CN112077320A - 具有叠层结构的Ti/X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Ti/X金属陶瓷及其制备方法，具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷从下至上依次包括Ti层、Ti‑X过渡层、X层、Ti‑X过渡层、Ti层……Ti‑X过渡层、X层、Ti‑X过渡层、Ti层。该具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷，兼具钛的韧性和X纳米材料的硬度等特性，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。本发明通过3D打印设备按照Ti层‑X层‑Ti层‑X层‑Ti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Ti层与X层之间的界面进行快速地冷加工处理，形成结合Ti层与X层的Ti‑X过渡层，可克服钛纳米材料与X纳米材料的化学相容性和浸润性差的问题，能够较好地实现Ti纳米材料X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Ti/X金属陶瓷。

Description

具有叠层结构的Ti/X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Ti/X金属陶瓷及其制备方法。
背景技术
钛金属及其合金具有轻质、高强、良好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用于航空、医疗等领域。氧化物陶瓷(或氮化物陶瓷、碳化物陶瓷)材料有优良的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨及高温强度等特性，在严苛的环境条件下具有良好的高温稳定性与力学性能，在材料工业中倍受瞩目。将氧化物陶瓷(或氮化物陶瓷、碳化物陶瓷)材料和钛合金复合，即可大幅提高钛基体的力学强度、耐高温、耐磨等性能，获得性能优异的结构功能一体化复合材料。
当前，在将氧化物陶瓷(或氮化物陶瓷、碳化物陶瓷)与钛基体复合过程中，由于材料的化学相容性与浸润性差，并且材料的热膨胀系数差异大，容易引起在氧化物陶瓷(或氮化物陶瓷、碳化物陶瓷)材料与钛之间形成的复合界面产生热力学失配，造成应力集中，导致氧化物陶瓷(或氮化物陶瓷、碳化物陶瓷)材料与钛之间形成的界面产生裂纹或空隙，从而引起复合材料的硬度、抗冲击、耐磨、耐疲劳等性能发生严重下降。
发明内容
本发明实施例的目的之一在于提供一种兼具有钛的韧性和氧化物陶瓷(或氮化物陶瓷、碳化物陶瓷)材料高硬度、耐高温等特点的具有叠层结构的Ti/X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Ti/X金属陶瓷，包括若干层层叠设置的Ti层、形成于相邻两层Ti层之间的X层，以及结合所述Ti层与所述X层的Ti-X过渡层；所述Ti层为由3D打印设备打印的钛纳米层，所述X层为由3D打印设备打印的金属陶瓷材料纳米层；所述Ti-X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Ti层与所述X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X层为金属氧化物纳米层、金属氮化物纳米层或金属碳化物纳米层中的一种金属陶瓷材料纳米层
进一步地，所述钛纳米层的厚度为10-7m～10-4m。
进一步地，所述金属陶瓷材料纳米层的厚度为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Ti/X金属陶瓷，通过3D打印设备按照Ti层-X层-Ti层-X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X层之间的界面，以对Ti层与X层之间的界面进行快速地冷加工处理，在Ti层与X层之间形成结合Ti层与X层的Ti-X过渡层。这样，可克服钛纳米材料与X纳米材料的化学相容性、浸润度差的问题，能够较好地实现X纳米材料-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Ti/X金属陶瓷。因此，本发明实施例中的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷，兼具钛的韧性和X纳米材料的硬度与耐高温等性能，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。
本发明实施例的目的之二在于提供一种可克服钛材料与X纳米材料的化学相容性、浸润度差，能够较好地实现X纳米材料-钛纳米材料复合，并能够较好地控制X纳米材料与钛纳米材料之间形成的界面反应，进而形成较强的界面结合的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷的制备方法。
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Ti/X金属陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
基体打印步骤：通过3D打印设备将钛纳米材料打印形成第一钛纳米层，并以该第一钛纳米层形成的Ti层作为基体；
叠层打印步骤：通过3D打印设备将X纳米材料在所述第一钛纳米层上打印第一金属陶瓷材料纳米层，形成X层；通过3D打印设备将钛纳米材料在所述第一金属陶瓷材料纳米层上打印第二钛纳米层，形成Ti层；
