[发明专利]一种高强耐磨损钛基仿生复合材料及其制备方法

说明书

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。

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。