CN115533102A - 钛钢复合材料零部件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种钛钢复合材料零部件及其制备方法，所述钛钢复合材料零部件的制备方法包括以下步骤：制备钛合金喂料以及合金钢喂料；将所述钛合金喂料通过注射成型，制备得到钛合金基体；将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合材料零部件。本申请解决了现有技术制备的零部件难以同时满足低密度、高强度和高耐磨性的要求。
Description
技术领域
本申请涉及金属复合材料技术领域，尤其涉及一种钛钢复合材料零部件及其制备方法。
背景技术
随着5G(5th Generation Mobile Communication Technology，第五代移动通信技术)通信、区块链，云计算、下一代互联网技术等的发展，电子产品朝着更小型化、更轻盈化、更精密化的方向发展，手机，平板电脑，笔记本电脑，AR(Augmented Reality，增强现实)/VR(Virtual Reality，虚拟现实)的快速发展，金属精密零件作为消费电子产品重要的零件获得了较大发展。随着智能穿戴的发展，以穿戴式计算机为代表的AR/VR产品将快速发展，它们的体积更小、重量更轻、功能更强大，并于由于具有头部穿戴特性，其便携性更强，体验感更强。人体的头部对于穿戴产品的重量敏感度很高，过重的产品会让消费者产生不适感，降低了舒适度，因此发展轻量化材料结构件和功能件，是改善客户体验重要的发展方向。同时，像AR眼镜转轴等精密五金件，除了要求轻量化以外，由于其结构复杂，体积小，对其强度也具有较高的要求，防止在佩戴时或折叠时损坏，同时，像AR眼镜转轴等精密五金件在佩戴时会经历反复折叠，其整个寿命期内会折叠5万次以上，因此对转轴类的零件还要求高强度高耐磨特性。
然而，目前制作的零部件，难以同时满足低密度、高强度和高耐磨性的要求。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种钛钢复合材料零部件及其制备方法，旨在解决现有技术制备的零部件难以同时满足低密度、高强度和高耐磨性的要求。
为实现上述目的，本申请提供一种钛钢复合材料零部件的制备方法，所述钛钢复合材料零部件的制备方法包括以下步骤：
所述钛钢复合材料零部件的制备方法包括以下步骤：
制备钛合金喂料以及合金钢喂料；
将所述钛合金喂料通过注射成型，制备得到钛合金基体；
将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合材料零部件。
可选地，所述钛合金喂料包括钛合金粉末和第一粘结剂，所述合金钢喂料包括合金钢粉末和第二粘结剂。
可选地，所述钛合金粉末包括球形钛合金粉末，所述球形钛合金粉末的平均粒径小于45μm。
可选地，所述合金钢粉末包括球形合金钢粉末，所述球形合金钢粉末的平均粒径小于35μm。
可选地，所述合金钢粉末包括耐磨合金钢粉末。
可选地，所述钛合金基体的密度小于或等于4.5g/cm3，抗拉强度大于或等于900MPa。
可选地，所述钛钢复合材料零部件的密度小于或等于5g/cm3，抗拉强度大于或等于900MPa。
可选地，所述合金钢层的厚度大于或等于50μm，所述合金钢层的维氏硬度大于500。
可选地，所述在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层的步骤之后，还包括：
对所述合金钢层的进行表面粗糙度处理，以使得所述钛钢复合材料零部件的摩擦副表面对所述合金钢层表面的摩擦系数小于0.01。
本申请还提供一种钛钢复合材料零部件，所述钛钢复合材料零部件应用于头戴显示设备，所述钛钢复合材料零部件采用如上所述的钛钢复合材料零部件的制备方法加工得到，所述钛钢复合材料零部件包括：
钛合金基体；
以及包覆于所述钛合金基体的表面部分或全部区域的合金钢层。