多层打印步骤：通过3D打印设备将X纳米材料在所述第二钛纳米层上打印第二金属陶瓷材料纳米层，形成X层；通过3D打印设备将钛纳米材料在所述第二金属陶瓷材料纳米层上打印第二钛纳米层，形成Ti层；重复该步骤中的上述打印操作，即可打印出多层叠置的Ti/X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，对所述第一钛纳米层与所述第一金属陶瓷材料纳米层之间的界面、所述第一金属陶瓷材料纳米层与所述第二钛纳米层之间的界面、所述第二钛纳米层与所述第二金属陶瓷材料纳米层之间的界面进行辐照，以在Ti层与X层之间的界面形成Ti-X过渡层，获得Ti层、Ti-X渐变过渡层、X层、Ti-X渐变过渡层、Ti层复合的叠层Ti/X陶瓷。
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Ti层和/或所述X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Ti层和/或所述X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Ti层和/或所述X层进行交替加工处理。
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，所述钛纳米材料和/或所述X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X纳米材料为纳米氧化物陶瓷材料、纳米氮化物陶瓷材料、纳米碳化物陶瓷材料中的一种或几种混合物，所述钛纳米材料为纯净的钛纳米粉末或钛合金纳米粉末。
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Ti/X金属陶瓷的制备方法，通过3D打印设备按照Ti层-X层-Ti层-X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X层之间的界面，以对Ti层与X层之间的界面进行快速地冷加工处理，形成结合Ti层与X层的Ti-X过渡层，可克服钛纳米材料与X纳米材料的化学相容性较差的问题，能够较好地实现X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Ti/X金属陶瓷。并且，采用强脉冲能量束或粒子束对Ti层与X层之间的界面进行快速地冷加工处理，使得Ti层与X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-X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X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金属陶瓷材料纳米层与钛金属陶瓷材料纳米层分层脱落。因此，由本发明实施例中的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷制备方法制备的Ti/X陶瓷，兼具钛的韧性和X纳米材料的硬度与耐高温等性能，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。
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Ti/X金属陶瓷的剖视结构示意图；
图2为本发明实施例一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-Al2O3过渡层的曲线图；
图3为本发明实施例一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-Al2O3过渡层的另一曲线图；
图4为本发明实施例二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-AlN过渡层的曲线图；
图5为本发明实施例二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-AlN过渡层的另一曲线图；
图6为本发明实施例三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-SiC过渡层的曲线图；
图7为本发明实施例三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-SiC过渡层的另一曲线图。
其中，图中各附图标记：
1-第一钛纳米层；2-第一金属陶瓷材料纳米层；3-Ti-X过渡层；
4-第二钛纳米层；5-第二金属陶瓷材料纳米层。
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Ti/X金属陶瓷进行说明。该具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷包括若干层层叠设置的Ti层1、形成于相邻两层Ti层之间的X层，以及结合Ti层与X层的Ti-X过渡层3；Ti层为由3D打印设备打印的钛纳米层，X层为由3D打印设备打印的金属陶瓷材料纳米层；Ti-X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Ti层与X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Ti/X金属陶瓷，与现有技术相比，通过3D打印设备按照Ti层-X层-Ti层-X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X层之间的界面，以对Ti层与X层之间的界面进行快速地冷加工处理，在Ti层与X层之间形成结合Ti层与X层的Ti-X过渡层3。这样，可克服钛纳米材料与X纳米材料的化学相容性较差的问题，能够较好地实现X纳米材料-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Ti/X金属陶瓷。因此，本发明实施例中的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷，兼具钛的韧性和X纳米材料的硬度与耐高温等性能，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。
