-4h。

16、进一步，所述s6预烧结以2-5℃/min升温至1250-1350℃并保温2-4h，所得预烧结体相对密度为92-95%。

17、进一步，所述s7中氮化硼隔离层厚度为20-100μm，石英玻璃包套壁厚为3-8mm，装包套后在600-800℃抽真空至真空度≤0.01pa并密封；热等静压前先在1200-1400℃使石英玻璃包套软化并贴合于预烧结体表面。

18、进一步，所述s8冷却以1-3℃/min降温至800℃以下后随炉冷却，外圆磨削和双面磨削后精研磨和双面抛光，控制平面度≤0.1mm。

19、进一步，所述isobam-104粘结剂与isobam-600af分散剂的质量比为1:0.3-0.4；isobam-104的标称分子量为55000-65000，isobam-600af的标称分子量为5500-6500。

20、上述技术方案中，本技术所称nd1高纯α-al2o3粉体，是指纯度≥99.99%、α-al2o3相含量≥99.5%、d50为0.15-0.50μm、比表面积为8-14m2/g，且na、fe、si和ca各杂质元素的质量含量分别不高于100ppm的高纯α-al2o3粉体；本技术以前述可测参数对“nd1”进行限定，不依赖特定生产厂家。该粉体的粒径分布与比表面积有利于保证浆料中的颗粒堆积状态及烧结活性；isobam-104粘结剂和isobam-600af分散剂均以相应商品牌号限定，其中isobam-104主要用于提供黏结力并在脱脂前维持生坯强度，isobam-600af主要用于改善粉体在去离子水中的分散均匀性；mgo烧结助剂以0.05-0.20质量份加入，用于抑制α-al2o3晶粒异常长大并促进致密化；消泡剂用于消除球磨与喷雾过程中的气泡。所述s1中无机固相体积分数通过无机粉体真密度与去离子水体积计算得到，控制在50-56vol%。

21、s3中模腔直径补偿具体为：采用同批次粉体按照与目标产品相同的工艺路线进行尺寸补偿试验，以试验所用模腔直径d0和热等静压后坯体直径dhip计算总径向线收缩率s=(d0-dhip)/d0；以目标成品公称直径380mm和s8单边外圆磨削余量a，按d模=(380+2a)/(1-s)计算目标模腔直径，并使计算所得d模位于430-450mm范围内。由此使热等静压后的陶瓷坯体保留后续外圆磨削余量，并经s8后处理得到直径380±0.3mm的成品。s4中聚氨酯弹性包套在抽除包套内空气至包套与坯体表面贴合后密封，于加热油介质中实现温等静压均匀传压。s5脱脂前将预致密化坯体从聚氨酯弹性包套中取出，脱脂在空气气氛中进行，使有机物氧化分解排出。s6采用真空烧结炉进行，预烧结温度、保温时间及所得预烧结体相对密度分别控制为1250-1350℃、2-4h和92-95%。s7中在预烧结体表面喷涂氮化硼浆料形成连续覆盖的氮化硼隔离层，本发明以隔离层的连续覆盖状态和20-100μm厚度作为工艺控制指标；装入石英玻璃包套后于600-800℃抽真空至≤0.01pa并热封；热等静压升温时先升温至1200-1400℃使石英玻璃包套软化贴合于预烧结体表面，再继续升温至1450-1500℃并通氩气加压至150-200mpa，保温2.5-3.5h，实现均匀终极致密化。本技术所称“hip热等静压终极致密”，是指经温等静压预致密和真空预烧结后，通过hip热等静压处理进一步消除预烧结体残余孔隙并达到产品最终致密状态的致密化阶段，其中“终极致密”与“最终致密化”含义相同。

22、s8冷却后依次通过外圆磨削、双面磨削、精研磨和双面抛光达到尺寸与平面度要求。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是

24、1.采用nd1高纯α-al2o3粉体、isobam-104粘结剂与isobam-600af分散剂复配，结合双向干压成型、温等静压预致密化及热等静压终极致密化的工艺链，制备得到了直径为380±0.3mm的红外氧化铝陶瓷。根据实施例1至5的测试数据，所得陶瓷以α-al2o3为主晶相，相对密度达到99.5%以上，平均晶粒尺寸≤1.0μm，直径为380±0.3mm且平面度≤0.1mm；在厚度为1.00±0.02mm且两表面均经过光学抛光的试样上于法向入射条件下测得的3-5μm波段平均直线透过率≥75%；室温抗弯强度≥500mpa，维氏硬度≥16gpa。

25、2.去除isobam-600af分散剂或isobam-104粘结剂、降低温等静压压力、省略mgo烧结助剂、采用单向干压成型、采用冷冻干燥造粒、替换普通α-al2o3粉体、省略氮化硼隔离层、采用钼包套替代石英玻璃包套或降低热等静压温度，均导致相对密度、平均晶粒尺寸、室温抗弯强度、维氏硬度、3-5μm波段平均直线透过率或平面度中至少一项指标偏离本发明实施例的优选范围，证实了nd1高纯α-al2o3粉体专用φ380mm红外氧化铝陶瓷的配方与制备方法各步骤的协同作用。

26、3.本发明通过isobam-104粘结剂与isobam-600af分散剂的质量份复配提升浆料固相承载量与生坯均匀性，利用温等静压消除干压密度梯度，再通过热等静压终极致密化抑制晶粒长大并消除大尺寸坯体密度偏析，从而同步实现高致密度、细晶粒、高红外透过率、高强度及高尺寸精度。