CN112062570A - 具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷及其制备方法，具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷从下至上依次包括TiC层、TiC‑TiN过渡层、TiN层、TiN‑TiC过渡层、TiC层……TiC‑TiN过渡层、TiN层、TiN‑TiC过渡层、TiC层。该具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，兼具TiN的韧性和TiC的硬度，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，通过3D打印设备按照TiC层‑TiN层‑TiC层‑TiN层‑TiC层的层叠顺序逐层进行打印，并通过超强脉冲能量束或粒子束对TiC层与TiN层之间的界面进行快速地冷加工处理，形成结合TiC层与TiN层的TiC‑TiN过渡层，可提高TiC纳米材料与TiN纳米材料的浸润性，能够较好地实现TiC纳米材料TiN纳米材料复合，形成兼具硬度和韧性的叠层结构的TiC/TiN陶瓷。

Description

具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于金属陶瓷复合材料技术领域，特别地，涉及一种具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷及其制备方法。
背景技术
碳化钛熔点高达3250℃，有极强的抗氧化性，硬度高达91HRA～95HRA，耐磨、耐高温、抗粘结，常被用作切削工具材料。由于碳化钛的屈服强度较低，通常小于或等于4GPa，故其韧性差容易崩裂。为了克服碳化钛的韧性较差的缺陷，经常将具有良好的韧性且耐高温、耐磨损的氮化钛，作为添加剂用于由碳化钛材料制成的切削工具中。
当前，一般采用传统的加工工艺，需要将Ni-Co-Mo作为粘结剂，对碳化钛与氮化钛混合材料进行复合加工而制备出TiC-TiN硬质合金，以提高TiC的韧性和导热率。然而，上述由Ni-Co-Mo作为粘结剂将碳化钛与氮化钛混合材料复合形成的TiC-TiN合金，不仅仍然存在TiC-TiN结合强度低、韧性差的缺陷，而且在TiC-TiN复合材料的制备过程中，还需要额外添加粘结剂，导致加工工艺复杂，成本较高。
发明内容
本发明实施例的目的之一在于提供一种兼具有碳化氮的韧性和碳化钛材料的硬度的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，包括若干层层叠设置的TiC层、形成于相邻两层TiC层之间的TiN层，以及结合所述TiC层与所述TiN层的TiC-TiN过渡层；所述TiC层为由3D打印设备打印的TiC纳米层，所述TiN层为由3D打印设备打印的TiN纳米层；所述TiC-TiN过渡层为由强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对所述TiC层与所述TiN层之间的界面进行冷加工处理形成的连续渐变的过渡层。
进一步地，所述TiC纳米层的厚度为10-7m～10-4m。
进一步地，所述TiN纳米层的厚度为10-7m～10-4m。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果之一：
本发明实施例中的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，通过3D打印设备按照TiC层-TiN层-TiC层-TiN层-TiC层的层叠顺序逐层进行打印，并通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束辐照TiC层与TiN层之间的界面，以对TiC层与TiN层之间的界面进行快速地冷加工处理，在TiC层与TiN层之间形成结合TiC层与TiN层的TiC-TiN过渡层。这样，可克服TiC纳米材料与TiN纳米材料的浸润性较差的问题，能够较好地实现TiN纳米材料-TiC纳米材料复合，兼具有碳化氮的韧性和碳化钛材料的硬度，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷。
本发明实施例的目的之二在于提供一种制备具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的方法，使得具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷兼具TiN的韧性和TiC的硬度，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
基体打印步骤：通过3D打印设备将TiC纳米材料打印形成第一TiC纳米层，并以该第一TiC纳米层形成的TiC层作为基体；
叠层打印步骤：通过3D打印设备将TiN纳米材料在所述第一TiC纳米层上打印第一TiN纳米层，形成TiN层；通过3D打印设备将TiC纳米材料在所述第一TiN纳米层上打印第二TiC纳米层，形成TiC层；
