本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及到一种制备ti/bnnss复合粉末的方法及制备ti/bnnss复合涂层的方法及应用。
背景技术：
再制造工程通过表面喷涂等增材再制造技术，恢复废旧零件的消耗尺寸，形成再制造产品。与新产品相比，再制造产品具有优质、节能、高效、节材和环保的优点，在如今这个资源匮乏的社会，发展再制造技术显得至关重要。
冷喷涂过程在远低于材料熔点条件下进行，涂层中几乎不存在热应力，该技术避免了高温及氧化等不良影响，沉积效率高，涂层致密孔隙率低，可制备厚涂层。上述优点决定了冷喷涂有望成为再制造工程的关键支撑技术，实现损伤零部件表面尺寸快速恢复、性能提升以及服役寿命的延长。但是，冷喷涂涂层通常会由于粉体严重变形而导致涂层韧性降低，而热处理可使材料再结晶、愈合孔隙，增加界面结合强度，从而提升涂层性能。其中，放电等离子烧结(sps)作为一种先进的快速热压烧结工艺，其脉冲电流能产生瞬时等离子体使颗粒表面活化，去除颗粒的部分表层氧化物，并能降低金属原子扩散自由能，加速原子扩散，从而增加涂层界面结合，降低涂层孔隙率，进一步提升涂层韧性。
技术实现要素：
针对现有技术中存在不足，本发明首先提供一种制备ti/bnnss复合粉末的方法，制备出ti/bnnss复合粉末，氮化硼纳米片具有优异的导热性、润滑性、耐腐蚀性等特点。
本发明还提供一种利用ti/bnnss复合粉末制备ti/bnnss复合涂层的工艺方法，通过采用冷喷涂加sps后处理的方法，以bnnss/ti复合粉末作为原料，制备多维度纳米增强的钛基复合材料；氮化硼纳米片具有优异的导热性、润滑性、耐腐蚀性等特点，通过将其引入到冷喷涂制备的涂层中并进行sps后处理，可与ti发生反应，生成tib2纳米颗粒与tib纳米线，显著提升ti基冷喷涂材料的韧性和耐磨性。
本发明最后提供一种ti/bnnss复合涂层的应用，应用促进该复合材料用于再制造和3d打印。通过冷喷涂和放电等离子烧结得到的复合涂层中含有零维tib2纳米颗粒与一维tib纳米线，该工艺方法用于再制造和3d打印。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种制备ti/bnnss复合粉末的方法，包括如下步骤：
步骤一：将六方氮化硼(h-bn)进行高能球磨与超声分散，制备出氮化硼纳米片(bnnss)；
步骤二：将bnnss与原始ti粉通过球磨制备出ti/bnnss复合粉末。
进一步的，在步骤二中，通过设置球磨机的转速、时间和球料比对混合粉末进行研磨，实现复合粉末粒径的调控和bnnss的均匀分散，得到ti/bnnss复合粉末。
进一步的，步骤一中，将h-bn粉末在球磨罐中配比，每个球磨罐中放置100ml酒精与10gh-bn，球料比20:1，大中小研磨球的重量比例分别为5:3:2，研磨球的直径分别为15mm，10mm，5mm；向球磨罐内通ar气并密封，球磨转速设置为350r/min，球磨总时间设置为80min，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min；球磨结束后，将球磨液取出进行超声分散，时间为2h；超声结束后取上层清液，放入真空干燥箱内抽真空进行干燥，干燥后的粉末即为bnnss。
进一步的，步骤二中，将制备的bnnss与原始ti粉在球磨罐内进行混合，ti粉的平均粒径为29μm，bnnss的体积比例为0.1％，球料比20:1；向球磨罐内通ar气并密封，球磨转速设置为50r/min，球磨总时间设置为2h，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min，最终制备得到bnnss/ti复合粉末。
制备ti/bnnss复合粉末的方法制备bnnss/ti复合涂层的工艺方法，包括如下步骤：
步骤1：将ti/bnnss复合粉末通过冷喷涂的方式喷涂到工件上，得到ti/bnnss复合涂层；
步骤2：使用放电等离子烧结(sps)方式对ti/bnnss复合涂层进行后处理，使得ti/bnnss复合涂层中的钛和二维bnnss发生原位反应生成零维tib2纳米颗粒与一维tib纳米线。
进一步的，在步骤1中，将冷喷涂腔室预先抽真空，将ti/bnnss复合粉末送入冷喷涂气体，以压缩氮气作为工作气体，带动粉末碰撞放置于冷喷涂腔室中的基体上，将喷涂粉末原料沉积于工作零件上，形成ti/bnnss复合涂层。
