本发明涉及一种max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，属于高温耐磨复合材料制备。
背景技术：
1、科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能的要求也越来越高，材料的服役环境也日趋严苛，在许多方面，传统的单一材料已越来越不能满足实际的需要。尤其在高温材料领域，随着热端部件的服役条件对高温合金材料的性能提出更高的要求，导致传统的ni基高温合金所制成的结构部件无法满足在严苛服役环境下的使用需求，因此发展能在极端高温环境下稳定工作，集高强韧，耐高温，耐磨损，抗烧蚀于一体的新型ni基复合材料具有着重要实际意义。
2、近年来采用陶瓷颗粒增强ni基复合材料的研究备受人们的关注，不仅可以有效结合陶瓷颗粒和ni基合金的特性收获高强高韧的效果，同时在耐高温的条件下还显著提高了复合材料的耐磨性。传统的陶瓷增强相主要有sic、b4c、al2o3、tib2等陶瓷材料，但这些陶瓷的导热性以及耐磨性都相对较低，其具有本征脆性以及低可切削加工性导致其在工程应用方面受到了较大的限制。同时这些陶瓷颗粒加入到ni基体中极易造成颗粒表面污染、与基体润湿性差、界面结合存在缺陷等问题，使得复合材料的强韧性不能得到很好的满足。因此找寻新的陶瓷增强相以及降低陶瓷与ni基之间的润湿角成了目前急需解决的问题。
3、max相陶瓷是一种三元层状化合物，兼具金属和陶瓷的优点，包括类似金属的优良导电和导热性，在高温下具备较良好的塑性，对热震不敏感；另一方面，它保持着陶瓷材料所具有的高熔点、耐腐蚀性以及抗氧化性，完美的弥补了传统陶瓷在导热性、可加工性等方面的不足。同时在摩擦磨损的过程中，max相分解产生m原子和a原子，m原子和a原子与空气接触后发生氧化反应，形成一层连续致密的氧化膜，能够避免材料与空气接触，防止材料发生进一步氧化，使材料在高温下长时间摩擦磨损过程中，依然能够保持优异的润滑性能。
4、由于max相陶瓷具有层状结构，同时具有较高的表面能，其粉末在浆料中可能容易发生团聚，导致分散不均匀。ni基合金粉末通常具有较高的密度和硬度，在浆料中容易沉降，导致浆料不均匀，影响直写过程中材料的流动性和沉积效果。同时在烧结过程中，max陶瓷粉末与ni基合金粉末需要较高的温度和特殊的气氛控制，否则容易分解或氧化，影响最终材料的性能。若通过传统的浆料直写工艺制备，在作业过程中不仅极易出现塌陷或者成型精度不高的问题，同时在烧结过程中，仅仅对温度进行简单调控还会使样品出现较为严重的翘曲与收缩的问题。在原有的直写工艺基础上添加激光辅助直写模块，能够在直写过程中有效固化并烧结样品，使样品具有足够的支撑强度，并且成型精度和质量都显著提升，同时对脱脂和烧结过程中引入梯度烧结技术与多阶段气氛控制，在防止样品出现氧化和杂质的同时有效提升样品烧结后的质量，以保证材料的致密性和机械性能。
技术实现思路
1、为了解决浆料直写工艺制备max陶瓷/ni基异形结构复合材料中存在的问题，本发明提供一种max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
2、(1)浆料制备：将max陶瓷粉、ni基合金粉球磨混合均匀后与粘结剂溶液调匀得到直写浆料。
3、(2)激光辅助直写：将步骤(1)中制备好的浆料倒入料筒中，连接气泵，浆料在空气的压缩下从喷嘴处均匀连续的写出，按照所设计的三维模型在底板上堆积成型，当每写出一层，通过激光加热将写出的一层即时固化烧结，如此反复，直至得到成型的max陶瓷/ni基复合材料坯体。
4、(3)脱脂：将步骤(2)中成型好的max陶瓷/ni基复合材料坯体进行两段式脱脂，在脱脂过程中通入氢气，其中第一段脱脂的温度为150～250℃，第二段脱脂的温度为450～500℃。
5、(4)烧结：将步骤(3)中经过脱脂处理的max陶瓷/ni基复合材料坯体进行两段式烧结，在烧结过程中通入氩气和氢气，形成氩气-氢气混合气氛，其中第一段烧结的温度为780～820℃，第二段烧结温度为1150～1200℃，最后冷却至室温，即得到max陶瓷/ni基复合材料。
6、优选的，步骤(1)中max陶瓷粉与ni基合金粉质量比为2.3:1～4.7:1；所述max陶瓷是三元层状碳/氮化物，分子式为mnamxn-m(n和m为正整数，且n≥2m)，其中m为过渡族金属元素，a为主族元素，x为c或n；所述ni基合金成分主要有cr：15％～20％，al：3％～5％，ti：2％～4％，mo：1％～3％，mn：0.2％～0.6％，c：0.03％～0.07％，余量为ni。
7、优选的，所述max陶瓷粉为ti2aln、cr2alc、nb2snc、ti2snc、ti3alc2、ti3sic2、ti4aln3或v4alc3。
8、优选的，所述max陶瓷粉末的规格为15μ的球形粉末，纯度为99.9％；cr、al、ti、mo、mn、c的规格为15μ的球形粉末，纯度为99.9％；ni的规格为15μ的球形粉末，纯度为99.9％。
9、优选的，步骤(1)中球磨条件为：磨球与max陶瓷粉和ni基合金粉总和的质量比为5:1，球磨转速为200～300r/min，通入氩气进行球磨混合5h，其间每球磨60min后停10min。
10、优选的，步骤(1)中max陶瓷粉和ni基合金粉总质量之和与粘结剂溶液的质量之比为3:1～5:1，最终得到的直写浆料的粘度达到8000～12000cp，其中粘结剂溶液是以超纯水与粘结剂粉末按质量比1:0.2～1:0.5进行配置，所述粘结剂为有机粘结剂。
11、优选的，步骤(2)中激光辅助直写工艺为：料筒喷嘴直径在0.2～0.4mm，浆料挤出压力在200～400kpa，写出速度为2～5mm/s，每层高度为0.1～0.15mm，间距为喷嘴直径的0.15～0.3mm，激光功率与直写速度同步调节。
12、优选的，步骤(3)中所述脱脂工艺中真空管式炉以1～2℃/min的速率升至200℃，保温1h，再以2～3℃/min的速率升至500℃保温2～3h。
13、优选的，步骤(4)中所述烧结工艺是在脱脂工艺500℃保温结束后以3～4℃/min的速率升温至800℃保温2h，再以5℃/min的速率升温至1150℃保温3h。
14、本发明的有益效果
15、(1)激光辅助直写技术相对于传统直写工艺来说提供了快速的局部升温和冷却速率，这有助于抑制晶粒的过度生长，能够有效提高材料的强度和硬度。
16、(2)激光辅助直写技术能促使浆料在写出过程中部分烧结，从而增加坯体的初始致密度，在最终烧结后会具有更高的强度和韧性。
17、(3)激光辅助直写技术减少孔隙和微裂纹的形成，显著提高了材料的抗断裂韧性和疲劳寿命。
18、(4)激光辅助直写技术可以通过局部控制温度场，诱导晶体在特定方向上优先生长，这种生长能够优化材料的各向异性力学性能，如在特定方向上的抗拉强度或断裂韧性。
19、(5)激光辅助直写技术可以诱导max陶瓷部分晶体结构的重排，这种相变可以提升材料的硬度、耐磨性或抗氧化性能。
20、(6)通过控制温度梯度来调节坯体中的残余应力分布，适当的残余压应力可以提高材料的疲劳强度和抗裂纹扩展能力，能在材料表层引发局部硬化现象，这对于提升表面耐磨性和抗腐蚀性具有显著效果，且有助于在浆料直写过程中促进均匀的微观结构形成，这不仅提高了材料的力学一致性，还降低了各部位性能的不均匀性，提升了整体材料的可靠性。
21、(7)本发明所述脱脂与烧结工艺相对于传统的脱脂烧结工艺，其优势在于所添加的氢气和氩气在脱脂与烧结过程中所起的作用综合提升了材料的质量，特别是在材料的纯净度、微观结构和力学性能方面。
22、(8)本发明中所制备的异构件，其结构设计自由度大，能够随意变换合适的尺寸大小以适应不同的需求，内部具有许多小六边形，其在保证足够的强度和刚度的同时还能够很大程度上节省原材料，此外还具有良好的稳定性，不仅如此，这种六边形的空腔结构可以有效地隔绝热量，在高温摩擦磨损过程中能够很好的散热，进而具有良好的耐久性和耐磨性。
23、(9)用本发明所述工艺制成的高温异构零部件，其整体致密度较高，同时在基体中均匀弥散分布着max陶瓷增强相，不仅能够提高复合材料的力学性能，在材料在高温下长时间摩擦磨损过程中，复合材料中的max相发生机械分解，分解产生的m原子和a原子与空气接触后发生氧化反应，形成一层连续致密的氧化膜，覆盖在材料的摩擦面上，在避免材料与空气接触的同时还提供了极好的润滑性能，显著降低了高温机械零部件的磨损速率，有效提升其使用寿命和工作稳定性，提高生产效率。
