增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法技术

本发明专利技术公开了一种增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，该方法包括：一、将钛粉末与纳米碳粉末或钛合金粉末与纳米碳粉末混匀后球磨干燥，然后喷入气溶胶搅匀，干燥得C/Ti复合粉末；二、制备一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末；三、分别选取一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末为原料，采用高能束增材制造方法制备原位自生TiC增强钛基复合材料。本发明专利技术通过选取不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末在线调控原料中纳米碳质量含量，对钛基复合材料不同区域TiC尺寸、形貌及含量进行精确控制，实现了对原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控。

【技术实现步骤摘要】
增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法
本专利技术属于钛基材料制备
，具体涉及一种增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法。
技术介绍
随着当代高新技术的发展，科学领域也不断变革，在钛基复合材料的实际应用中，同一材料的不同部位具有不同性质或性能、而不同性能的两侧结合完美的需求应运而生，即要求能够对钛基复合材料进行分区调控。目前有许多通过在不同区域调整外加增强相比例的方法进行分区调控来制备此种钛基复合材料，但如此获得的钛基复合材料内部增强相尺寸往往取决于外加增强相尺寸，而一般情况下外加增强相尺寸较大，且增强相与基体之间存在润湿性较差及界面反应等问题，使得成形出来的复合材料性能难以满足要求，从而难以满足分区调控的目的。也有一些外加纳米增强相来制备此种钛基复合材料的研究，但由于纳米增强相比较昂贵，会使得制备成本增加。采用原位自生法制备颗粒增强钛基复合材料可以解决外加法制备钛基复合材料所产生的增强体与基体润湿性问题、增强相/金属基体界面反应和成本昂贵等一系列问题，且制备的钛基复合材料增强体/基体界面干净，无杂质污染，结合良好。但使用传统方法制备的原位自生颗粒增强钛基复合材料时，由于凝固速度较慢，增强相会不断长大，从而使得其尺寸受限，且分布的均匀性难以控制，从而难以精确调控钛基复合材料不同部位的性能。因此，当想要精确对材料进行分区调控，保证不同区域的性能需求，制备增强相分布均匀且与基体结合良好的颗粒增强钛基复合材料时，用以上技术难以满足要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法。该方法采用球磨法及添加气溶胶，制备得到一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末，并以此为原料，采用高能束增材制造，通过选取不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末在线调控原料中的纳米碳质量含量，实现钛基复合材料不同区域TiC尺寸、形貌及含量的精确控制，有效解决了原位自生颗粒增强钛基材料中增强相尺寸、分布难以控制的问题，实现了对原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将钛粉末与纳米碳粉末或钛合金粉末与纳米碳粉末加入到无水乙醇中，然后放置于球磨机中进行球磨处理，经一次干燥得到球磨粉末，再向球磨粉末中喷入气溶胶搅拌均匀，经二次干燥后得到C/Ti复合粉末；所述钛粉末或钛合金粉末的尺寸为15μm～200μm，所述纳米碳粉末的平均尺寸小于100nm；步骤二、按照步骤一中制备C/Ti复合粉末的工艺，得到一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末；步骤三、以步骤二中得到的一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末作为原料，采用高能束增材制造方法，在基材上按预定程序扫描得到区域1，然后相继更换其他纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末作为原料，按预定程序继续扫描，直至得到区域m，其中m为自然数且m≥2，区域1～区域m逐渐堆积，形成原位自生TiC增强钛基复合材料。本专利技术采用球磨法使钛粉末与纳米碳粉末或钛合金粉末与纳米碳粉末混合均匀，接着添加气溶胶，使得球磨后粘附在表面的纳米碳粉末牢固包裹在钛粉末或钛合金粉末表面，得到均匀、稳定的复合粉末，然后以一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末为原料，采用高能束增材制造方法制备形成各区域，利用增材制造方法具有极高的冷却速率，使得TiC增强相颗粒迅速成形，通过选取不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末在线调控原料中的纳米碳质量含量，从而在不同的金属层中原位自生获得不同含量及不同尺寸TiC增强相颗粒，得到增强相尺寸分布均匀的原位自生TiC增强钛基复合材料，实现钛基复合材料不同部分TiC尺寸、形貌及含量的精确控制，进而对其区域性能优化控制。