CN116516196B - 一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116516196B CN116516196B CN202310236272.0A CN202310236272A CN116516196B CN 116516196 B CN116516196 B CN 116516196B CN 202310236272 A CN202310236272 A CN 202310236272A CN 116516196 B CN116516196 B CN 116516196B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- composite material
- titanium
- container
- framework
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 41
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 55
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 17
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 20
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 12
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 7
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 6
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 5
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 4
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000000643 oven drying Methods 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000002932 luster Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/11—Making porous workpieces or articles
- B22F3/1121—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers
- B22F3/1134—Inorganic fillers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
- B22F3/15—Hot isostatic pressing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
- B22F7/02—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
- C22C32/0073—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only borides
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法，包括下述的步骤：将纯钛粉和二硼化钛粉混合，得到混合粉；将混合粉利用3D打印技术制备出材料骨架；将材料骨架置于容器中，将TC4金属粉末填充到骨架和容器之间的间隙内；将容器置于热等静压炉内进行烧结，形成致密的块状金属复合材料。本发明制备的具有类珍珠层纹理结构的高强耐磨损钛基复合材料，具有更好的应变硬化效果，耐磨性提高约30%~50%，同时屈服强度大幅度提高，达到880MPa以上。
Description
技术领域
本发明属于合金材料领域，尤其涉及一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法。
背景技术
钛合金是一种极其重要的金属材料，它具有良好的比强度和耐腐蚀性，而且生物相容性好，已被应用于诸如航空、军事、空间、深海探测等领域。例如，杨氏模量低的钛合金大致用于制造适合于生物体的产品、附件、弹簧等。
由于钛合金的强度较低而限制了其进一步发展，同时贵重金属原料钒的大量加入，使得钛合金的成本上升而抗氧化性下降。随着科技的发展及需求的不断增加， 对钛合金综合性能的要求也越来越高。基于此，有人提出在钛合金表面上镀覆硬质涂层，但经过该种技术处理后失去了合金原有的金属光泽并且母材本身容易损伤，达不到预期的效果。因此，近年来对于成本较低而综合性能优良的钛合金TC4（Ti-6Al-4V）研发越来越受到人们的重视。
传统钛合金（如TC4）机械强度尤其是耐磨性能仍然不太理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高强耐磨损钛基仿生复合材料的制备方法，包括下述的步骤：
（1）将纯钛粉和二硼化钛粉混合，得到混合粉Ti-TiB2，其中TiB2占混合粉的质量百分数为0.5~1.5%；
（2）将混合粉利用3D打印技术制备出材料骨架，3D打印采用SLM工艺，扫描方式采用锯齿形扫描方式，扫描角度在前一层基础上旋转90°，即相邻两层扫描方向呈90°，交替进行，形成多孔层状的材料骨架；
（3）将材料骨架置于容器中，通过振动的方式将TC4金属粉末填充到骨架和容器之间的间隙内；