本申请提供了一种钛钢复合材料零部件及其制备方法，通过制备钛合金喂料以及合金钢喂料，将所述钛合金喂料通过注射成型，制备得到钛合金基体，由于钛合金的强度与钢相当，但密度较小，约为4.5g/cm3，仅为钢的60％左右，以钛合金为原料制作的钛合金基体具有高强度低密度的优点，但钛合金材料耐磨性较差，进而通过将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合材料零部件，制备的所述钛钢复合材料零部件的主体为钛合金，钛合金表面耐磨部位复合有合金钢层，其中，钛合金主要起到轻量化效果，可以使得最终制备的钛钢复合材料零部件的密度不高于5g/cm3，钛合金基体的抗拉强度不低于900Mpa，也起到主承力的作用，钛合金表面的合金钢层主要起到耐磨作用，进而使得最终制备的钛钢复合材料零部件具有高强度、低密度和高耐磨性的优点，克服了现有技术制备的零部件难以同时满足低密度、高强度和高耐磨性的要求。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请钛钢复合材料零部件的制备方法的一实施例的流程示意图；
图2为本申请钛钢复合材料零部件的一实施例的结构示意图；
图3为本申请实施例1中复合齿轮的结构示意图；
图4为本申请实施例2中复合转轴的结构示意图；
图5为本申请实施例3中平面摩擦副的结构示意图；
图6为本申请实施例1-3中测试样条坯料的结构示意图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 10 | 钛合金基体 | 20 | 合金钢层 |
| 30 | 钛合金 | 40 | 合金钢 |
本申请目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
随着5G通信、区块链，云计算、下一代互联网技术等的发展，电子产品朝着更小型化、更轻盈化、更精密化的方向发展，手机，平板电脑，笔记本电脑，AR/VR的快速发展，金属精密零件作为消费电子产品重要的零件获得了较大发展。随着智能穿戴的发展，以穿戴式计算机为代表的AR/VR产品将快速发展，它们的体积更小、重量更轻、功能更强大，并于由于具有头部穿戴特性，其便携性更强，体验感更强。人体的头部对于穿戴产品的重量敏感度很高，过重的产品会让消费者产生不适感，降低了舒适度，因此发展轻量化材料结构件和功能件，是改善客户体验重要的发展方向。同时，像AR眼镜转轴等精密五金件，除了要求轻量化以外，由于其结构复杂，体积小，对其强度也具有较高的要求，防止在佩戴时或折叠时损坏，同时，像AR眼镜转轴等精密五金件在佩戴时会经历反复折叠，其整个寿命期内会折叠5万次以上，因此对转轴类的零件还要求高强度高耐磨特性。
对于轻量化而言，目前常选用铝合金和镁合金等低密度材料，然而由于铝合金和镁合金的绝对强度较低，一般只能用作壳体材料，并不适用于制作精密转轴等小型精密五金件，合金钢材质的强度较高，可用于制作手机卡托、顶针、齿轮精密转轴等小型精密五金件，但合金钢密度较高，仍不适用于对轻量化有强烈诉求的智能穿戴产品，例如AR/VR产品。钛合金材料虽然具有低密度和高强度的优点，但耐磨性较差，无法适应智能穿戴产品上小精精密五金件的耐磨性要求。即，以现有材料目前制作的零部件，难以同时满足低密度、高强度和高耐磨性的要求。
本申请实施例提供一种钛钢复合材料零部件的制备方法，在本申请钛钢复合材料零部件的制备方法的一实施例中，参照图1，所述钛钢复合材料零部件的制备方法包括：
步骤S10，制备钛合金喂料以及合金钢喂料；
在本实施例中，需要说明的是，所述钛钢复合材料零部件的制备方法应用于制备微小型精密零部件，主要用于制备有轻量化需求又有高强度和高耐磨性需求的小型电子设备中的机械零部件，例如微小轴承、转轴、滚珠、齿轮等高频次运动的部件，所述小型电子设备包括AR/VR产品、蓝牙耳机盒、智能手表等，尤其是可穿戴电子产品中的转轴、表冠等零部件。
具体地，以钛合金材料为原料，添加粘结剂等助剂，经过混炼、制粒，制成钛合金喂料；以合金钢材料为原料，添加粘结剂等助剂，经过混炼、制粒，制成合金钢喂料，其中，所述钛合金材料为用钛和其他金属制成的合金金属材料，例如TC4钛合金(元素组成为Ti-6Al-4V的钛合金)、TC10钛合金(元素组成为Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe的钛合金)、TC3钛合金(元素组成为Ti-5Al-4V的钛合金)、TA7钛合金(元素组成为Ti-5Al-2.5Sn的钛合金)等，所述合金钢材料为在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金材料，例如Mn13高锰钢、17-4PH合金不锈钢、GCr15钢(高碳铬轴承钢)等，所述粘结剂包括聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、硬脂酸、聚甲醛、聚丙烯等中的一种或多种，所述混炼和所述制粒的具体工艺参数可以根据实际情况进行确定，本实施例对此不加以限制，所述粘结剂可以根据实际情况购买市售粘结剂或者自行配置，具体成分和配比本实施例不加以限制。