在其中一个实施方式中，X层为纳米氧化物层(例如Al2O3、ZrO2、Ti2O3、SiO2、Y2O3等)、纳米氮化物层(例如TiN、AlN、Si3N4、ZrN、CrN、TiAlN等)、纳米碳化物层(例如TiC、SiC、TiCN等)中的一种或几种金属陶瓷材料纳米层。
在其中一个实施方式中，钛纳米层的厚度为10-7m～10-4m，能够较好地实现X纳米材料-纳米材料复合，并使叠层结构的Ti/X陶瓷具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。
在其中一个实施方式中，金属陶瓷材料纳米层的厚度为10-7m～10-4m，能够较好地实现X纳米材料-纳米材料复合，并使叠层结构的Ti/X陶瓷具备较高的硬度。
本发明还提供一种具有叠层结构的Ti/X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打印设备将钛纳米材料打印形成第一钛纳米层1，并以该第一钛纳米层1形成的Ti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X纳米材料在第一钛纳米层1上打印第一金属陶瓷材料纳米层2，以在基体上形成X层；其次，采用特定的双束3D打印设备将钛纳米材料在第一金属陶瓷材料纳米层2上打印第二钛纳米层4，以在X层上形成Ti层。
多层打印步骤：首先，采用特定的双束3D打印设备将X纳米材料在第二钛纳米层4上打印第二钛纳米层5，以在Ti层上形成X层；其次，采用特定的双束3D打印设备将钛纳米材料在第二钛纳米层5上打印第二钛纳米层4，以在X层上形成Ti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Ti层-X层-Ti层-X层-Ti层的层叠顺序逐层进行打印，获得多层叠置的Ti/X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，对第一钛纳米层1与第一金属陶瓷材料纳米层2之间的界面、第一金属陶瓷材料纳米层2与第二钛纳米层4之间的界面、第二钛纳米层4与第二钛纳米层5之间的界面进行辐照，以在Ti层与X层之间的界面形成Ti-X过渡层3，获得Ti层、Ti-X渐变过渡层、X层、Ti-X渐变过渡层、Ti层复合的叠层Ti/X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，分别对第一钛纳米层1与第一金属陶瓷材料纳米层2之间的界面、第一金属陶瓷材料纳米层2与第二钛纳米层4之间的界面、第二钛纳米层4与第二钛纳米层5之间的界面进行辐照，便可分别对第一钛纳米层1与第一金属陶瓷材料纳米层2之间的界面、第一金属陶瓷材料纳米层2与第二钛纳米层4之间的界面、第二钛纳米层4与第二钛纳米层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Ti-X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金属陶瓷材料纳米层与钛纳米层分层脱落。
此外，该步骤中，可以是在3D打印设备边打印X层或Ti层的同时，边对X层与Ti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X层与Ti层之间的界面处形成连续渐变的Ti-X过渡层3。为了提高Ti-X过渡层3的处理效果，也可以是在3D打印设备边打印X层或Ti层之后的预设延迟时间内，采用超强脉冲能量束或粒子束对X层与Ti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Ti层-X层-Ti层-X层-Ti层的层叠顺序逐层进行打印，获得多层叠置的Ti/X复合层后，采用超强脉冲能量束或粒子束对X层与Ti层之间形成的界面进行辐照冷加工，以在X层与Ti层之间的界面处形成连续渐变的Ti-X过渡层3。
本发明实施例提供的具有叠层结构的Ti/X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Ti层-X层-Ti层-X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X层之间的界面，以对Ti层与X层之间的界面进行快速地冷加工处理，形成结合Ti层与X层的Ti-X过渡层3，可克服钛纳米材料与X纳米材料的化学相容性、浸润度差的问题，能够较好地实现X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Ti/X金属陶瓷。并且，采用强脉冲能量束或粒子束对Ti层与X层之间的界面进行快速地冷加工处理，使得Ti层与X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-X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X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金属陶瓷材料纳米层与钛纳米层分层脱落。因此，由本发明实施例中的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷制备方法制备的Ti/X陶瓷，兼具钛的韧性和X纳米材料的硬度与耐高温等性能，且具备良好的延展性，耐热性、耐磨性、抗冲击性能。