（4）将容器置于热等静压炉内进行烧结，形成致密的块状金属复合材料，即高强耐磨损钛基仿生复合材料。
作为进一步的改进，步骤（1）所述纯钛粉粒度分布为15-30 µm，二硼化钛粉粒度分布为2-10 µm。
作为进一步的改进，步骤（1）所述纯钛粉和二硼化钛粉先分别在150~250℃ 的环境下烘干，再混合。
作为进一步的改进，步骤（2）所述3D打印参数：输入功率400~800W，扫描速度800~1200 mm/s，层厚25~35 µm。
作为进一步的改进，步骤（2）还包括：将制备的材料骨架喷砂处理并去除氧化层，去除氧化层采用Kroll试剂。
作为进一步的改进，步骤（3）所述TC4粉末粒度分布为10-30 µm。
作为进一步的改进，步骤（3）所述容器为圆柱形低碳钢包套，使内部粉末填充密实，然后将容器密封。
作为进一步的改进，步骤（4）所述烧结在惰性氛围进行，烧结温度900~1000°C，压力控制在100~200 MPa，烧结时间在3~5h。
本发明提供的一种高强耐磨损钛基仿生复合材料，采用所述的方法制备而成，其中TC4填充在所述材料骨架规则的孔洞中，形成TC4与Ti-TiB2交替排布的层状结构。
作为进一步的改进，材料屈服强度在880MPa以上，耐磨性能测试中平均磨损量在5.4 mg以下。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将纯钛和TiB2 进行混粉并利用 3D 打印（SLM）工艺制备多孔层状的材料骨架，之后通过热等静压的方式制备具有类珍珠层纹理（仿生砖墙）结构的高强耐磨损钛基复合材料。复合材料由于特殊纹理具有了非均匀微观结构使得该复合材料具有更好的应变硬化效果，同时不同取向的层状结构在磨损发生时逐渐与工件磨损方向一致也会对耐磨性能的提高做出巨大贡献，制备得的复合材料耐磨性提高约30%~50%，同时屈服强度大幅度提高，达到880MPa以上。
本发明通过控制混粉中TiB2比例来达到满足具体工作环境中对钛合金的高强及磨损性能的要求，从而满足市场的实际需求。
本发明方法简单，影响因素小，可将工艺参数与所获得的组织形貌和性能线性关联，可以丰富目前耐磨钛合金的制备工艺问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 3D打印激光扫描方式及形成的类似砖墙结构的材料骨架，(a）扫描方式; (b)材料骨架；
图2 金属粉末粒度分布SEM图，(a）CP-Ti金属粉末SEM图；(b) TiB2 金属粉末SEM图;(c)机械混粉SEM图；
图3 混粉比例为99：1的高强耐磨损钛基仿生复合材料微观形貌 (a) TC4与Ti-TiB2交替排布的层状SEM图；(b) 仿生复合材料界面形貌；(c) Ti-TiB2区域SEM图；
图4 混粉比例为99：1的高强耐磨损钛基仿生复合材料不同区域的硬度分布；
图5 混粉比例为99：1的高强耐磨损钛基仿生复合材料与普通CP-Ti的拉伸性能对比（采用GB/T 228.1-2010的方法测试）；
图6 混粉比例为99：1的高强耐磨损钛基仿生复合材料断口形貌, (a)200μm尺度；(b)50μm尺度；
图7 混粉比例为99：1的高强耐磨损钛基仿生复合材料EBSD图 (a) 取向分布；(b)位错密度分布；(c) 位错密度统计图；
图8 普通TC4与不同混粉比例（99：1）高强耐磨损钛基仿生复合材料的耐磨性能对比（耐磨性能测试方法：TC4钛合金表面激光熔覆WC增强镍基复合涂层的组织及耐磨性[J].稀有金属材料与工程,2022,51(08):2907-2914.）；
图9 普通TC4与不同混粉比例（98.5：1.5）高强耐磨损钛基仿生复合材料的耐磨性能对比；
图10 普通TC4与不同混粉比例（99.5：0.5）高强耐磨损钛基仿生复合材料的耐磨性能对比。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
在一些实施方式中，本发明的高强耐磨损钛基仿生复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1），将烘干后的纯钛粉和二硼化钛粉（TiB2）混合，得到混合粉Ti-TiB2。TiB2作为陶瓷相，可明显的提升耐磨性能。烘干除去水分避免氧化。优选采用粉末粒度分布为15-30 µm的纯钛粉，粒度分布为2-10 µm的二硼化钛粉。当粉末粒径较小时，在相同粉末质量的条件下，粉末总表面积增大，且熔化小尺寸颗粒粉末所需的能量相比大尺寸颗粒更少。当3D打印的扫描速度、激光功率、预置的粉末厚度一定时，小粒径粉末分解得更彻底，随着粉末的熔化，熔融液体向两侧流淌，所以熔高较低。TiB2占混合粉的质量百分数优选为0.5~1.5%，含量太大或太小都会导致耐磨性能下降，更优选0.8~1.2%，耐磨性能更突出。
步骤（2），将混合粉利用3D打印技术制备出材料骨架。3D打印采用选择性激光熔化工艺（SLM），扫描方式采用锯齿形扫描方式（沿预定方向扫描预定距离，然后折返反向扫描）以减小层间热应力，扫描角度在前一层上旋转90°，即相邻两层扫描方向呈90°，交替进行（如图1左图所示），以形成多孔层状的材料骨架（如图1右图示意），骨架结构有规则的孔洞，以便后续步骤在孔洞中填充TC4粉末，形成仿生砖墙结构。
在一些实施例中，3D打印参数：输入功率400~800W，扫描速度800~1200 mm/s，扫描间距为0.08~0.12mm（优选0.1mm），层厚25~35 µm。
优选的，将上述制备的材料骨架采用喷砂处理表面未熔化的颗粒，然后去除氧化层。去除氧化层可以采用Kroll试剂（1 mL氢氟酸+3 mL硝酸 +100 mL蒸馏水）处理。
步骤（3），将材料骨架置于容器（例如圆柱形低碳钢包套）中，通过振动（例如机械共振）的方式将TC4（Ti-6Al-4V）金属粉末填充到骨架和容器之间的间隙内，使内部粉末填充密实并将容器密封。Ti-TiB2主要提高耐磨性，TC4主要是增加材料强度和韧性。TC4粉末粒度分布优选为10-30 µm。