多层打印步骤：通过3D打印设备将TiN纳米材料在所述第二TiC纳米层上打印第二TiN纳米层，形成TiN层；通过3D打印设备将TiC纳米材料在所述第二TiN纳米层上打印第二TiC纳米层，形成TiC层；重复该步骤中的上述打印操作，即可打印出多层叠置的TiC/TiN复合层；
界面处理步骤：采用强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对所述第一TiC纳米层与所述第一TiN纳米层之间的界面、所述第一TiN纳米层与所述第二TiC纳米层之间的界面、所述第二TiC纳米层与所述第二TiN纳米层之间的界面进行辐照，以在TiC层与TiN层之间的界面形成TiC-TiN过渡层，获得TiC层、TiC-TiN渐变过渡层、TiN层、TiC-TiN渐变过渡层、TiC层复合的叠层TiC/TiN陶瓷。
进一步地，所述基体打印步骤、所述叠层打印步骤、所述多层打印步骤或所述界面处理步骤中的一个加工步骤或几个加工步骤是在负压或者保护气体下进行的，所述保护气体为氮气或惰性气体。
进一步地，还包括采用超快脉冲能量束/粒子束进行加工的冷加工处理步骤，所述冷加工处理步骤包括通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对所述TiC层和/或所述TiN层进行辐射加工处理。
进一步地，还包括采用大功率连续激光束/粒子束进行加工的热加工处理步骤，所述热加工处理步骤包括通过大功率连续激光束/粒子束对所述TiC层和/或所述TiN层进行热加工处理，且所述大功率连续激光束/粒子束与所述强脉冲能量束或粒子束对所述TiC层和/或所述TiN层进行交替加工处理。
进一步地，在所述3D打印设备边打印TiC层或TiN层的同时，边对所述TiC层与所述TiN层之间形成的界面，采用强脉冲能量束或粒子束进行辐照；或者，在所述3D打印设备打印TiC层或TiN层之后的预设延迟时间内，采用强脉冲能量束或粒子束，对所述TiC层与所述TiN层之间形成的界面进行辐照。
进一步地，所述TiC纳米材料和/或所述TiN纳米材料通过所述3D打印设备的打印束喷嘴喷出打印。
进一步地，所述TiN纳米材料为氮化钛纳米粉末，所述TiC纳米材料为TiC纳米粉末。
进一步地，所述加工在负压或者惰性保护气体下进行，惰性保护气体包括，氮气、氦气、氖气、氩气等。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果之一：
本发明实施例中的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，通过3D打印设备按照TiC层-TiN层-TiC层-TiN层-TiC层的层叠顺序逐层进行打印，并通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束辐照TiC层与TiN层之间的界面，以对TiC层与TiN层之间的界面进行快速地冷加工处理，形成结合TiC层与TiN层的TiC-TiN过渡层，可克服TiC纳米材料与TiN纳米材料的浸润度差的问题，能够较好地实现TiN纳米材料-TiC纳米材料复合，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷。并且，采用强脉冲能量束或粒子束对TiC层与TiN层之间的界面进行快速地冷加工处理，使得TiC层与TiN层之间的界面处的原子瞬间相互扩散、熔融并固化形成连续渐变的TiC-TiN过渡层，消除了界面热学(热膨胀系数)和力学(杨氏模量)性质的突变，以及热加工产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，能够较好地控制TiN纳米材料与TiC纳米材料之间形成的界面反应，有效避免高温高压下TiN纳米层与钛TiN纳米层分层脱落。因此，由本发明实施例中的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷制备方法制备的TiC/TiN陶瓷，TiC层与TiN层通过TiC-TiN过渡层牢固结合，可将氮化钛材料和碳化钛材料复合，使得TiC/TiN陶瓷兼具TiN的韧性和TiC的硬度，较好地克服TiC硬度高而脆性较强的缺陷，使得TiC/TiN陶瓷具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能，可应用于航天航空及工业领域。并且，由本发明实施例中的制备方法制备TiC/TiN陶瓷，无需添加任何粘结剂，加工制备工艺简单，有利于提高加工效率与降低加工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的剖视结构示意图；
图2为本发明实施例中采用超快脉冲束对过渡层进行冷加工后，利用卢瑟福背散射研究TiC-TiN过渡层的曲线图；
图3为本发明实施例中采用超快脉冲束对过渡层进行冷加工后，利用卢瑟福背散射研究TiC-TiN过渡层的另一曲线图；