可选地，所述钛合金喂料包括钛合金粉末和第一粘结剂，所述合金钢喂料包括合金钢粉末和第二粘结剂。
在本实施例中，具体地，所述钛合金喂料包括钛合金粉末和第一粘结剂，所述第一粘结剂包括聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、硬脂酸、聚甲醛、聚丙烯等中的一种或多种，所述合金钢喂料包括合金钢粉末和第二粘结剂，所述第二粘结剂包括聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、硬脂酸、聚甲醛、聚丙烯等中的一种或多种，所述第一粘结剂与所述第二粘结剂可以相同或不同，本实施例对此不加以限制。
可选地，所述钛合金粉末包括球形钛合金粉末，所述球形钛合金粉末的平均粒径小于45μm。
在本实施例中，所述钛合金粉末包括球形钛合金粉末，所述球形钛合金粉末的平均粒径小于45μm，其中，所述球形钛合金粉末的平均粒径与所述合金钢粉末的平均粒径不同，且大于所述合金钢粉末的平均粒径，以使得后续烧结过程中，钛和钢能够相互扩散，形成金属键，而紧密结合。
可选地，所述合金钢粉末包括球形合金钢粉末，所述球形合金钢粉末的平均粒径小于35μm。
在本实施例中，具体地，所述合金钢粉末包括球形合金钢粉末，所述球形合金钢粉末的平均粒径小于35μm，其中，所述球形合金钢粉末的平均粒径与所述钛合金粉末的平均粒径不同，且小于所述钛合金粉末的平均粒径，以使得后续烧结过程中，钛和钢能够相互扩散，形成金属键，而紧密结合。
可选地，所述合金钢粉末包括耐磨合金钢粉末。
在本实施例中，具体地，所述耐磨合金钢是一类用于磨损工况的特殊性能钢，其主要特征是在磨损条件下具有较高的强度、硬度韧性和耐磨性，以提高最终制备的钛钢复合材料零部件的强度和耐磨性。
在一种可实施的方式中，所述制备钛合金喂料的步骤包括：
将钛合金粉末以及粘结剂等助剂加入密炼机并充入氩气，在170℃以下，例如170℃、160℃、145℃等，以30-50r/min的速度，例如30r/min、40r/min、50r/min等，混炼1-3小时，例如1h、2h、2.5h、3h等，冷却后，破碎造粒，得到钛合金喂料。
在一种可实施的方式中，所述制备合金钢喂料的步骤包括：
将合金钢粉末以及粘结剂等助剂加入密炼机并充入氩气，在170℃以下，例如170℃、160℃、145℃等，以30-50r/min的速度，例如30r/min、40r/min、50r/min等，混炼1-3小时，例如1h、2h、2.5h、3h等，冷却后，破碎造粒，得到合金钢喂料。
步骤S20，将所述钛合金喂料通过注射成型，制备得到钛合金基体；
在本实施例中，具体地，通过注射成型机，将所述钛合金喂料注射到预设基体模具中，制备得到钛合金基体，其中，注射成型的工艺条件可以根据实际情况进行测试、设计和调整，本实施例对此不加以限制。粉末注射成型工艺，工艺成熟，产业链完整，可大规模量产，成本低廉。
可选地，所述钛合金基体的密度小于或等于4.5g/cm3，抗拉强度大于或等于900MPa。
在本实施例中，所述钛合金基体的主要贡献在于轻量化和提高强度，故所述钛合金基体的密度要小于或等于4.5g/cm3，抗拉强度要大于或等于900MPa，才能使得最终制备的所述钛钢复合材料零部件的密度小于或等于5g/cm3，抗拉强度大于或等于900MPa。
在一种可实施的方式中，所述注射成型的参数包括：
模具温度30-50℃，例如30℃、40℃、44℃、50℃等，射嘴温度180-200℃，例如180℃、186℃、190℃、200℃等，注射压力1400-1600bar，例如1400bar、1480bar、1500bar、1600bar等，保压1000bar，冷却时间4-8s，例如4s、6s、8s等。
步骤S30，将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合材料零部件。
在本实施例中，具体地，将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合材料零部件，所述钛钢复合材料零部件由钛合金基体，以及包覆于所述钛合金基体的表面部分或全部区域的合金钢层组成，其中，注射成型的工艺条件可以根据实际情况进行测试、设计和调整，本实施例对此不加以限制。