步骤（4），将容器置于热等静压炉内进行烧结形成致密的块状金属复合材料，即高强耐磨损钛基仿生复合材料。在一些实施例中，烧结在惰性氛围进行，烧结温度900~1000°C，压力控制在100~200 MPa，烧结时间在3~5h。
所得复合材料为具有类珍珠层纹理的仿生砖墙结构，该结构是本发明设计然后经3D打印制备出来，如图1右图示意，TC4填充在骨架规则的孔洞中，形成TC4与Ti-TiB2交替排布的层状结构（如图3），类似一层砖一层水泥的砖墙（或珍珠层）结构，所以称之为仿生砖墙结构。
复合材料由于类珍珠层的特殊纹理，具有了非均匀微观结构使得该复合材料具有更好的应变硬化效果，同时不同取向的层状结构在磨损发生时逐渐与工件磨损方向一致也会对耐磨性能的提高做出巨大贡献。
实施例一
1. 将粉末粒度分布为15-30 µm的商业纯钛粉末（CP-Ti）和粒度分布为2-10 µm的二硼化钛粉末（TiB2）分别在 200℃ 环境下烘干，然后按（Ti 为99%，TiB2为1%）的比例机械混合均匀，得到混合粉Ti-TiB2，混合粉SEM图如图2所示；
2. 将步骤①的混合粉利用3D打印技术（SLM）制备出多孔层状的材料骨架，扫描方式采用锯齿形扫描方式，扫描角度在前一层上旋转90°交替进行，3D打印参数为输入功率500W，扫描速度1000 mm/s，扫描间距0.1mm，层厚30 µm；
3. 步骤②制备出的材料骨架采用喷砂处理表面未熔化的颗粒，随后放入Kroll试剂（1 mL氢氟酸+3 mL硝酸 +100 mL蒸馏水）10秒钟，然后用酒精清洗；
4. 将步骤③的骨架置于圆柱形低碳钢包套中，骨架尺寸为15 mm×15 mm×80mm，容器为圆柱形状，其内径Ø=20 mm，通过振动（机械共振）的方式将TC4金属粉末填充到骨架和包套之间的间隙内，TC4粉末粒度分布为10-30 µm；将低碳钢包套盖盖紧，保证内部粉末填充密实，以焊接的方法将容器密封；
5. 将低碳钢包套放入热等静压炉内，炉内充入氩气，加热至930°C，压力控制在150 MPa左右，焙烧4h后形成致密的块状金属复合材料，即得到所需高强耐磨损钛基仿生复合材料。
其微观形貌如图3所示，TC4与Ti-TiB2交替排布的层状结构明显，Ti-TiB2衬度较黑，同时在Ti-TiB2区TiB2分布均匀呈板条状；同时对两结构的硬度分别测试，如图4所示Ti-TiB2的硬度为404HV明显高于TC4结构；此外如图5所示高强耐磨损钛基仿生复合材料的屈服强度为889MPa远高于与纯Ti的屈服强度；在对断口的形貌观察中发现裂纹较为平直并存在脆性剪切带如图6所示；在EBSD测试中如图7所示我们发现位错密度在Ti-TiB2区域中明显高的多，与此同时带来的应变硬化效果明显，耐磨损性能显著提高，平均磨损量在4.93mg远远低于TC4，如图8。
实施例二
1. 将粉末粒度分布为15-30 µm的商业纯钛粉末（CP-Ti）和粒度分布为2-10 µm的二硼化钛粉末（TiB2）分别在 200℃ 环境下烘干，然后按（Ti 为98.5%，TiB2为1.5%）的比例机械混合均匀，得到混合粉Ti-TiB2；
2.将步骤①的混合粉利用3D打印技术（SLM）制备出多孔层状的材料骨架，扫描方式采用锯齿形扫描方式，扫描角度在前一层上旋转90°交替进行，3D打印参数为输入功率500W，扫描速度1000 mm/s，扫描间距0.1mm，层厚30 µm
3. 步骤②制备出的材料骨架采用喷砂处理表面未熔化的颗粒，随后放入Kroll试剂（1 mL氢氟酸+3 mL硝酸 +100 mL蒸馏水）10秒钟，然后用酒精清洗；
4. 将步骤③的骨架置于圆柱形低碳钢包套中，骨架尺寸为15 mm×15 mm×80mm，容器为圆柱形状，其内径Ø=20 mm，通过振动（机械共振）的方式将TC4金属粉末填充到骨架和包套之间的间隙内，TC4粉末粒度分布为10-30 µm；将低碳钢包套盖盖紧，保证内部粉末填充密实，以焊接的方法将容器密封；
5. 将低碳钢包套放入热等静压炉内，炉内充入氩气，加热至930°C，压力控制在150 MPa左右，焙烧4h后形成致密的块状金属复合材料，即得到所需高强耐磨损钛基仿生复合材料。
在耐磨性能实验测试中，高强耐磨损钛基仿生复合材料表现优异且稳定，如图 9所示平均磨损量为5.4 mg远低于TC4的7.25 mg。
实施例三
1. 将粉末粒度分布为15-30 µm的商业纯钛粉末（CP-Ti）和粒度分布为2-10 µm的二硼化钛粉末（TiB2）分别在 200℃ 环境下烘干，然后按（Ti 为99.5%，TiB2为0.5%）的比例机械混合均匀，得到混合粉Ti-TiB2；
2. 将步骤①的混合粉利用3D打印技术（SLM）制备出多孔层状的材料骨架，扫描方式采用锯齿形扫描方式，扫描角度在前一层上旋转90°交替进行，3D打印参数为输入功率500W，扫描速度1000 mm/s，扫描间距0.1mm，层厚30 µm；
3. 步骤②制备出的材料骨架采用喷砂处理表面未熔化的颗粒，随后放入Kroll试剂（1 mL氢氟酸+3 mL硝酸 +100 mL蒸馏水）10秒钟，然后用酒精清洗；
4. 将步骤③的骨架置于圆柱形低碳钢包套中，骨架尺寸为15 mm×15 mm×80mm，容器为圆柱形状，其内径Ø=20 mm，通过振动（机械共振）的方式将TC4金属粉末填充到骨架和包套之间的间隙内，TC4粉末粒度分布为10-30 µm；将低碳钢包套盖盖紧，保证内部粉末填充密实，以焊接的方法将容器密封；
5. 将低碳钢包套放入热等静压炉内，炉内充入氩气，加热至930°C，压力控制在150 MPa左右，焙烧4h后形成致密的块状金属复合材料，即得到所需高强耐磨损钛基仿生复合材料。