图4为本发明实施例提供的具有叠层结构的TiC陶瓷的剖视结构示意图；
图5为本发明实施例中采用超快脉冲束对过渡层进行冷加工后，利用卢瑟福背散射研究Ti-C渐变过渡层的曲线图；
图6为本发明实施例中采用超快脉冲束对过渡层进行冷加工后，利用卢瑟福背散射研究Ti-C渐变过渡层的另一曲线图。
其中，图中各附图标记：
1-第一TiC纳米层；2-第一TiN纳米层；3-TiC-TiN过渡层；
4-第二TiC纳米层；5-第二TiN纳米层；
6-第一钛纳米层；7-第一碳纳米层；8-Ti-C渐变过渡层；
9-第二钛纳米层；10-第二碳纳米层。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“连接于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在整个说明书中参考“一个实施例”或“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征，结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，“在一个实施例中”或“在一些实施例中”的短语出现在整个说明书的各个地方，并非所有的指代都是相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合特定的特征，结构或特性。
请参阅图1，现对本发明实施例提供的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷进行说明。该具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷包括若干层层叠设置的TiC层、形成于相邻两层TiC层之间的TiN层，以及结合TiC层与TiN层的TiC-TiN过渡层3；TiC层为由3D打印设备打印的TiC纳米层，TiN层为由3D打印设备打印的TiN纳米层；TiC-TiN过渡层3为由强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对TiC层与TiN层之间的界面进行辐照加工形成的连续渐变的过渡层。
本发明实施例提供的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，与现有技术相比，通过3D打印设备按照TiC层-TiN层-TiC层-TiN层-TiC层的层叠顺序逐层进行打印，并通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束辐照TiC层与TiN层之间的界面，以对TiC层与TiN层之间的界面进行快速地冷加工处理，在TiC层与TiN层之间形成结合TiC层与TiN层的TiC-TiN过渡层3。这样，可克服TiC纳米材料与TiN纳米材料的浸润度较差的问题，能够较好地实现TiN纳米材料-TiC纳米材料复合，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷。因此，由本发明实施例中的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷制备方法制备的TiC/TiN陶瓷，TiC层与TiN层通过TiC-TiN过渡层牢固结合，可将氮化钛材料和碳化钛材料复合，使得TiC/TiN陶瓷兼具TiN的韧性和TiC的硬度，较好地克服TiC硬度高而脆性较强的缺陷，并且使得TiC/TiN陶瓷具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能，可应用于航天航空和工业领域。
在其中一个实施方式中，TiC纳米层的厚度为10-7m～10-4m，能够较好地实现TiN纳米材料-TiC纳米材料复合，并使叠层结构的TiC/TiN陶瓷具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。
如权利要求1的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，其特征在于，TiN纳米层的厚度为10-7m～10-4m，能够较好地实现TiN纳米材料-TiC纳米材料复合，并使叠层结构的TiC/TiN陶瓷具备较高的硬度。
本发明还提供一种具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
基体打印步骤：采用特定的双束3D打印设备将TiC纳米材料打印形成第一TiC纳米层1，并以该第一TiC纳米层1形成的TiC层作为基体。
叠层打印步骤：首先，采用特定的双束3D打印设备将TiN纳米材料在第一TiC纳米层1上打印第一TiN纳米层2，以在基体上形成TiN层；其次，采用特定的双束3D打印设备将TiC纳米材料在第一TiN纳米层2上打印第二TiC纳米层4，以在TiN层上形成TiC层。