可选地，所述钛钢复合材料零部件的密度小于或等于5g/cm3，抗拉强度大于或等于900MPa。
在本实施例中，所述钛钢复合材料零部件的密度小于或等于5g/cm3，以降低所述钛钢复合材料零部件的质量，从而降低用所述钛钢复合材料零部件加工的智能穿戴产品的质量，提高人体穿戴智能穿戴产品时的舒适度，抗拉强度大于或等于900MPa，以延长所述钛钢复合材料零部件在智能穿戴设备中的使用寿命。
可选地，所述合金钢层的厚度大于或等于50μm，所述合金钢层的维氏硬度大于500。
在本实施例中，所述合金钢层的主要贡献在于轻量化和提高强度和耐磨性，通过电镀和磁控溅射的方式加工的涂层的厚度较薄，耐磨性不足，激光熔覆虽然可以加工出较厚的涂层，达到足够的耐磨性，但是激光熔覆的加工方式难以适用微小型零部件，且加工得到的涂层的粗糙度较大，微小型零部件后期抛光困难，本实施例通过嵌套式注射成型直接在钛合金基体的表面加工出合金钢层，可以加工出厚度大于或等于50μm，较厚的合金钢层，所述合金钢层的厚度可以为50μm、72μm、118μm等，厚度大于或等于50μm的合金钢层的硬度也较大，维氏硬度可大于500，从而可以有效提高制备的钛钢复合材料零部件的强度。
可选地，所述在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层的步骤之后，还包括：
对所述合金钢层的进行表面粗糙度处理，以使得所述钛钢复合材料零部件的摩擦副表面对所述合金钢层表面的摩擦系数小于0.01。
在本实施例中，具体地，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层的步骤之后，还可以对加工的所述合金钢层的表面进行打磨、抛光、涂抹润滑油等表面粗糙度处理，以使得所述合金钢层表面形成粗糙度低于Ra0.3的致密结构，或微孔含油结构，进而使得所述钛钢复合材料零部件的摩擦副表面对所述合金钢层表面的摩擦系数小于0.01，其中，所述微孔含油结构为含有润滑油的微孔结构，含油量为5％-20％，例如5％、12％、20％等，所述润滑油可以为市售的润滑油产品，本实施例对此不加以限制，通过表面粗糙度处理降低表面粗糙度和/或摩擦力，以减小所述钛钢复合材料零部件在使用时的摩擦损伤，进而提高所述钛钢复合材料零部件的耐磨性。
目前，可以通过电镀、磁控溅射、激光熔覆等的方式在钛合金表面加工的涂层，然而，通过电镀或磁控溅射的方式加工的涂层的厚度较薄，耐磨性不足，激光熔覆虽然可以加工出较厚的涂层，达到足够的耐磨性，但是激光熔覆的加工方式难以适用微小型零部件，且加工得到的涂层的粗糙度较大，微小型零部件后期抛光困难，而本实施例是通过嵌套式注射成型直接在钛合金基体的表面加工出合金钢层，可以加工出厚度大于或等于50μm，较厚的合金钢层，厚度大于或等于50μm的合金钢层的硬度也较大，维氏硬度可大于500，从而可以有效提高制备的钛钢复合材料零部件的强度，且通过粉末注射成型加工合金钢层，可以无需新增加工设备，与电镀、磁控溅射、激光熔覆等的方式相比，更环保，量产性高，成本低廉，可以大批量工业化生产。
在一种可实施的方式中，所述将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合材料零部件的步骤包括：
所述将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合坯料；
将所述钛钢复合坯料进行脱脂、高温烧结和后处理，得到钛钢复合材料零部件。
在本实施方式中，具体地，所述将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合坯料之后，还可以进一步对所述钛钢复合坯料进行脱脂，并在惰性气体保护下进行一段时间的高温烧结，冷却后，进行整形、抛光和/或涂抹润滑油等后处理，对零件进行表面加工，降低表面粗糙度和/或摩擦力，以减小所述钛钢复合材料零部件在使用时的摩擦损伤，进而提高所述钛钢复合材料零部件的耐磨性，得到低密度、高强度和高耐磨性钛钢复合材料零部件，其中，所述高温烧结温度为1100-1300℃，所述合金钢层经过后处理后的表面粗糙度低于Ra0.3，后处理后的合金钢层的表面可以为致密结构，也可以为微孔含油结构，所述微孔含油结构的含油量为5％-20％。