在耐磨性能实验测试中，高强耐磨损钛基仿生复合材料表现优异且稳定，如图 10所示平均磨损量在5.4 mg远低于TC4的7.25 mg。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种高强耐磨损钛基仿生复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述的步骤：
（1）将纯钛粉和二硼化钛粉混合，得到混合粉Ti-TiB2，其中TiB2占混合粉的质量百分数为0.5~1.5%；
（2）将混合粉利用3D打印技术制备出材料骨架，3D打印采用SLM工艺，扫描方式采用锯齿形扫描方式，扫描角度在前一层基础上旋转90°，即相邻两层扫描方向呈90°，交替进行，形成多孔层状的材料骨架；
（3）将材料骨架置于容器中，通过振动的方式将TC4金属粉末填充到骨架和容器之间的间隙内；
（4）将容器置于热等静压炉内进行烧结，形成致密的块状金属复合材料，即高强耐磨损钛基仿生复合材料，其中TC4填充在所述材料骨架规则的孔洞中，形成TC4与Ti-TiB2交替排布的层状结构。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述纯钛粉粒度分布为15-30 µm，二硼化钛粉粒度分布为2-10 µm。
3. 根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述纯钛粉和二硼化钛粉先分别在150~250℃ 的环境下烘干，再混合。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述3D打印参数：输入功率400~800W，扫描速度800~1200 mm/s，层厚25~35 µm。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述TC4粉末粒度分布为10-30 µm。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述容器为圆柱形低碳钢包套，使内部粉末填充密实，然后将容器密封。
7. 根据权利要求1、2、4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述烧结在惰性氛围进行，烧结温度900~1000°C，压力控制在100~200 MPa，烧结时间在3~5h。
8.一种高强耐磨损钛基仿生复合材料，其特征在于，采用权利要求1~7任一项所述的方法制备而成。
9. 根据权利要求8所述的高强耐磨损钛基仿生复合材料，其特征在于，所述复合材料屈服强度在880MPa以上，耐磨性能测试中平均磨损量在5.4 mg以下。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310236272.0A CN116516196B (zh) | 2023-03-13 | 2023-03-13 | 一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310236272.0A CN116516196B (zh) | 2023-03-13 | 2023-03-13 | 一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116516196A CN116516196A (zh) | 2023-08-01 |
| CN116516196B true CN116516196B (zh) | 2023-09-19 |
Family
ID=87401917
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310236272.0A Active CN116516196B (zh) | 2023-03-13 | 2023-03-13 | 一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116516196B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116765425B (zh) * | 2023-08-21 | 2023-11-03 | 吉林大学 | 一种医用植入异质金属复合结构的制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109943786A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-06-28 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于选区激光熔化3d打印制备钛基纳米复合材料的方法 |
| WO2022148806A1 (fr) * | 2021-01-07 | 2022-07-14 | Universite De Lorraine | Materiau composite a matrice homogene ou a gradient, son procede de preparation et ses utilisations |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11872631B2 (en) * | 2020-11-05 | 2024-01-16 | Massachusetts Institute Of Technology | Additive manufacturing of composite powders |
-
2023
- 2023-03-13 CN CN202310236272.0A patent/CN116516196B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109943786A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-06-28 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于选区激光熔化3d打印制备钛基纳米复合材料的方法 |