多层打印步骤：首先，采用特定的双束3D打印设备将TiN纳米材料在第二TiC纳米层4上打印第二TiC纳米层5，以在TiC层上形成TiN层；其次，采用特定的双束3D打印设备将TiC纳米材料在第二TiC纳米层5上打印第二TiC纳米层4，以在TiN层上形成TiC层。重复该步骤中的上述打印操作，即可通过3D打印设备按照TiC层-TiN层-TiC层-TiN层-TiC层的层叠顺序逐层进行打印，获得多层叠置的TiC/TiN复合层。
界面处理步骤：采用强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对第一TiC纳米层1与第一TiN纳米层2之间的界面、第一TiN纳米层2与第二TiC纳米层4之间的界面、第二TiC纳米层4与第二TiC纳米层5之间的界面进行辐照，以在TiC层与TiN层之间的界面形成TiC-TiN过渡层3，获得TiC层、TiC-TiN渐变过渡层、TiN层、TiC-TiN渐变过渡层、TiC层复合的叠层TiC/TiN陶瓷。
该步骤中，采用强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，分别对第一TiC纳米层1与第一TiN纳米层2之间的界面、第一TiN纳米层2与第二TiC纳米层4之间的界面、第二TiC纳米层4与第二TiC纳米层5之间的界面进行辐照，便可分别对第一TiC纳米层1与第一TiN纳米层2之间的界面、第一TiN纳米层2与第二TiC纳米层4之间的界面、第二TiC纳米层4与第二TiC纳米层5之间的界面进行冷加工处理，使相应界面处的原子瞬间(几十飞秒到几百皮秒)相互扩散、熔融并固化形成连续渐变的TiC-TiN过渡层3，便可消除了界面上热学与力学性质的突变，以及热加工产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，从而可以避免高温高压下TiN纳米层与TiC纳米层分层脱落。在TiC/TiN陶瓷的使用过程中起作用的主要为TiC-TiN过渡层3，TiN具有较好的韧性、TiC具有很好的硬度但脆性较大，TiN能够大大提高TiC的韧性，使得TiC/TiN陶瓷不仅硬度大而且韧性好。
此外，该步骤中，可以是在3D打印设备边打印TiN层或TiC层的同时，边对TiN层与TiC层之间形成的界面采用超强脉冲能量束或粒子束进行辐照冷加工，以在TiN层与TiC层之间的界面处形成连续渐变的TiC-TiN过渡层3。为了提高TiC-TiN过渡层3的处理效果，也可以是在3D打印设备边打印TiN层或TiC层之的预设延迟时间内，采用超强脉冲能量束或粒子束对TiN层与TiC层之间形成的界面进行辐照冷加工。具体预设延迟时间可根据实际需要而合理选择，在此不作唯一限定。当然，也可以是在3D打印设备按照TiC层-TiN层-TiC层-TiN层-TiC层的层叠顺序逐层进行打印，获得多层叠置的TiC/TiN复合层后，采用超强脉冲能量束或粒子束对TiN层与TiC层之间形成的界面进行辐照冷加工，以在TiN层与TiC层之间的界面处形成连续渐变的TiC-TiN过渡层3。
本发明实施例提供的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，与现有技术相比，通过3D打印设备按照TiC层-TiN层-TiC层-TiN层-TiC层的层叠顺序逐层进行打印，并通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束辐照TiC层与TiN层之间的界面，以对TiC层与TiN层之间的界面进行快速地冷加工处理，形成结合TiC层与TiN层的TiC-TiN过渡层3，可克服TiC纳米材料与TiN纳米材料的浸润度差的问题，能够较好地实现TiN纳米材料-纳米材料复合，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷。并且，采用强脉冲能量束或粒子束对TiC层与TiN层之间的界面进行快速地冷加工处理，使得TiC层与TiN层之间的界面处的原子瞬间相互扩散、熔融并固化形成连续渐变的TiC-TiN过渡层3，消除了界面热学(热膨胀系数)和力学(杨氏模量)性质的突变，以及热加工产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，能够较好地控制TiN纳米材料与TiC纳米材料之间形成的界面反应，有效避免高温高压下TiN纳米层与钛TiN纳米层分层脱落。因此，由本发明实施例中的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷制备方法制备的TiC/TiN陶瓷，兼具TiN的韧性和TiC的硬度，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能，屈服强度最高可以提高90％，可广泛应用于航天航空、工业等领域。并且，由本发明实施例中的制备方法制备TiC/TiN陶瓷，无需添加价格昂贵的Ni-Co-Mo粘结剂，加工制备工艺简单，有利于提高加工效率与降低加工成本。