24、(10)ni基合金中的cr、mo、mn等合金元素的存在能够在液态金属表面及固—液界面吸附与富集，降低液态金属表面张力及固一液界面张力，同时在固液界面发生界面反应，形成界面反应产物。能够有效降低max相陶瓷与ni基之间的润湿角，改善润湿性，提高其界面结合能力，进而提高复合材料的致密度和综合性能。
25、(11)max陶瓷是一种三元层状化合物，兼具金属和陶瓷的优点，包括类似金属的优良导电和导热性，在高温下具备较良好的塑性，对热震不敏感；另一方面，它保持着陶瓷材料所具有的高熔点、耐腐蚀性以及抗氧化性，完美的弥补了传统陶瓷在导电性、导热性、可加工性等方面的不足。同时在摩擦磨损的过程中，max陶瓷相分解产生m原子和a原子，m原子和a原子与空气接触后发生氧化反应，形成一层连续致密的氧化膜，能够避免材料与空气接触，防止材料发生进一步氧化，使材料在高温下长时间摩擦磨损过程中，依然能够保持优异的润滑性能。
1.一种max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中max陶瓷粉与ni基合金粉质量比为2.3:1～4.7:1；所述max陶瓷是三元层状碳/氮化物，分子式为mnamxn-m，n和m为正整数，且n≥2m，其中m为过渡族金属元素，a为主族元素，x为c或n，所述max陶瓷粉末的规格为15μ的球形粉末，纯度为99.9％。
3.根据权利要求2所述max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述ni基合金成分主要有cr：15％～20％，al：3％～5％，ti：2％～4％，mo：1％～3％，mn：0.2％～0.6％，c：0.03％～0.07％，余量为ni，其中cr、al、ti、mo、mn、c的规格为15μ的球形粉末，纯度为99.9％；ni的规格为15μ的球形粉末，纯度为99.9％。
4.根据权利要求1所述max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中球磨条件为：磨球与max陶瓷粉和ni基合金粉总和的质量比为5:1，球磨转速为200～300r/min，通入氩气进行球磨混合5h，期间每球磨60min后停10min。
5.根据权利要求1所述max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中max陶瓷粉和ni基合金粉总质量之和与粘结剂溶液的质量之比为3:1～5:1，最终得到的直写浆料的粘度达到8000～12000cp，其中粘结剂溶液是以超纯水与粘结剂粉末按质量比1:0.2～1:0.5进行配置，所述粘结剂为有机粘结剂。
6.根据权利要求1所述max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中激光辅助直写工艺为：料筒喷嘴直径在0.2～0.4mm，浆料挤出压力在200～400kpa，写出速度为2～5mm/s，每层高度为0.1～0.15mm，间距为喷嘴直径的0.15～0.3mm，激光功率与直写速度同步调节。
7.根据权利要求1所述max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述脱脂工艺中真空管式炉以1～2℃/min的速率升至200℃，保温1h，再以2～3℃/min的速率升至500℃保温2～3h。
8.根据权利要求1所述max陶瓷/ni基异形结构复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述烧结工艺是在脱脂工艺500℃保温结束后以3～4℃/min的速率升温至800℃保温2h，再以5℃/min的速率升温至1150℃保温3h。
9.权利要求1～8任一项所述方法制备得到的max陶瓷/ni基异形结构复合材料，其特征在于：所述max陶瓷/ni基异形结构复合材料内部有边长为1mm的六边形，六边形之间的距离为1mm，均匀分布并贯穿于整个材料。
