一种二硼化钛基复相陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于复相陶瓷技术领域，公开了一种二硼化钛基复相陶瓷及其制备方法和应用。所述二硼化钛(TiB2)基复相陶瓷是以金属Ti粉和B4C粉为原料，以WC球为球磨介质，在高能球磨机上球磨混合，制得金属Ti包裹B4C的Ti‑B4C粉体，再将Ti‑B4C粉体在Ar或真空的条件下通过选择性激光熔融法打印成型制得。该复相陶瓷是具有净尺寸的复杂形状的陶瓷材料。该方法直接实现TiB2基陶瓷的增材制造成型，无需后续烧结或者热处理，有效改善TiB2基复相陶瓷的断裂韧性，作为一种透波材料可应用于航空航天领域。

Titanium diboride based multiphase ceramic and preparation method and application thereof

The invention belongs to the technical field of multiphase ceramics, and discloses a titanium DIBORIDE-BASED multiphase ceramics, a preparation method and application thereof. The titanium diboride (TiB2) based multiphase ceramics are prepared by ball milling and mixing with Ti powder and B4C powder as raw materials and WC ball as ball milling medium on a high-energy ball mill. Ti B4C powders coated with Ti are prepared by selective laser melting under Ar or vacuum conditions. The composite ceramic is a complex shape ceramic material with a net dimension. This method can directly realize the augmented material manufacturing of TiB2-based ceramics without subsequent sintering or heat treatment, and effectively improve the fracture toughness of TiB2-based composite ceramics. As a wave-transmitting material, it can be used in the field of Aeronautics and astronautics.