上述基体打印步骤、叠层打印步骤、多层打印步骤或界面处理步骤中的一个加工步骤或几个加工步骤是在负压或者保护气体下进行的，以防止加工过程中被氧化，从而提高具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的加工质量。其中，保护气体为氮气或惰性气体，惰性气体可以是氦气、氖气、氩气等。
在其中一个实施例中，超强脉冲能量束或粒子束(如超快脉冲激光束)的辐照时间为10-3sec～102sec，辐照面积为10-6mm2～102mm2，频率为1～107/sec，单脉冲的脉宽为10- 14sec～10-10sec，单脉冲的能量密度为0.1mJ/mm2～10J/mm2，超快脉冲激光束的总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2。
其中，超强脉冲能量束或粒子束辐照的单脉冲能量密度d由下式得到：d＝P/(f×S)，式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为能量束/粒子束聚焦面积，单位mm2。超强脉冲能量束或粒子束辐照的总能量密度D由下式得到：D＝d×f×t，式中，D为强脉冲能量束/粒子束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
在其中一个实施方式中，具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法还包括：采用超快脉冲能量束/粒子束进行加工的冷加工处理步骤，冷加工处理步骤包括通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对TiC层进行辐射加工处理。
该步骤中，采用超快脉冲能量束/粒子束对TiC层行辐射加工处理，使TiC层中的原子瞬间(几十飞秒到几百皮秒)相互扩散、熔融并固化形成均质的TiC层，便可消除了TiC层内热学与力学性质的突变，以及热加工产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，从而可以避免高温高压下TiC层内部产生晶格缺陷、气孔、裂纹变形和表面不平整等缺陷，可增强TiC层的抗压强度、抗冲击、耐磨、耐腐蚀和耐疲劳等性能，并使TiC层具有较好的韧性，TiC/TiN陶瓷的兼具有高硬度和高韧性性能。
在其中一个实施方式中，具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法还包括：采用超快脉冲能量束/粒子束进行加工的冷加工处理步骤，冷加工处理步骤包括通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对TiN层进行辐射加工处理。
该步骤中，采用超快脉冲能量束/粒子束对TiN层行辐射加工处理，使TiN层中的原子瞬间(几十飞秒到几百皮秒)相互扩散、熔融并固化形成均质的TiN层，便可消除了TiN层内热学与力学性质的突变，以及热加工产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，从而可以避免高温高压下TiN层内部产生晶格缺陷、气孔、裂纹变形和表面不平整等缺陷，可增强TiN层的硬度、抗冲击、耐磨、耐腐蚀和耐疲劳等性能。
在其中一个实施方式中，具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法还包括：采用大功率连续激光束/粒子束进行加工的热加工处理步骤，热加工处理步骤包括通过激光器发射的大功率连续激光束/粒子束对TiC层和/或TiN层进行热加工处理，且大功率连续激光束/粒子束与强脉冲能量束或粒子束对TiC层和/或TiN层进行冷、热交替加工处理。该步骤中，大功率连续激光束/粒子束与强脉冲能量束或粒子束对TiC层和/或TiN层进行交替加工处理，可以进一步增强TiC/TiN陶瓷的硬度、抗冲击、耐磨、耐腐蚀和耐疲劳等性能。
在其中一个实施方式中，具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法还包括：采用强脉冲能量束/粒子束进行加工的冷加工处理步骤，冷加工处理步骤包括通过强脉冲能量束/粒子束对TiC层与TiN层界面进行冷加工处理生成TiC-TiN过渡层3，
在其中一个实施方式中，TiN纳米材料的杂质含量小于1％，TiN纳米材料为氮化钛纳米粉末，TiC纳米材料为碳化钛纳米粉末。
在其中一个实施方式中，强脉冲能量束/粒子束发生装置为强脉冲电子束发生器、强脉冲离子束发生器或超快激光脉冲发生器中的任意一种。当强脉冲能量束/粒子束发生装置为强脉冲电子束发生器时，强脉冲电子束发生器对应产生强脉冲电子束。当强脉冲能量束/粒子束发生装置为强脉冲离子束发生器时，强脉冲离子束发生器对应产生强脉冲离子束。当强脉冲能量束/粒子束发生装置为超快激光脉冲发生器时，超快激光脉冲发生器对应产生超快激光脉冲。以超快激光脉冲发生器为例，当3D打印设备将TiN纳米材料或TiC纳米材料打印形成TiN层或TiC层后，采用超快激光强脉冲对TiN层、TiC层或者TiN层与TiC层之间形成的界面进行无热传导效应的冷加工，使界面处原子或分子瞬间(几十飞秒到几百皮秒)相互扩散，消除了界面上热学(热膨胀系数等)和力学(杨氏模量等)性质的突变，与热加工产生的热应力与点、线、面晶格的缺陷，以及热应力产生的微裂纹。