| WO2022148806A1 (fr) * | 2021-01-07 | 2022-07-14 | Universite De Lorraine | Materiau composite a matrice homogene ou a gradient, son procede de preparation et ses utilisations |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 选区激光熔化 3D 打印钛基复合材料研究进展;杨光等;稀有金属材料与工程;1 SLM 3D 打印钛基复合材料增强体的选择，3 SLM 3D 打印钛基复合材料性能 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116516196A (zh) | 2023-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109852830B (zh) | 一种超细碳化物颗粒增强金属基复合材料及其制备方法 | |
| Qu et al. | Microstructure and mechanical property of laser melting deposition (LMD) Ti/TiAl structural gradient material | |
| Konstantinov et al. | Ti-B-based composite materials: Properties, basic fabrication methods, and fields of application | |
| US20110293461A1 (en) | High-strength discontinuosly-reinforced titanium matrix composites and method for manufacturing the same | |
| US20200399135A1 (en) | Boron-containing titanium-based composite powder for 3d printing and method of preparing same | |
| CN116516196B (zh) | 一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法 | |
| CN104120291A (zh) | 一种TiC、TiB2颗粒增强镍基复合材料的制备方法 | |
| CN102787252A (zh) | 原位制备TiB2增强铝基复合材料的方法 | |
| CN114393209B (zh) | 一种核壳结构的钛基复合粉末及其制备方法和应用 | |
| CN107761094A (zh) | 一种在铝合金表面上采用复合工艺制备梯度结构熔覆层的方法 | |
| CN103060586B (zh) | 一种复杂形状铌基ods合金的制备方法 | |
| CN110227734A (zh) | 一种改善Mg/Ti连接界面性能的方法 | |
| CN105112697A (zh) | (Ti@Al3Ti)p/Al基自生复合材料粉末触变成形方法 | |
| CN102876921B (zh) | 原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钼合金材料及其制备方法 | |
| CN107746280A (zh) | 一种高致密度TiB2陶瓷靶材的制备方法 | |
| CN1081242C (zh) | 由元素粉末直接制备TiNi基形状记忆合金的方法 | |
| CN102424967A (zh) | 原位纳米陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料的制备方法 | |
| CN102876919B (zh) | 原位合成TiC颗粒增强钛铝合金材料及其制备方法 | |
| CN102864336B (zh) | 原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钒合金材料及其制备方法 | |
| CN112063867A (zh) | 一种γ相Zn-Ni合金的制备方法 | |
| CN102851538B (zh) | 原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钼-锰合金材料及其制备方法 | |
| CN102851541B (zh) | 原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钼-硅合金材料及其制备方法 | |
| RU2776244C1 (ru) | Способ получения композиционного материала и изделия из него | |
| CN102876920B (zh) | 原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钼-铁合金材料及其制备方法 | |
| CN102864337B (zh) | 原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钒-锡合金材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |