CN113699410B - 基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料 - Google Patents

基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种仿蜂窝结构的抗冲击钛合金构件的等离子烧结制备方法，包括如下步骤：将Ti‑6Al‑4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末进行球磨。将球磨好的Ti‑6Al‑4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末各自添加粘结剂使其混合均匀。将添加粘合剂的Ti‑6Al‑4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末分别装入送粉器。通过送粉装置的注射器将Ti‑6Al‑4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末送入铺有石墨纸的石墨模具中实现，B4C为蜂窝边界，Ti‑6Al‑4V钛合金粉末为蜂窝主体。将铺好的仿蜂窝结构抗冲击钛合金粉末进行等离子烧结，形成仿蜂窝结构抗冲击钛基复合材料块体。本发明制备的仿蜂窝抗冲击结构件在微观晶粒的尺度上，实现了与常见的硬材和软材交替增材结构件，且细化晶粒提高了力学性能。

Description

基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料
技术领域
本发明涉及一种基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，属于材料加工领域。
背景技术
钛合金具有相对密度小、比强度高、抗腐蚀能力优异、高温力学性能好，被广泛应用于各行各业，但随着科技的发展，对材料性能提出了更高的要求，在牺牲一部分塑性的基础上显著提高硬度的钛基复合材料孕育而生，但是由于钛基复合材料的熔点高，化学活性较高，易被氧化，传统的铸造或者锻造技术制备钛合金结构件比较困难。等离子烧结(SPS)具有烧结温度低、能量利用率高、真空环境等特点，在制备钛合金时有明显的优势。在钛合金烧结的过程中，烧结时间短、烧结温度低于钛合金的熔点，可达到细化晶粒提高力学性能的目的。公开号为CN201910862856.2的发明专利公开了一种高性能高温钛合金基复合材料的制备方法，该方法通过将93vol％钛基体以及7vol.％SiCp作为增强体混合球磨后,通过放电等离子烧结，得到烧结体，制备出一种高性能高温钛合金基复合材料。公开号为CN202010320321.5的发明专利公开了一种SPS烧结钛基复合材料及其制备方法，该方法通过Ti-6Al-4Sn-9Zr-1.21Nb-1.6Mo-0.3Si粉和纳米GNP粉末复合烧结制备而成。两种方法均通过等离子烧结(SPS)制备，但第一种烧结方法在烧结过程中SiCp为人为添加，并非原位生成，因此SiCp与钛基体结合的不够紧密，在力学性能测试过程中，常常成为裂纹的发生源，降低材料的整理的整体性能。而第二种烧结方法，Ti-6Al-4Sn-9Zr-1.21Nb-1.6Mo-0.3Si粉和纳米GNP粉末虽然能发生合金化，但样件的整体性能不仅与材料的选择有关，与结构也有重要的联系，而该方法只考虑了材料的性能，并没有在宏观尺度上考虑样件结构。
公开号为CN201920824473.1的发明专利公开了一种具有蜂窝结构的高强度抗冲击的复合墙板及其制备方法，这种高强度抗冲击复合墙板,包括板体,所述板体的内侧粘接有缓冲层,所述板体的外侧粘接有保温层,所述保温层的外侧粘接有三聚氰胺浸渍纸,所述三聚氰胺浸渍纸的外侧粘接有第一防水层；所述板体为铝蜂窝板,所述板体的两侧均具有凹槽,相邻两个板体通过铝扣件固定于墙面,所述缓冲层的内侧粘接有第二防水层；相邻的两个板体之间还插接有装饰板,所述装饰板的一侧与所述铝扣件相接触。将铝蜂窝板作为基层板,在铝蜂窝板的内侧粘接缓冲层,在铝蜂窝板的外侧依次粘接保温层和三聚氰胺浸渍纸,铝蜂窝板的稳定性较强,使得墙板本身的强度较高,抗冲击能力强。
发明内容
本发明提供一种基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基复合材料，通过钛合金组织特征模拟蜂窝边界和蜂窝主体结构。
一种仿蜂窝结构的抗冲击钛合金构件的等离子烧结制备方法，包括如下步骤：
将Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末进行球磨。
将球磨好的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末各自添加粘结剂使其混合均匀。
将添加粘合剂的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末分别装入送粉器。
通过送粉装置的注射器将Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末送入铺有石墨纸的石墨模具中实现，B4C为蜂窝边界，Ti-6Al-4V钛合金粉末为蜂窝主体。
将铺好的仿蜂窝结构抗冲击钛合金粉末进行等离子烧结，形成仿蜂窝结构抗冲击钛基复合材料块体。
该种蜂窝仿生材料的制备方法优点是：
(1)本发明制备的仿蜂窝抗冲击结构件在微观晶粒的尺度上，实现了与常见的硬材和软材交替增材结构件，且细化晶粒提高了力学性能；
(2)本发明制备的抗冲击钛合金构件受到外部冲击时，裂纹偏转、延长、分叉，有效地分散了应力，避免了应力集中，与单一钛合金材料相比提高了塑韧性等综合性能；
(3)本发明充分发挥等离子烧结温度低的特点，实现了蜂窝主体和蜂窝边界是均匀过渡的，符合蜂窝结构没有明显的过渡界面这一特征；
(4)本发明可实现仿蜂窝结构抗冲击钛合金复合材料宏量化制造；
(5)本发明通过每层旋转一定角度提高了仿蜂窝结构抗冲击钛合金复合材料的混乱度，能够显著改善仿蜂窝结构抗冲击钛合金复合材料抗冲击性能。
附图说明
图1为钛基仿生构型复材蜂窝结构层和透视结构示意图。
图2为钛基复合材料扫描电镜图。
图3为Ti-6Al-4V和1wt％B4C/Ti-6Al-4V钛基复合材料抗冲击试验曲线图(霍普金森杆)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做一步说明
一种基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛合金复合材料，通过钛合金和陶瓷组织特征模拟蜂窝结构，具体如下：
将Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末进行球磨；
将球磨好的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末各自添加粘结剂使其混合均匀；
将添加粘合剂的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末分别装入送粉器；
通过送粉装置的注射器将Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末送入铺有石墨纸的石墨模具中，B4C陶瓷粉末为蜂窝边界，Ti-6Al-4V钛合金粉末为蜂窝主体；
将铺好的仿蜂窝结构抗冲击钛合金粉末进行等离子烧结，形成仿蜂窝结构抗冲击钛基复合材料块体。
上述步骤中，送粉器将粉末按照蜂窝结构的比例，主体与边界的质量比为10:1注射进等离子烧结设备的石墨模具，实现第一步增材；然后通过等离子烧结制得仿蜂窝结构抗冲击钛合金复合材料实现第二步增材。
选用强韧性好的Ti-6Al-4V钛合金作为仿蜂窝结构的主体，选用硬度高的B4C陶瓷作为仿蜂窝结构的边界。
根据蜂窝结构上设计的仿蜂窝结构，蜂窝边界为等边六边形，每条边长为6mm，边界厚度为2mm，每层厚度为1mm，每层按照中心等边六边形蜂窝的顶点旋转5°。
通过气雾化制粉设备制造的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末尺寸在50μm左右，尺寸服从正态分布。
制备的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末需装入球磨机中进行球磨，球磨机转速为320r/min-400r/min，球磨时间为8-12h，球料比为4:1-6:1。
球磨好的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末添加PIM胶粘剂，放入送粉器中。
将添加胶粘剂的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末通过送分装置的注射器注入石墨模具中，Ti-6Al-4V钛合金粉末作为蜂窝结构的主体，B4C陶瓷粉末作为蜂窝结构的边界。
真空室的真空度为3Pa-5Pa，避免Ti-6Al-4V钛合金粉末在烧结过程中发生氧化。
在等离子烧结过程中以50℃/min-100℃/min升温至1000℃-1300℃，施加压力为30MPa-50MPa，确保等离子烧结的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料具有较高致密度。
实施例1
(1)根据蜂窝结构设计的仿蜂窝结构，分为蜂窝边界和蜂窝主体两部分，其中蜂窝边界尺寸为6mm的等边六边形，边界厚度为2mm，每层厚度为1mm，每层按照中心等边六边形蜂窝的顶点旋转5°；
(2)将尺寸为50μm气雾化的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末装入球磨机中进行球磨，球磨后的粉末添加粘合剂。
(3)将添加粘合剂的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末分别装入送粉器。
(4)通过送粉装置的注射器将Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末送入铺有石墨纸的石墨模具中，B4C陶瓷粉末作为蜂窝边界，Ti-6Al-4V钛合金粉末作为蜂窝主体。
(5)将铺好的仿蜂窝结构抗冲击钛合金和陶瓷粉末进行等离子烧结，形成仿蜂窝结构抗冲击钛基复合材料块体。
获得的块体扫描电镜图如2所示。
研究表明，蜂窝在拥有极高的强度同时还有着较好的韧性，其与蜜蜂分泌出的粘液蜡磷相比，力学性能可以提高几个数量级，这说明蜂窝良好的性能来源于其独特的多层次微结构。蜂窝分为两成层，蜂窝边界和蜂窝主体，蜂窝的每层都会有按照旋转中心就行一定角度的偏转，蜂窝边界和蜂窝主体的转变几乎看不到明显的过渡界面。
通过如图3所示，对个曲线所包围面积求取积分，Ti-6Al-4V曲线包围面积小于1wt％B4C/Ti-6Al-4V曲线包围面积，包围面积近类比于吸收冲击的能量，因此可得出，基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛合金复合材料吸收冲击功要比普通Ti-6Al-4V多。

Claims (9)

1.一种基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，通过钛合金和陶瓷组织特征模拟蜂窝结构，具体如下：
Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末进行球磨；
将球磨好的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末各自添加粘结剂使其混合均匀；
添加粘合剂的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末分别装入送粉器；
通过送粉装置的注射器将Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末送入铺有石墨纸的石墨模具中，B4C陶瓷粉末为蜂窝边界，Ti-6Al-4V钛合金粉末为蜂窝主体；
铺好的仿蜂窝结构抗冲击钛合金粉末进行等离子烧结，形成仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料块体；
其中，送粉器将粉末按照蜂窝结构的比例，主体与边界的质量比为10:1注射进等离子烧结设备的石墨模具，实现第一步增材；然后通过等离子烧结制得仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料实现第二步增材。
2.根据权利要求1所述的基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，选用强韧性好的Ti-6Al-4V钛合金作为仿蜂窝结构的主体，选用硬度高的B4C陶瓷作为仿蜂窝结构的边界。
3.根据权利要求1所述的基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，根据蜂窝结构上设计的仿蜂窝结构，蜂窝边界为等边六边形，每条边长为6mm，边界厚度为2mm，每层厚度为1mm，每层按照中心等边六边形蜂窝的顶点旋转5°。
4.根据权利要求1所述的基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，通过气雾化制粉设备制造的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末尺寸在50μm左右，尺寸服从正态分布。
5.根据权利要求1所述的基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，制备的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末需装入球磨机中进行球磨，球磨机转速为320r/min-400r/min，球磨时间为8-12h，球料比为4:1-6:1。
6.根据权利要求1所述的基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，球磨好的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末添加PIM胶粘剂，放入送粉器中。
7.根据权利要求1所述的基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，将添加胶粘剂的Ti-6Al-4V钛合金粉末和B4C陶瓷粉末通过送分装置的注射器注入石墨模具中，Ti-6Al-4V钛合金粉末作为蜂窝结构的主体，B4C陶瓷粉末作为蜂窝结构的边界。
8.根据权利要求1所述的基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，真空室的真空度为3Pa-5Pa，避免Ti-6Al-4V钛合金粉末在烧结过程中发生氧化。
9.根据权利要求1所述的基于二步法增材的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料，其特征在于，在等离子烧结过程中以50℃/min-100℃/min升温至1000℃-1300℃，施加压力为30MPa-50MPa，确保等离子烧结的仿蜂窝结构抗冲击钛基体复合材料具有较高致密度。
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Lightweight 3D printed Ti6Al4V-AlSi10Mg hybrid composite for impact resistance and armor piercing shielding;Ramin Rahmani etc.;《J MATER RES TECHNOL》;20201007;第9卷(第6期);第13842-13854页 *

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CN113699410A (zh) 2021-11-26

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