在其中一个实施方式中，3D打印设备还包括按照预设轨迹移动打印束喷嘴图中未示出)的移动机构图中未示出)和控制移动机构工作的控制器(图中未示出)，打印束喷嘴与移动机构相连，控制器与移动机构电性相连。该实施例中，通过采用上述方案，设置有通过预设有控制程序的控制器控制移动机构工作，则可通过移动机构带动打印束喷嘴按照预设轨迹移动。
可以理解地，在其中一个实施方式中，移动机构可以是驱动打印束喷嘴直线移动的直线模组，也可以是驱动打印束喷嘴旋转的转盘旋转机构。当然，移动机构还可以是控制驱动打印束喷嘴沿任意路径移动的机械手。由于直线模组、转盘旋转机构和机械手均可直接采用本领域技术人员所公知的结构与原理实现，在此不赘述。
本发明的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法的具体应用实施例：
本实施例的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，如图1所示，从下至上依次包括TiC层、TiC-TiN过渡层、TiN层、TiC-TiN过渡层、TiC层……TiC-TiN过渡层、TiN层、TiC-TiN过渡层、TiC层。
本实施例的TiC/TiN陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
1)将TiC纳米粉末材料输送至双束3D打印设备的打印束喷嘴；
2)驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出TiC纳米材料形成第一TiC纳米层1；
3)将纳米级单晶TiN纳米粉末输送至打印束喷嘴，驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出TiN纳米粉末在第一TiC纳米层1上形成第一TiN纳米层2；
4)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第一TiC纳米层1与第一TiN纳米层2之间的界面进行辐照，并在第一TiC纳米层1与第一TiN纳米之间形成连续渐变的TiC-TiN过渡层3；
5)将TiC纳米粉末材料输送至打印束喷嘴，驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出TiC纳米粉末材料，并在第一TiN纳米层2上形成第二TiC纳米层4；
6)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二TiC纳米层4与第一TiN纳米层2之间的界面进行辐照，并在第二TiC纳米层4与第一TiN纳米层2之间形成连续渐变的TiC-TiN过渡层3；
7)将纳米级单晶TiN纳米粉末输送至打印束喷嘴，驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出TiN纳米粉末在第二TiC纳米层4上形成第二TiC纳米层5；
8)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二TiC纳米层4与第二TiC纳米层5之间的界面进行辐照，在相第二TiC纳米层4与第二TiN纳米层5之间形成连续渐变的TiC-TiN过渡层3；
9)将TiC纳米粉末材料输送至打印束喷嘴，驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出TiC纳米粉末材料，再在第二TiC纳米层5上形成第二TiC纳米层4；
10)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二TiC纳米层4与第二TiC纳米层5之间的界面进行辐照，在相第二TiC纳米层4与第二TiN纳米层5之间形成连续渐变的TiC-TiN过渡层3；
11)重复上述步骤7)至步骤10)，即得从下至上依次包括TiC层、TiC-TiN过渡层、TiN层、TiC-TiN过渡层、TiC层……TiC-TiN过渡层、TiN层、TiC-TiN过渡层、TiC层的叠层结构的TiC/TiN陶瓷，其结构如图1所示。
12)在6um厚的第一TiC纳米层上形成6um厚第一TiN纳米层，并同时对TiN纳米层进行超快脉冲冷加工，在TiC层和TiN层之间形成TiC-TiN过渡层。其中，超快脉冲的脉冲宽度在150fs、脉冲频率为1000Hz、单脉冲能量为1mJ，利用卢瑟福背散射研究TiC-TiN过渡层，其渐变过渡层如下图2所示，表明TiC-TiN过渡层的TiC-TiN相容性较好，容易结合，且界面结合性能良好。并且，在6um厚的第一TiN纳米层上形成6um厚的第二TiC纳米层，并同时对TiC纳米层进行超快脉冲冷加工，在TiC层和TiN层之间形成TiC-TiN过渡层。其中，超快脉冲的脉冲宽度在150fs、脉冲频率为1000Hz、单脉冲能量为1mJ，利用卢瑟福背散射研究TiC-TiN过渡层，其渐变过渡层如下图3所示，表明TiC-TiN过渡层的TiC-TiN相容性较好，容易结合，且界面结合性能良好。