在本实施例中，通过制备钛合金喂料以及合金钢喂料，将所述钛合金喂料通过注射成型，制备得到钛合金基体，由于钛合金的强度与钢相当，但密度较小，约为4.5g/cm3，仅为钢的60％左右，以钛合金为原料制作的钛合金基体具有高强度低密度的优点，但钛合金材料耐磨性较差，进而通过将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合材料零部件，制备的所述钛钢复合材料零部件的主体为钛合金，钛合金表面耐磨部位复合有钢层，其中，钛合金主要起到轻量化效果，可以使得最终制备的钛钢复合材料零部件的密度不高于5g/cm3，钛合金基体的抗拉强度不低于900Mpa，也起到主承力的作用，钛合金表面的合金钢层主要起到耐磨作用，进而使得最终制备的钛钢复合材料零部件具有高强度、低密度和高耐磨性的优点，克服了现有技术制备的零部件难以同时满足低密度、高强度和高耐磨性的要求。
进一步地，本发明还提供了一种钛钢复合材料零部件，所述钛钢复合材料零部件应用于头戴显示设备，所述钛钢复合材料零部件采用如上所述的钛钢复合材料零部件的制备方法制备得到，在本申请钛钢复合材料零部件的一实施例中，参照图2，所述钛钢复合材料零部件包括：
钛合金基体10；
以及包覆于所述钛合金基体10表面部分或全部区域的合金钢层20。
在本实施例中，需要说明的是，所述钛钢复合材料零部件为应用于头戴显示设备的微小型精密零部件，在一种可实施的方式中，所述钛钢复合材料零部件重量小于50g。
具体地，所述钛钢复合材料零部件包括钛合金基体10，以及包覆于所述钛合金基体10表面部分或全部区域的合金钢层20，所述合金钢层20可以完全包裹所述钛合金基体10的表面，也可以仅包覆在所述钛合金基体10表面可能会与其他零部件产生摩擦的、有耐磨需求的区域上，例如齿轮的齿尖部分、转轴的衔接处、摩擦副的接触面等，进而使得所述钛钢复合材料零部件与其他零部件接触摩擦时，耐磨性较差的钛合金基体10可以较好地受到外部耐磨性较好的合金钢层20的保护，降低摩擦损伤，提高所述钛钢复合材料零部件的耐磨性。
本申请提供的钛钢复合材料零部件，解决了现有技术制备的零部件难以同时满足低密度、高强度和高耐磨性的要求。与现有技术相比，本发明实施例提供的钛钢复合材料零部件的有益效果与上述实施例的钛钢复合材料零部件的制备方法的有益效果相同，在此不做赘述。
为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的钛钢复合材料零部件及其制备方法和应用进行具体地描述。本发明实施例均采用商品化的市售原料。
实施例1
参照图3，材料及零件设计：制备微型复合齿轮，齿轮参数如下：齿数15，压力角25度，齿顶圆直径3.5mm，齿根圆直径2.8mm，直齿，齿轮厚度2.5mm，钛合金基体原料选用TC4钛合金，在齿轮的齿尖加工合金钢层，所述合金钢层原料选用Mn13耐磨合金钢，所述合金钢层的厚度约86μm。同步按GB/T228.1-2010设计测试样条坯料，其中左半边为TC4钛合金，右半边为Mn13耐磨合金钢，参照图6，图6中左侧为TC4钛合金制备的钛合金30，右侧为Mn13耐磨合金钢制备的合金钢40。
粉末注射成型：将D90(一个样品的累计粒度分布数达到90％时所对应的粒径)为45μm的TC4钛合金粉末与粘结剂按体积比70:30装入密炼机并充入氩气，所述粘结剂为体积比为75:23:2的聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯和硬脂酸，在170℃下以40r/min的速度混炼2小时并造粒，制成钛合金喂料，使用注射成型机将上述钛合金喂料注入模具，制成钛合金基体10和拉伸棒坯料，注射参数为：模具温度40℃，射嘴温度190℃，注射压力1500bar，保压1000bar，冷却时间6s，将D90为35μm的Mn13合金钢粉末通过注射成型机，在相同的注射参数的条件下，注射在钛合金基体10的齿尖部位，形成合金钢层20，所述合金钢层的厚度约82μm，并以相同加工方式在拉伸棒坯料的右侧加工合金钢，得到齿轮和测试样条坯料。
脱脂烧结：在40L/min氩气流通环境中，以2℃/min升温至600℃热脱脂2小时，得到热脱脂坯；在气压为5.0×10-2Pa的真空下，以5℃/min升温至1000℃，保温10分钟，而后通入氩气40L/min，继续升温至1250℃烧结，保压5小时后随炉冷却至室温。
测试：将实施例1制备的测试样条坯料按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，测得钛钢复合界面的抗拉强度956MPa，按照GB/T4340.1-1999测试钛合金和合金钢的维氏硬度分别为265和438；本发明实施例1制备的镁锂合金材料的性能指标详见表1。
