基于3D打印模具的陶瓷静态螺旋切割器成型研究

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质量高、成本低、周期短、批量小逐渐成为现代机械制造业的发展趋势,传统机械加工工艺已不能完全满足市场的个性化需求。静态螺旋切割器作为一种新型的复杂形状变螺距静态混合器,在富氧水制备、湿法烟气脱硫、气液传质强化等方面性能优异。目前,静态螺旋切割器以不锈钢为制造材料,以线切割为主要加工工艺,存在锈蚀粘连、加工周期长、成本高等问题。本文采用3D打印模具技术及陶瓷注凝成型技术,探究出一种低成本的陶瓷静态螺旋切割器制造工艺,研究了不同工艺参数对陶瓷静态螺旋切割器制造的影响,并分析了实际运行过程中腔芯表面材料的变化,主要研究内容如下:(1)从台阶清晰度、脱模难易度、强度方面,研究对比了可塑成型与注凝成型制件,结果表明:注凝成型工艺所制坯体更易脱模。分析对比了以SiC、Zr O2、黏土为原料的烧结件,研究表明:相同烧结温度下,黏土基烧结体表面台阶清晰,强度高。因此,以黏土为固相,选用注凝成型工艺制造陶瓷静态螺旋切割器。(2)根据陶瓷注凝成型工艺及静态螺旋切割器结构的特点,设计了轴向8个分型面,径向4个分型面的切割器模具,并通过光固化成型技术打印成型。通过模具试用发现:切割器坯体脱模完整,表面台阶无缺损,光固化成型模具与陶瓷注凝成型技术结合可实现复杂形状陶瓷坯体的制备。(3)通过Zeta电位、粘度、SEM、XRD等表征方法,研究了不同工艺参数对陶瓷浆料性能、凝胶固化反应速率、烧结体性能的影响,探究了凝胶反应动力学,归纳出了浆料分散机理、凝胶反应机理。最后得出工艺参数:单体浓度为15 wt%,单体-交联剂比例为14,pH为12,分散剂浓度为3.0 vol%,固相浓度为55 wt%,引发剂浓度为4 vol%,烧结温度为1200℃。采用以上工艺参数成功制造出台阶清晰,整体圆柱度较高的陶瓷静态螺旋切割器腔芯。(4)通过SEM、FTIR及XRD等表征方法,研究分析了陶瓷静态螺旋切割器在酸碱溶液冲蚀系统、臭氧水冲蚀系统运行168 h后,腔芯表面微观结构、官能团及物相的变化。15 wt%的Ca(OH)2溶液冲蚀对陶瓷静态螺旋切割器腔芯表面的影响较小,微观上主要表现为轻微剥落,细小裂纹。0.429 wt%的H2SO4溶液冲蚀对陶瓷静态螺旋切割器腔芯表面的影响较大,微观表面发生大面积剥落,主要因为H2SO4与陶瓷中的赤铁矿(Fe2O3),莫来石(3Al2O3·2SiO2)均发生反应,生成硫酸盐。陶瓷静态螺旋切割器在臭氧水冲蚀系统中运行后,臭氧水的强氧化性对其微观表面基本无影响。本文提出的以黏土为固相,注凝成型工艺制造静态螺旋切割器的工艺流程,解决了静态螺旋切割器结构复杂难制造的问题,为静态螺旋切割器在工业领域的推广使用提供条件。
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