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Ti/X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Ti/X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Ti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Ti层行辐射加工处理，使Ti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Ti层，便可消除了Ti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Ti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Ti层的抗压强度、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Ti/X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X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X层行辐射加工处理，使X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X层，便可消除了X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X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X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Ti/X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大功率连续激光束/粒子束对Ti层和/或X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Ti层和/或X层进行冷、热交替加工处理。
在其中一个实施方式中，具有叠层结构的Ti/X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Ti层与X层间的界面进行冷加工处理生成Ti-X过渡层3。该步骤中，强脉冲能量束/粒子束Ti-X过渡层3进行冷、热交替加工处理，可以进一步提高Ti层-X层之间的结合强度，有效避免Ti层与X层之间发生层间裂纹、分层或脱落现象，增强Ti/X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，钛纳米材料通过3D打印设备的打印束喷嘴喷出打印，可以喷出厚度较薄的Ti层，避免钛纳米材料发生聚集。
在其中一个实施方式中，X纳米材料通过3D打印设备的打印束喷嘴喷出打印，可以喷出厚度较薄的X层，避免X纳米材料发生集聚。
在其中一个实施方式中，X纳米材料的杂质含量小于1％，X纳米材料为纳米氧化物陶瓷材料、纳米氮化物陶瓷材料、纳米碳化物陶瓷材料中的一种或几种。其中，钛纳米材料为纯净的钛纳米粉末或钛合金纳米粉末。纳米氧化物陶瓷材料为Al2O3、ZrO2、Ti2O3、SiO2、Y2O3等纳米氧化物材料中的一种或几种，纳米氮化物陶瓷材料为TiN、AlN、Si3N4、ZrN、CrN、TiAlN等纳米氮化物材料中的一种或几种，纳米碳化物陶瓷材料为TiC、SiC、TiCN等纳米碳化物材料中的一种或几种。
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X纳米材料或钛纳米材料打印形成X层或Ti层后，采用超快激光强脉冲对X层、Ti层或者X层与Ti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Ti/X金属陶瓷的制备方法的具体应用实施例：实施例一：
本实施例的具有叠层结构的Ti/Al2O3陶瓷，如图1所示，从下至上依次包括Ti层、Ti-Al2O3过渡层、Al2O3层、Ti-Al2O3过渡层、Ti层……Ti-Al2O3过渡层、Al2O3层、Ti-Al2O3过渡层、Ti层。
本实施例的Ti/Al2O3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Al2O3纳米级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Al2O3纳米粉末在第一钛纳米层1上形成第一Al2O3纳米层；
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1与第一Al2O3纳米层之间的界面进行辐照，并在第一钛纳米层1与第一Al2O3纳米层之间形成连续渐变的Ti-Al2O3过渡层；
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Al2O3纳米层上形成第二钛纳米层4；
6)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层4与第一Al2O3纳米层之间的界面进行辐照，并在第二钛纳米层4与第一Al2O3纳米层之间形成连续渐变的Ti-Al2O3过渡层；
7)将Al2O3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Al2O3纳米粉末在第二钛纳米层4上形成第二Al2O3纳米层；
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4与第一Al2O3纳米层之间的界面进行辐照，在相第二钛纳米层4与第二Al2O3纳米层之间形成连续渐变的Ti-Al2O3过渡层；
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Al2O3纳米层上形成第二钛纳米层4；
10)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层4与第二钛纳米层5之间的界面进行辐照，在相第二钛纳米层4与第二Al2O3纳米层之间形成连续渐变的Ti-Al2O3过渡层；
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-Al2O3过渡层、Al2O3层、Ti-Al2O3过渡层、Ti层……Ti-Al2O3过渡层、Al2O3层、Ti-Al2O3过渡层、Ti层的叠层结构的Ti/Al2O3陶瓷，其结构如图1所示。