进一步的，在步骤2中，采用sps对冷喷涂的复合涂层进行热处理；利用烧结装置产生的脉冲电流与压制压力去除涂层内部的残余应力，同时ti与bnnss发生原位反应生成tib纳米线与tib2纳米颗粒，提高复合涂层的力学性能。
进一步的，在步骤1中，对ti/bnnss复合粉末进行团聚与筛分，采用平均粒径为40-75μm作为冷喷涂的粉末；采用纯度为99.9％的n2作为推进气体，通过气体加热装置调整气体温度为300～800℃，气体压力为1.5-3mpa，送粉速度为20g/min，喷嘴与工件表面的距离为40-50mm，喷嘴与工件表面之间的相对线速度为33-300mm/s，单层喷涂厚度为15-20μm，涂层总厚度为3mm，最终在零件表面形成冷喷涂ti/bnnss复合涂层。
进一步的，在步骤2中，对冷喷涂后的复合涂层进行sps，温度设置为850℃，保温时间设置为5min，升温速率设置为50℃/min，降温速率设置为50℃/min。
bnnss/ti复合涂层的工艺方法的应用，该工艺方法通过冷喷涂和放电等离子烧结得到的复合涂层中含有零维tib2纳米颗粒与一维tib纳米线，该工艺方法用于再制造和3d打印。
本发明的创新点与优越性如下：
1.将氮化硼纳米片用作冷喷涂钛基复合涂层的增强相：利用了氮化硼纳米片的自润滑、高强度、高纵横比的特点，只需要添加少量的氮化硼纳米片，就能实现对钛基复合涂层强度和耐磨性的双重提升；
2.利用放电等离子烧结技术对冷喷涂后涂层进行后处理：放电等离子烧结作为一种先进的快速热压烧结工艺，其脉冲电流能产生瞬时等离子体，使颗粒表面活化，去除冷喷过程中生成的部分表层氧化物，并能降低金属原子扩散自由能、加速原子扩散，从而增强涂层界面结合、降低涂层孔隙率，进一步提升涂层性能。
3.设计了冷喷涂钛基涂层的多维度纳米增强结构：通过放电等离子烧结对涂层进行后处理，使钛和二维bnnss发生原位反应生成零维tib2纳米颗粒与一维tib纳米线，二者皆为性能优异的增强相，有助于涂层耐磨性、硬度和韧性的进一步提升。通过改变烧结参数(温度、升降温速率、气氛等)可以调控界面反应的种类和程度，从而实现涂层性能的调控，可随不同实际需求衍生出一系列涂层。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为通过高能行星球磨制备bnnss的示意图；
图3为冷喷涂复合涂层示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
本发明创新性的提出使用冷喷涂与sps后处理技术相结合的方法制备ti/bnnss复合涂层。
本发明所述的复合粉末制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，将h-bn进行高能球磨与超声分散，制备出bnnss；将六方氮化硼(h-bn)粉末在球磨罐中配比，每个球磨罐中放置100ml酒精与10gh-bn，球料比20:1，大中小研磨球的重量比例分别为5:3:2，研磨球的直径分别为15mm，10mm，5mm；向球磨罐内通ar气并密封，球磨转速设置为350r/min，球磨总时间设置为80min，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min；球磨结束后，将球磨液取出进行超声分散，时间为2h；超声结束后取上层清液，放入真空干燥箱内抽真空进行干燥，干燥后的粉末即为氮化硼纳米片(bnnss)。
步骤二，将bnnss与原始ti粉通过混合球磨制备出ti/bnnss复合粉末；将制备的bnnss与原始ti粉在球磨罐内进行混合，ti粉的平均粒径为29μm，bnnss的体积比例为0.1％，球料比20:1；向球磨罐内通ar气并密封，球磨转速设置为50r/min，球磨总时间设置为2h，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min，最终制备得到bnnss/ti复合粉末。
本发明所述的复合涂层制备方法具体包括以下步骤：
步骤1：使用冷喷涂设备制备ti/bnnss复合涂层；对复合粉末进行团聚与筛分，采用平均粒径为40-75μm作为冷喷涂的粉末；采用纯度为99.9％的n2作为推进气体，通过气体加热装置调整气体温度为300～800℃，气体压力为1.5-3mpa，控制送粉速度为20g/min，喷嘴与工件表面的距离为40～50mm，喷嘴与工件表面之间的相对线速度为33～300mm/s，控制单层喷涂厚度为15～20μm，涂层总厚度为3mm，最终在零件表面形成冷喷涂复合涂层。