【技术实现步骤摘要】
一种二硼化钛基复相陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术属于复相陶瓷
，更具体地，涉及一种二硼化钛(TiB2)基复相陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
二硼化钛(TiB2)基复相陶瓷材料作为一种结构材料，具有优异的力学性能，例如高硬度、高强、耐磨、耐高温、物理化学稳定性等优异性能，可广泛应用于结构件、刀具切削、航空航天等方面，但是正因为其优异的力学性能限制了其加工多样化，对于复杂形状的陶瓷材料依靠传统的加工工艺无法得到。考虑到其巨大的应用场景，亟待开发一种可实现任意复杂形状的陶瓷材料的成型。目前，TiB2基复相陶瓷成型工艺有：注射成型、注凝成型、压滤成型、压力成型、凝胶注模成型等。但是这些技术难以满足对个性化、精细化、轻量化和复杂化的高端产品快速制造的需求，限制了高性能陶瓷产品的开发与应用。虽然目前增材制造已经应用于陶瓷成型，但主要是通过光固化成型、直接挤压成型、喷墨打印、选择性激光烧结等技术实现陶瓷材料的增材制造。对于以上增材制造技术，在成型后都需要下一步热处理。选择性激光熔融可以通过一步制备致密材料，其原理是通过激光将粉末熔化成型，然后逐层扫描叠加，打印出最终三维结构。然而，由于陶瓷材料通常没有固定熔点或者熔点太高(高于2000℃)。因此，目前还没有直接将陶瓷材料运用选择性激光熔融技术成型。基于以上应用背景以及研究现状，急需寻求一种净尺寸的复杂形状陶瓷材料直接成型方法。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种TiB2基复相陶瓷。该复相陶瓷是具有净尺寸的复杂形状陶瓷材料。本专利技术的另一目的在于提供一种上述TiB2基复相陶瓷的制备方法，该方法采用选择性激光熔融法一步成型制备所需形状样品，通过利用金属Ti包裹B4C混合粉体在打印过程中反应，制备复杂形状TiB2基复相陶瓷。本专利技术的再一目的在于提供一种上述TiB2基复相陶瓷的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：一种二硼化钛(TiB2)基复相陶瓷，所述TiB2基复相陶瓷是以金属Ti粉和B4C粉为原料，以WC球为球磨介质，在高能球磨机上球磨混合，制得金属Ti包裹B4C的Ti-B4C粉体，再将Ti-B4C粉体在Ar或真空的条件下通过选择性激光熔融法打印成型制得。优选地，所述金属Ti粉和B4C粉的摩尔比为(1～10)：1。优选地，所述金属Ti粉和B4C粉的纯度均为99％，所述金属Ti粉和B4C粉的粒径均为1～100μm。优选地，所述球磨的时间为2～40h。优选地，所述TiB2基复相陶瓷的相对密度大于95％，所述TiB2基复相陶瓷的硬度为20～45GPa，所述TiB2基复相陶瓷的断裂韧性为6～12MPa·m1/2，所述TiB2基复相陶瓷的抗弯强度为500～1200MPa。所述的TiB2基复相陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：S1.以金属Ti粉和B4C粉为原料，以WC球为球磨介质，在高能球磨机上混合，得到金属Ti包裹B4C的Ti-B4C粉体；S2.在气氛为Ar或者真空条件下，将Ti-B4C粉体通过激光按照设定路径扫描，粉体表层金属Ti熔化使得粉体单层成型，然后逐层扫描，最终实现选择性激光熔融法打印成型，制备得到TiB2基复相陶瓷。优选地，步骤S2中所述选择性激光熔融法的参数为：激光强度为150～550J/mm3，所述激光扫描速率为200～1200mm/s，扫描间距20～200μm，扫描层厚10～100μm。更为优选地，步骤S2中所述选择性激光熔融法的参数为：激光强度为400J/mm3，所述激光扫描速率为800mm/s，扫描间距100μm，扫描层厚30μm。所述的TiB2基复相陶瓷通过增材制造技术可实现各种复杂形状的设计，作为一种透波材料在航空航天领域具有广泛的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术直接实现TiB2基复相陶瓷的增材制造成型，无需后续烧结或者热处理；2.本专利技术实现复杂形状TiB2-TiC复相陶瓷的净尺寸成型；3.本专利技术中金属Ti的引入有效改善TiB2基复相陶瓷的断裂韧性。附图说明图1为增材制造过程中粉体分布与反应原理图。图2为选择性激光熔融法成型原理图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例11.以金属Ti粉(金属Ti粉纯度为99％，粒径为20μm)和B4C粉(B4C粉纯度为99％，粒径10μm)为原料，按Ti：B4C的摩尔比为4:1配比经混料，以WC球为球磨介质，在高能球磨机上混合25h，得到金属Ti包裹B4C混合球形Ti-B4C粉体，在高能球磨作用下，软质金属相Ti包裹在硬质相B4C颗粒表面，随着球磨时间的延长，高能球磨产生的能量使得B4C分解，分解产生的C和B扩散进入金属Ti中，进而反应得到TiC和TiB2相，如图1所示。2.在气氛为Ar的条件下，将金属Ti包裹B4C混合球形Ti-B4C粉体采用选择性激光熔融法，通过图2中的扫描路径，首层是激光束沿着X轴(Y轴)作往复扫描，并逐渐向Y轴(X轴)方向移动，首层扫描结束后，工作台面下降一定距离，激光束继续沿着Y轴(X轴)往复扫描，并逐渐向X轴(Y轴)方向移动，接着工作台面继续下降一定高度，激光束沿着X轴(Y轴)作往复扫描，并逐渐向Y轴(X轴)方向移动，一直重复打印，样品沿着成型方向逐层叠加，直到完成样品的打印成型。其具体参数为：激光强度为400Jmm3，激光扫描速率为800mm/s，扫描间距100μm，扫描层厚30μm。最后制备TiB2-TiC复相陶瓷。上述所得TiB2-TiC复相陶瓷具有复杂形状和净尺寸，所述TiB2-TiC陶瓷的相对密度为98％，硬度为35GPa，断裂韧性为12MPa·m1/2，抗弯强度为1000MPa。实施例2以金属Ti粉(金属Ti粉纯度为99％，粒径为30μm)和B4C粉(B4C粉纯度为99％，粒径20μm)为原料，按照Ti：B4C的摩尔比为1:1进行配料，按照实施例1方法制备TiB2基陶瓷，其中激光强度、扫描速率、扫描层厚分别为350J/mm3、800mm/s和35μm，打印过程中的气氛为Ar。本实施例通过选择性激光熔融技术实现复杂形状TiB2-TiC-B4C复相陶瓷的净尺寸成型，所述TiB2-TiC-B4C复相陶瓷的相对密度为98％，硬度为40GPa，断裂韧性为10MPa·m1/2，抗弯强度为1100MPa。实施例3以金属Ti粉(金属Ti粉纯度为99％，粒径为20μm)和B4C粉(B4C粉纯度为99％，粒径20μm)为原料，按照Ti：B4C的摩尔比为4:1进行配料，按照实施例1方法制备TiB2基陶瓷，其中激光强度、扫描速率、扫描层厚分别为350J/mm3、800mm/s和35μm，打印过程中的气氛为真空。本实施例通过选择性激光熔融技术实现复杂形状TiB2-TiC复相陶瓷的净尺寸成型，所述TiB2-TiC复相陶瓷的相对密度为98％，硬度为30GPa，断裂韧性为12MPa·m1/2，抗弯强度为1000MPa。实施例4以金属Ti粉(金属Ti粉纯度为99％，粒径为40μm)和B4C粉(B4C粉纯度为99％，粒径40μm)为原料，按照Ti：B4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二硼化钛基复相陶瓷，其特征在于，所述二硼化钛基复相陶瓷是以金属Ti粉和B4C粉为原料，以WC球为球磨介质，在高能球磨机上球磨混合，制得金属Ti包裹B4C的Ti‑B4C粉体，再将Ti‑B4C粉体在Ar或真空的条件下通过选择性激光熔融法打印成型制得。

【技术特征摘要】
1.一种二硼化钛基复相陶瓷，其特征在于，所述二硼化钛基复相陶瓷是以金属Ti粉和B4C粉为原料，以WC球为球磨介质，在高能球磨机上球磨混合，制得金属Ti包裹B4C的Ti-B4C粉体，再将Ti-B4C粉体在Ar或真空的条件下通过选择性激光熔融法打印成型制得。2.根据权利要求1所述的二硼化钛基复相陶瓷，其特征在于，所述金属Ti粉和B4C粉的摩尔比为(1～10)：1。3.根据权利要求1所述的二硼化钛基复相陶瓷，其特征在于，所述金属Ti粉和B4C粉的纯度均为99％，所述金属Ti粉和B4C粉的粒径均为1～100μm。4.根据权利要求1所述的二硼化钛基复相陶瓷，其特征在于，所述球磨的时间为2～40h。5.根据权利要求1所述的二硼化钛基复相陶瓷，其特征在于，所述二硼化钛基复相陶瓷的相对密度大于95％，所述二硼化钛基复相陶瓷的硬度为20～45GPa，所述二硼化钛基复相陶瓷的断裂韧性为6～12MPa·m1/2，所述二硼化钛基复相陶瓷的抗弯强度为500～1200MPa。6.根据权利要求1-5任一项所述的二...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟明，吴利翔，牛文彬，陈志伟，林华泰，伍尚华，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44