本发明的具有叠层结构的TiC陶瓷的制备方法的具体应用实施例：
本实施例的具有叠层结构的TiC陶瓷，如图1所示，从下至上依次包括Ti层、Ti-C渐变过渡层、C层、Ti-C渐变过渡层、Ti层……Ti-C渐变过渡层、C层、Ti-C渐变过渡层、Ti层。
本实施例中的TiC陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
1)将钛纳米粉末材料输送至双束3D打印设备的打印束喷嘴；
2)驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出钛纳米材料形成第一钛纳米层1；
3)将纳米级单晶碳纳米粉末输送至打印束喷嘴，驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出碳纳米粉末在第一钛纳米层6上形成第一碳纳米层7；
4)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第一钛纳米层6与第一碳纳米层7之间的界面进行辐照，并在第一钛纳米层6与第一C纳米之间形成连续渐变的Ti-C渐变过渡层8；
5)将钛纳米粉末材料输送至打印束喷嘴，驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出钛纳米粉末材料，并在第一碳纳米层7上形成第二钛纳米层9；
6)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层9与第一碳纳米层7之间的界面进行辐照，并在第二钛纳米层9与第一碳纳米层7之间形成连续渐变的Ti-C渐变过渡层8；
7)将纳米级单晶碳纳米粉末输送至打印束喷嘴，驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出碳纳米粉末在第二钛纳米层9上形成第二钛纳米层10；
8)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层9与第二钛纳米层10之间的界面进行辐照，在相第二钛纳米层9与第二碳纳米层5之间形成连续渐变的Ti-C渐变过渡层8；
9)将钛纳米粉末材料输送至打印束喷嘴，驱动打印束喷嘴按照预设轨迹移动并喷出钛纳米粉末材料，再在第二钛纳米层10上形成第二钛纳米层9；
10)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层9与第二钛纳米层10之间的界面进行辐照，在相第二钛纳米层9与第二碳纳米层5之间形成连续渐变的Ti-C渐变过渡层8；
11)重复上述步骤7)至步骤10)，即得从下至上依次包括Ti层、Ti-C渐变过渡层、C层、Ti-C渐变过渡层、Ti层……Ti-C渐变过渡层、C层、Ti-C渐变过渡层、Ti层的叠层结构的TiC陶瓷，其结构如图4所示。
12)在6um厚的第一Ti纳米层上形成6um厚第一碳纳米层，并同时对碳纳米层及Ti-C层间的界面进行超快脉冲冷加工，在Ti层和C层之间形成Ti-C渐变过渡层。其中，超快脉冲的脉冲宽度在150fs、脉冲频率为1000Hz、单脉冲能量为1mJ，利用卢瑟福背散射研究Ti-C渐变过渡层，其渐变过渡层如下图5所示，表明Ti-C渐变过渡层的Ti-C相容性较好，容易结合，且界面结合性能良好。并且，在6um厚的第一碳纳米层上形成6um厚的第二Ti纳米层，并同时对Ti纳米层及Ti-C层间界面进行超快脉冲冷加工，在Ti层和C层之间形成Ti-C渐变过渡层。其中，超快脉冲的脉冲宽度在150fs、脉冲频率为1000Hz、单脉冲能量为1mJ，利用卢瑟福背散射研究Ti-C渐变过渡层，其渐变过渡层如下图6所示，表明Ti-C渐变过渡层的Ti-C相容性较好，容易结合，且界面结合性能良好。
该实施例中，通过3D打印设备按照Ti层-C层-Ti层-C层-Ti层的层叠顺序逐层进行打印，并通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束辐照Ti层与C层之间的界面，以对Ti层与C层之间的界面进行快速地冷加工处理，形成结合Ti层与C层的Ti-C渐变过渡层8，可克服钛纳米材料与碳纳米材料的化学相容性、浸润度差的问题，能够较好地实现碳纳米材料与钛纳米材料复合，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的TiC陶瓷。并且，采用强脉冲能量束或粒子束对Ti层与C层之间的界面进行快速地冷加工处理，使得Ti层与C层之间的界面处的原子瞬间相互扩散、熔融并固化形成连续渐变的Ti-C渐变过渡层8，消除了界面热学(热膨胀系数)和力学(杨氏模量)性质的突变，以及热加工产生的热应力与打印点、线、面上的晶格缺陷，能够较好地控制碳纳米材料与钛纳米材料之间形成的界面反应，有效避免高温高压下碳纳米层与钛碳纳米层分层脱落。因此，由本发明实施例中的具有叠层结构的TiC陶瓷制备方法制备的TiC陶瓷，兼具钛的韧性和碳纳米材料的硬度，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，其特征在于，包括若干层层叠设置的TiC层、形成于相邻两层TiC层之间的TiN层，以及结合所述TiC层与所述TiN层的TiC-TiN过渡层；所述TiC层为由3D打印设备打印的TiC纳米层，所述TiN层为由3D打印设备打印的TiN纳米层；所述TiC-TiN过渡层为由强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对所述TiC层与所述TiN层之间的界面进行冷加工处理形成的连续渐变的过渡层。
2.如权利要求1所述的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，其特征在于，所述TiC纳米层的厚度为10-7m～10-4m。
3.如权利要求1所述的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷，其特征在于，所述TiN纳米层的厚度为10-7m～10-4m。
4.一种具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
基体打印步骤：通过3D打印设备将TiC纳米材料打印形成第一TiC纳米层，并以该第一TiC纳米层形成的TiC层作为基体；
叠层打印步骤：通过3D打印设备将TiN纳米材料在所述第一TiC纳米层上打印第一TiN纳米层，形成TiN层；通过3D打印设备将TiC纳米材料在所述第一TiN纳米层上打印第二TiC纳米层，形成TiC层；
多层打印步骤：通过3D打印设备将TiN纳米材料在所述第二TiC纳米层上打印第二TiN纳米层，形成TiN层；通过3D打印设备将TiC纳米材料在所述第二TiN纳米层上打印第二TiC纳米层，形成TiC层；重复该步骤中的上述打印操作，即可打印出多层叠置的TiC/TiN复合层；
界面处理步骤：采用强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对所述第一TiC纳米层与所述第一TiN纳米层之间的界面、所述第一TiN纳米层与所述第二TiC纳米层之间的界面、所述第二TiC纳米层与所述第二TiN纳米层之间的界面进行辐照，以在TiC层与TiN层之间的界面形成TiC-TiN过渡层，获得TiC层、TiC-TiN渐变过渡层、TiN层、TiC-TiN渐变过渡层、TiC层复合的叠层TiC/TiN陶瓷。
5.如权利要求4所述的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述基体打印步骤、所述叠层打印步骤、所述多层打印步骤或所述界面处理步骤中的一个加工步骤或几个加工步骤是在负压或者保护气体下进行的，所述保护气体为氮气或惰性气体。
6.如权利要求4所述的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，其特征在于，还包括采用超快脉冲能量束/粒子束进行加工的冷加工处理步骤，所述冷加工处理步骤包括通过强脉冲能量束/粒子束发生装置产生的强脉冲能量束或粒子束，对所述TiC层和/或所述TiN层进行辐射加工处理。
7.如权利要求6所述的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，其特征在于，还包括采用大功率连续激光束/粒子束进行加工的热加工处理步骤，所述热加工处理步骤包括通过大功率连续激光束/粒子束对所述TiC层和/或所述TiN层进行热加工处理，且所述大功率连续激光束/粒子束与所述强脉冲能量束或粒子束对所述TiC层和/或所述TiN层进行交替加工处理。
8.如权利要求4所述的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，其特征在于，在所述3D打印设备边打印TiC层或TiN层的同时，边对所述TiC层与所述TiN层之间形成的界面，采用强脉冲能量束或粒子束进行辐照；或者，在所述3D打印设备打印TiC层或TiN层之后的预设延迟时间内，采用强脉冲能量束或粒子束，对所述TiC层与所述TiN层之间形成的界面进行辐照。
9.如权利要求4所述的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述TiC纳米材料和/或所述TiN纳米材料通过所述3D打印设备的打印束喷嘴喷出打印。
10.如权利要求4至9任一项所述的具有叠层结构的TiC/TiN金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述TiN纳米材料为氮化钛纳米粉末，所述TiC纳米材料为碳化钛纳米粉末。
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