实施例2
参照图4，材料及零件设计：制备微型复合转轴，转轴直径3.5mm，长度8mm，钛合金基体原料选用TC10钛合金，在转轴一端表面加工合金钢层，所述合金钢层原料选用17-4PH合金不锈钢，所述合金钢层的厚度约105μm。同步按GB/T228.1-2010设计测试样条坯料，其中左半边为TC10钛合金，右半边为17-4PH合金不锈钢，参照图6，图6中左侧为TC10钛合金制备的钛合金30，右侧为17-4PH合金不锈钢制备的合金钢40。
粉末注射成型：将D90为35μm的TC10钛合金粉末与粘结剂按体积比75:25装入密炼机并充入氩气，所述粘结剂为体积比为70:25:5的聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯和硬脂酸，在160℃下以30r/min的速度混炼3小时并造粒，制成钛合金喂料，使用注射成型机将上述钛合金喂料注入模具，制成钛合金基体和拉伸棒坯料，注射参数为：模具温度50℃，射嘴温度200℃，注射压力1400bar，保压1000bar，冷却时间8s，将D90为30μm的17-4PH合金不锈钢通过注射成型机，在相同的注射参数的条件下，注射在在转轴的耐磨部位形成合金钢层，所述合金钢层的厚度约120μm，并以相同加工方式在拉伸棒坯料的右侧加工合金钢，得到转轴和测试样条坯料。
脱脂烧结：在40L/min氩气流通环境中，以2℃/min升温至600℃热脱脂2小时，得到热脱脂坯；在气压为5.0×10-2Pa的真空下，以5℃/min升温至1000℃，保温10分钟，而后通入氩气30L/min，继续升温至1200℃烧结，保压5小时后随炉冷却至室温。
测试：将实施例2制备的测试样条坯料按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，测得钛钢复合界面的抗拉强度1053MPa，按照GB/T4340.1-1999测试钛合金和合金钢的维氏硬度分别为326和403；本发明实施例1制备的镁锂合金材料的性能指标详见表1。
实施例3
参照图5，材料及零件设计：制备微型平面摩擦副，平面尺寸5*10*15mm，钛合金基体原料TC3钛合金，在平面摩擦副的表面加工合金钢层，所述合金钢层原料选用GCr15耐磨轴承钢，所述合金钢层的厚度约135μm。同步按GB/T228.1-2010设计测试样条坯料，其中左半边为TC3钛合金，右半边为GCr15钢，参照图6，图6中左侧为TC3钛合金制备的钛合金30，右侧为GCr15钢制备的合金钢40。
粉末注射成型：将D90为40μm的TC3钛合金粉末与粘结剂按体积比65:35装入密炼机并充入氩气，所述粘结剂为体积比为80:15:5的聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯和硬脂酸，在150℃下以50r/min的速度混炼1小时并造粒，制成钛合金喂料，使用注射成型机将上述钛合金喂料注入模具，制成钛合金基体和拉伸棒坯料，注射参数为：模具温度30℃，射嘴温度180℃，注射压力1600bar，保压1000bar，冷却时间3s，将D90为32μm的GCr15耐磨轴承钢通过注射成型机，在相同的注射参数的条件下，注射在平面摩擦副的摩擦副部位，厚度约150μm，并以相同加工方式在拉伸棒坯料的右侧加工合金钢，得到平面摩擦副和测试样条坯料。
脱脂烧结：在40L/min氩气流通环境中，以2℃/min升温至600℃热脱脂2小时，得到热脱脂坯；在气压为5.0×10-2Pa的真空下，以5℃/min升温至1000℃，保温10分钟，而后通入氩气40L/min，继续升温至1300℃烧结，保压4小时后随炉冷却至室温。
测试：将实施例3制备的测试样条坯料按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，测得钛钢复合界面的抗拉强度953MPa，按照GB/T4340.1-1999测试钛合金和合金钢的维氏硬度分别为356和463；本发明实施例1制备的镁锂合金材料的性能指标详见表1。
对比例
材料及零件设计：TC4钛合金测试样条坯料。
粉末注射成型：将D90为40μm的TC4钛合金粉末与粘结剂按体积比70:30装入密炼机并充入氩气，所述粘结剂为体积比为75:23:2的聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯和硬脂酸，在170℃下以40r/min的速度混炼2小时并造粒，制成钛合金喂料，使用注射成型机将上述钛合金喂料注入模具，制成拉伸棒坯料，注射参数为：模具温度40℃，射嘴温度190℃，注射压力1500bar，保压1000bar，冷却时间6s，得到测试样条坯料。