步骤2：使用放电等离子烧结设备对涂层进行后处理；对冷喷涂后的复合涂层进行放电等离子烧结，温度设置为850℃，保温时间设置为5min，升温速率设置为50℃/min，降温速率设置为50℃/min，最终得到再制造的复合涂层。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种制备ti/bnnss复合粉末的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将六方氮化硼(h-bn)进行高能球磨与超声分散，制备出氮化硼纳米片(bnnss)；
步骤二：将bnnss与原始ti粉通过球磨制备出ti/bnnss复合粉末。
2.根据权利要求1所述的制备ti/bnnss复合粉末的方法，其特征在于，在步骤二中，通过设置球磨机的转速、时间和球料比对混合粉末进行研磨，实现复合粉末粒径的调控和bnnss的均匀分散，得到ti/bnnss复合粉末。
3.根据权利要求1所述的制备ti/bnnss复合粉末的方法，其特征在于，步骤一中，将h-bn粉末在球磨罐中配比，每个球磨罐中放置100ml酒精与10gh-bn，球料比20:1，大中小研磨球的重量比例分别为5:3:2，研磨球的直径分别为15mm，10mm，5mm；向球磨罐内通ar气并密封，球磨转速设置为350r/min，球磨总时间设置为80min，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min；球磨结束后，将球磨液取出进行超声分散，时间为2h；超声结束后取上层清液，放入真空干燥箱内抽真空进行干燥，干燥后的粉末即为bnnss。
4.根据权利要求1所述的制备ti/bnnss复合粉末的方法，其特征在于，步骤二中，将制备的bnnss与原始ti粉在球磨罐内进行混合，ti粉的平均粒径为29μm，bnnss的体积比例为0.1％，球料比20:1；向球磨罐内通ar气并密封，球磨转速设置为50r/min，球磨总时间设置为2h，单次运行时间设置为2min，单次停顿时间设置为2min，最终制备得到bnnss/ti复合粉末。
5.利用权利要求1-4任一项所述的制备ti/bnnss复合粉末的方法制备bnnss/ti复合涂层的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将ti/bnnss复合粉末通过冷喷涂的方式喷涂到工件上，得到ti/bnnss复合涂层；
步骤2：使用放电等离子烧结(sps)方式对ti/bnnss复合涂层进行后处理，使得ti/bnnss复合涂层中的钛和二维bnnss发生原位反应生成零维tib2纳米颗粒与一维tib纳米线。
6.根据权利要求5所述的制备ti/bnnss复合粉末的方法制备的bnnss/ti复合粉末的工艺方法，其特征在于，在步骤1中，将冷喷涂腔室预先抽真空，将ti/bnnss复合粉末送入冷喷涂气体，以压缩氮气作为工作气体，带动粉末碰撞放置于冷喷涂腔室中的基体上，将喷涂粉末原料沉积于工作零件上，形成ti/bnnss复合涂层。
7.根据权利要求5所述的制备ti/bnnss复合粉末的方法制备的bnnss/ti复合涂层的工艺方法，其特征在于，在步骤2中，采用sps对冷喷涂的复合涂层进行热处理；利用烧结装置产生的脉冲电流与压制压力去除涂层内部的残余应力，同时ti与bnnss发生原位反应生成tib纳米线与tib2纳米颗粒，提高复合涂层的力学性能。
8.根据权利要求5所述的制备ti/bnnss复合粉末的方法制备bnnss/ti复合涂层的工艺方法，其特征在于，在步骤1中，对ti/bnnss复合粉末进行团聚与筛分，采用平均粒径为40-75μm作为冷喷涂的粉末；采用纯度为99.9％的n2作为推进气体，通过气体加热装置调整气体温度为300～800℃，气体压力为1.5-3mpa，送粉速度为20g/min，喷嘴与工件表面的距离为40-50mm，喷嘴与工件表面之间的相对线速度为33-300mm/s，单层喷涂厚度为15-20μm，涂层总厚度为3mm，最终在零件表面形成冷喷涂ti/bnnss复合涂层。
9.根据权利要求5所述的制备ti/bnnss复合粉末的方法制备bnnss/ti复合涂层的工艺方法，其特征在于，在步骤2中，对冷喷涂后的复合涂层进行sps，温度设置为850℃，保温时间设置为5min，升温速率设置为50℃/min，降温速率设置为50℃/min。
10.利用权利要求5所述的bnnss/ti复合涂层的工艺方法的应用，其特征在于，该工艺方法通过冷喷涂和放电等离子烧结得到的复合涂层中含有零维tib2纳米颗粒与一维tib纳米线，该工艺方法用于再制造和3d打印。
技术总结