12)在6um厚的第一Ti纳米层上形成6um厚第一Al2O3纳米层，并同时对第一Al2O3纳米层进行超快脉冲冷加工，在Ti层和第一Al2O3纳米层之间形成Ti-Al2O3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-Al2O3过渡层，其过渡层如下图2所示，表明Ti-Al2O3过渡层中的Ti-Al2O3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Al2O3纳米层上形成6um厚的第二Ti纳米层，并同时对第二Ti纳米层进行超快脉冲冷加工，在Ti层和Al2O3层之间形成Ti-Al2O3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-Al2O3过渡层，其过渡层如下图3所示，表明Ti-Al2O3过渡层中的Ti-Al2O3的相容性较好，容易结合，且界面结合性能良好。
实施例二：
本实施例的具有叠层结构的Ti/AlN陶瓷，如图1所示，从下至上依次包括Ti层、Ti-AlN过渡层、AlN层、Ti-AlN过渡层、Ti层……Ti-AlN过渡层、AlN层、Ti-AlN过渡层、Ti层。
本实施例的Ti/AlN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AlN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AlN纳米粉末在第一钛纳米层1上形成第一AlN纳米层；
4)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第一钛层1与第一AlN纳米层之间的界面进行辐照，并在第一钛层1与第一AlN纳米之间形成连续渐变的Ti-AlN过渡层3；
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AlN纳米层上形成第二钛纳米层4；
6)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层4与第一AlN纳米层之间的界面进行辐照，并在第二钛纳米层4与第一AlN纳米层之间形成连续渐变的Ti-AlN过渡层3；
7)将AlN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AlN纳米粉末在第二钛纳米层4上形成第二AlN纳米层；
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4与第二AlN纳米层之间的界面进行辐照，在相第二钛纳米层4与第二AlN纳米层之间形成连续渐变的Ti-AlN过渡层3；
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AlN纳米层上形成第二钛纳米层4；
10)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层4与第二AlN纳米层之间的界面进行辐照，在相第二钛纳米层4与第二AlN纳米层之间形成连续渐变的Ti-AlN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Ti层、Ti-AlN过渡层、AlN层、Ti-AlN过渡层、Ti层……Ti-AlN过渡层、AlN层、Ti-AlN过渡层、Ti层的叠层结构的Ti/AlN陶瓷，其结构如图1所示。
12)在6um厚的第一Ti纳米层上形成6um厚第一AlN纳米层，并同时对第一AlN纳米层进行超快脉冲冷加工，在第一Ti纳米层和第一AlN纳米层之间形成Ti-AlN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-AlN过渡层，其过渡层如下图4所示，表明Ti-AlN过渡层中的Ti-AlN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AlN纳米层上形成6um厚的第二Ti纳米层，并同时对第二Ti纳米层进行超快脉冲冷加工，在第二Ti纳米层和第一AlN纳米层之间形成Ti-AlN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-AlN过渡层，其过渡层如下图5所示，表明Ti-AlN过渡层中的Ti-AlN相容性较好，容易结合，且界面结合性能良好。
实施例三：
本实施例的具有叠层结构的Ti/SiC陶瓷，如图1所示，从下至上依次包括Ti层、Ti-SiC过渡层、SiC层、Ti-SiC过渡层、Ti层……Ti-SiC过渡层、SiC层、Ti-SiC过渡层、Ti层。
本实施例的Ti/SiC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SiC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SiC纳米粉末在第一钛纳米层1上形成第一SiC纳米层；
4)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第一钛层1与第一SiC纳米层之间的界面进行辐照，并在第一钛层1与第一SiC之间形成连续渐变的Ti-SiC过渡层3；
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SiC纳米层上形成第二钛纳米层4；
6)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层4与第一SiC纳米层之间的界面进行辐照，并在第二钛纳米层4与第一SiC纳米层之间形成连续渐变的Ti-SiC过渡层3；
7)将SiC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SiC纳米粉末在第二钛纳米层4上形成第二SiC纳米层；