同时，本专利技术通过调节C/Ti复合粉末中纳米碳的质量含量，控制制备各区域的原料中的纳米碳质量含量，进而控制不同区域中TiC颗粒的形态，使钛基材料不同区域表现出不同的性能，其中，以纳米碳的质量含量不超过3％的原料制备的区域中形成微纳级别的等轴或短棒状TiC增强颗粒，其颗粒尺寸小于传统方法制备的TiC颗粒，使得该区域的强度和塑形均得到提高，以纳米碳的质量含量高于3％的原料制备的区域中除等轴和短棒状TiC之外，还会形成枝晶TiC，且随纳米碳质量含量增高TiC尺寸也增大，使得该区域对应部位的强度和硬度均得到大幅提高，即本专利技术通过在线调控原料中的纳米碳质量含量，实现了钛基复合材料不同区域TiC尺寸、形貌及含量的精确控制，进而对其区域性能优化控制，实现了对原位自生TiC增强钛基复合材料力学性能的分区调控，满足了实际使用中的不同需求。上述的增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，步骤一中所述无水乙醇的加入体积与钛粉末及纳米碳粉末的总质量之比、以及无水乙醇的加入体积与钛合金粉末及纳米碳粉末的总质量之比均为(0.25～0.75)：1，其中，体积的单位为mL，质量的单位为g。该优选无水乙醇的加入体积可防止球磨过程中温度过高，保证球磨过程顺利进行，同时也可减少一次干燥的能耗。上述的增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，步骤一中所述球磨处理采用的转速为100r/min～300r/min，球料比为1:(1.5～3)，时间为2h～5h。该优选球磨处理的工艺参数既保证了纳米碳粉末与钛粉末或钛合金粉末的混合均匀，纳米碳粉末可均匀包裹在钛粉末或钛合金粉末表面，同时又避免了球磨过度造成球磨粉末颗粒细化、导致球磨粉末加工硬化现象，不利于后续增材制造的进行。上述的增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，步骤一中所述一次干燥的温度为60℃～100℃，时间为3h～6h。该优选一次干燥的工艺参数可有效去除球磨处理后的无水乙醇。上述的增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，步骤一中所述气溶胶为体积分数2.7％的聚乙烯醇气溶胶，所述气溶胶的加入量为球磨粉末质量的1％～3％。聚乙烯醇气溶胶具有独特的强力粘接性，保证了粘附的牢固性，避免了后续增材制造的输入粉末过程中纳米碳粉末粘附不牢而脱落；该优选气溶胶的加入量进一步促进了气溶胶均匀分布在球磨粉末中，保证了纳米碳粉末牢固粘附在钛粉末或钛合金粉末表面，同时避免加入过多导致原位自生TiC增强钛基复合材料中存在气孔等缺陷。上述的增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，步骤一中所述二次干燥在真空干燥箱中进行，所述二次干燥的温度为100℃～120℃，时间为1h～3h。采用真空干燥箱和上述优选二次干燥工艺参数可有效防止复合粉末在干燥过程中发生氧化，保证了原位自生TiC增强钛基复合材料的质量。上述的增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、将钛粉末与纳米碳粉末或钛合金粉末与纳米碳粉末加入到无水乙醇中，然后放置于球磨机中进行球磨处理，经一次干燥得到球磨粉末，再向球磨粉末中喷入气溶胶搅拌均匀，经二次干燥后得到C/Ti复合粉末；所述钛粉末或钛合金粉末的尺寸为15μm～200μm，所述纳米碳粉末的平均尺寸小于100nm；/n步骤二、按照步骤一中制备C/Ti复合粉末的工艺，得到一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末；/n步骤三、以步骤二中得到的一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末作为原料，采用高能束增材制造方法，在基材上按预定程序扫描得到区域1，然后相继更换其他纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末作为原料，按预定程序继续扫描，直至得到区域m，其中m为自然数且m≥2，区域1～区域m逐渐堆积，形成原位自生TiC增强钛基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉末与纳米碳粉末或钛合金粉末与纳米碳粉末加入到无水乙醇中，然后放置于球磨机中进行球磨处理，经一次干燥得到球磨粉末，再向球磨粉末中喷入气溶胶搅拌均匀，经二次干燥后得到C/Ti复合粉末；所述钛粉末或钛合金粉末的尺寸为15μm～200μm，所述纳米碳粉末的平均尺寸小于100nm；
步骤二、按照步骤一中制备C/Ti复合粉末的工艺，得到一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末；
步骤三、以步骤二中得到的一系列不同纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末作为原料，采用高能束增材制造方法，在基材上按预定程序扫描得到区域1，然后相继更换其他纳米碳质量含量的C/Ti复合粉末中的一种或几种的混合粉末作为原料，按预定程序继续扫描，直至得到区域m，其中m为自然数且m≥2，区域1～区域m逐渐堆积，形成原位自生TiC增强钛基复合材料。


2.根据权利要求1所述的增材制造原位自生TiC增强钛基复合材料的分区调控方法，其特征在于，步骤一中所述无水乙醇的加入体积与钛粉末及纳米碳粉末的总质量之比、以及无水乙醇的加入体积与钛合金粉末及纳米碳粉末的总质量之比均为(0.25～0.75)：1，其中，体积的单位为mL，质量的单位为g。


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【专利技术属性】
技术研发人员：谭华，王永霞，林鑫，黄卫东，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61