脱脂烧结：在40L/min氩气流通环境中，以2℃/min升温至600℃热脱脂2小时，得到热脱脂坯；在气压为5.0×10-2Pa的真空下，以5℃/min升温至1000℃，保温10分钟，而后通入氩气40L/min，继续升温至1200℃烧结，保压3小时后随炉冷却至室温。
测试：将对比例制备的测试样条坯料按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，测得抗拉强度853MPa，按照GB/T4340.1-1999测试钛合金的维氏硬度为236；本发明对比例制备的钛合金材料的性能指标详见表1。
表1本发明实施例制备的复合材料性能指标
从表1可知，与钛合金材料零部件相比，表面包覆有合金钢层的钛钢复合材料零部件，拉抗强度更高，合金钢层的硬度高于钛合金基体的硬度，故而在合金钢层表面进行摩擦时的耐磨性高于在钛合金表面进行摩擦时的耐磨性，故而可以提高钛钢复合材料零部件的耐磨性，且包覆于钛合金基体后，还可以有效提高钛合金基体的硬度，进而提高钛钢复合材料零部件的强度。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利处理范围内。
Claims (10)
1.一种钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述钛钢复合材料零部件的制备方法包括以下步骤：
制备钛合金喂料以及合金钢喂料；
将所述钛合金喂料通过注射成型，制备得到钛合金基体；
将所述合金钢喂料通过嵌套式注射成型，在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层，得到钛钢复合材料零部件。
2.如权利要求1所述的钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述钛合金喂料包括钛合金粉末和第一粘结剂，所述合金钢喂料包括合金钢粉末和第二粘结剂。
3.如权利要求2所述的钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述钛合金粉末包括球形钛合金粉末，所述球形钛合金粉末的平均粒径小于45μm。
4.如权利要求2所述的钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述合金钢粉末包括球形合金钢粉末，所述球形合金钢粉末的平均粒径小于35μm。
5.如权利要求2所述的钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述合金钢粉末包括耐磨合金钢粉末。
6.如权利要求1所述的钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述钛合金基体的密度小于或等于4.5g/cm3，抗拉强度大于或等于900MPa。
7.如权利要求1所述的钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述钛钢复合材料零部件的密度小于或等于5g/cm3，抗拉强度大于或等于900MPa。
8.如权利要求1所述的钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述合金钢层的厚度大于或等于50μm，所述合金钢层的维氏硬度大于500。
9.如权利要求1所述的钛钢复合材料零部件的制备方法，其特征在于，所述在所述钛合金基体的表面的耐磨区域加工合金钢层的步骤之后，还包括：
对所述合金钢层的进行表面粗糙度处理，以使得所述钛钢复合材料零部件的摩擦副表面对所述合金钢层表面的摩擦系数小于0.01。
10.一种钛钢复合材料零部件，其特征在于，所述钛钢复合材料零部件应用于头戴显示设备，所述钛钢复合材料零部件采用如权利要求1至9任一项所述的钛钢复合材料零部件的制备方法制备得到，所述钛钢复合材料零部件包括：
钛合金基体；
以及包覆于所述钛合金基体的表面部分或全部区域的合金钢层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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