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4与第二SiC纳米层之间的界面进行辐照，在相第二钛纳米层4与第二SiC纳米层之间形成连续渐变的Ti-SiC过渡层3；
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SiC纳米层上形成第二钛纳米层4；
10)采用双束3D打印设备的超快脉冲激光束对第二钛纳米层4与第二SiC纳米层之间的界面进行辐照，在相第二钛纳米层4与第二SiC纳米层之间形成连续渐变的Ti-SiC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Ti层、Ti-SiC过渡层、SiC层、Ti-SiC过渡层、Ti层……Ti-SiC过渡层、SiC层、Ti-SiC过渡层、Ti层的叠层结构的Ti/SiC陶瓷，其结构如图1所示。
12)在6um厚的第一Ti纳米层上形成6um厚第一SiC纳米层，并同时对第一SiC纳米层进行超快脉冲冷加工，在第一Ti纳米层和第一SiC层之间形成Ti-SiC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-SiC过渡层，其过渡层如下图6所示，表明Ti-SiC过渡层种的Ti-SiC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SiC纳米层上形成6um厚的第二Ti纳米层，并同时对第二Ti纳米层进行超快脉冲冷加工，在第二Ti纳米层和第一SiC纳米层之间形成Ti-SiC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-SiC过渡层，其过渡层如下图7所示，表明Ti-SiC过渡层中的Ti-SiC相容性较好，容易结合，且界面结合性能良好。
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Ti/X金属陶瓷，其特征在于，包括若干层层叠设置的Ti层、形成于相邻两层Ti层之间的X层，以及结合所述Ti层与所述X层的Ti-X过渡层；所述Ti层为由3D打印设备打印的钛纳米层，所述X层为由3D打印设备打印的金属陶瓷材料纳米层；所述Ti-X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Ti层与所述X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Ti/X陶瓷，其特征在于，所述X层为金属氧化物纳米层、金属氮化物纳米层或金属碳化物纳米层中的一种金属陶瓷材料纳米层。
3.如权利要求1所述的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷，其特征在于，所述钛纳米层的厚度为10-7m～10-4m。
4.如权利要求1所述的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷，其特征在于，所述金属陶瓷材料纳米层的厚度为10-7m～10-4m。
5.一种具有叠层结构的Ti/X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打印设备将钛纳米材料打印形成第一钛纳米层，并以该第一钛纳米层形成的Ti层作为基体；
叠层打印步骤：通过3D打印设备将X纳米材料在所述第一钛纳米层上打印第一金属陶瓷材料纳米层，形成X层；通过3D打印设备将钛纳米材料在所述第一金属陶瓷材料纳米层上打印第二钛纳米层，形成Ti层；
多层打印步骤：通过3D打印设备将X纳米材料在所述第二钛纳米层上打印第二金属陶瓷材料纳米层，形成X层；通过3D打印设备将钛纳米材料在所述第二金属陶瓷材料纳米层上打印第二钛纳米层，形成Ti层；重复该步骤中的上述打印操作，即可打印出多层叠置的Ti/X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，对所述第一钛纳米层与所述第一金属陶瓷材料纳米层之间的界面、所述第一金属陶瓷材料纳米层与所述第二钛纳米层之间的界面、所述第二钛纳米层与所述第二金属陶瓷材料纳米层之间的界面进行辐照，以在Ti层与X层之间的界面形成Ti-X过渡层，获得Ti层-Ti/X渐变过渡层-X层-Ti/X渐变过渡层-Ti层复合的叠层Ti/X陶瓷。
6.如权利要求5所述的具有叠层结构的Ti/X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Ti层和/或所述X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Ti/X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Ti层和/或所述X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Ti层和/或所述X层进行交替加工处理。
8.如权利要求5所述的具有叠层结构的Ti/X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。
9.如权利要求5所述的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述钛纳米材料和/或所述X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5至9任一项所述的具有叠层结构的Ti/X金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述X纳米材料为纳米氧化物陶瓷材料、纳米氮化物陶瓷材料、纳米碳化物陶瓷材料中的一种或几种，所述钛纳米材料为纯净的钛纳米粉末或钛合金纳米粉末。
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