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专利名称：一种功能梯度材料的制备系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411275637.1

专利申请（专利权）人：中国民用航空飞行学院
权利人地址：四川省德阳市广汉市南昌路四段46号

专利发明（设计）人：张艳艳,杨文锋,李飞,刘景丰,张佳林,叶献华,欧阳广,乔千木,张少杰

专利摘要：本发明涉及功能梯度材料技术领域，特别涉及一种功能梯度材料的制备系统。该制备系统，包括制粉装置、混合装置和热压装置；制粉装置包括等离子枪、制粉仓和驱动装置，等离子枪的等离子释放端设置于制粉仓内，驱动装置穿入制粉仓内，通过调节等离子枪的电流与驱动装置的转速和进给速度，在不同的收集仓内制得不同粒度的金属颗粒；混合装置用于将制粉装置制备的不同粒度的金属颗粒分别和不同比例的陶瓷粉末混合均匀，得到混合颗粒；热压装置用于进行热压烧结处理，得到多个层状烧结体，再对多个叠加在一起的层状烧结体进行热压烧结处理后，得到功能梯度材料。本发明提供的制备系统，能够提供一种兼顾硬度和韧性的功能梯度材料。

主权利要求：
1.一种功能梯度材料的制备系统，其特征在于，包括制粉装置、混合装置和热压装置；
所述制粉装置包括等离子枪（1）、制粉仓（2）和驱动装置（3），所述等离子枪（1）的等离子释放端设置于所述制粉仓（2）内，所述驱动装置（3）穿入所述制粉仓（2）内，与所述等离子枪（1）相对，所述驱动装置（3）穿入所述制粉仓（2）的一端用于放置待熔融制粉的金属棒材（4），所述驱动装置（3）用于驱动所述金属棒材（4）周向旋转和轴向进退，所述金属棒材（4）和所述等离子枪（1）均竖直方向设置，所述制粉仓（2）内以所述金属棒材（4）的轴向为中心设置有多个筒状板（5），多个筒状板（5）将所述制粉仓（2）内分割出多个收集仓（6），通过调节所述等离子枪（1）的电流与所述驱动装置（3）的转速和进给速度，在不同的收集仓（6）内制得不同粒度的金属颗粒；
在利用所述混合装置混合所述金属颗：吞沾煞勰┦，所述金属颗粒的粒径越细，所述陶瓷粉末的比例越高；
所述金属颗粒包括钛合金，所述陶瓷粉末包括含硼、碳和/或氮元素的陶瓷粉末；
所述混合装置用于将所述制粉装置制备的不同粒度的所述金属颗粒分别和不同比例的陶瓷粉末混合均匀，得到混合颗粒；
所述热压装置用于对含有不同比例陶瓷粉末金属陶瓷混合颗粒进行热压烧结处理，得到多个层状烧结体，再对多个按陶瓷含量多少为顺序叠加在一起的所述层状烧结体进行热压烧结处理，得到功能梯度材料；
在对每组所述混合颗粒分别进行首次热压烧结处理时，所述混合颗粒中金属颗粒比例越高，所述首次热压烧结的温度越高；
在对叠加的所述层状烧结体进行热压烧结时，在陶瓷含量最低的所述层状烧结体的一侧设置隔热层后，进行再次热压烧结，得到所述功能梯度材料；
首次热压烧结的温度包括800 1200℃，首次热压烧结的压力包括80 120MPa；
~ ~
再次热压烧结的温度包括950 1100℃，压力包括100 150MPa。
~ ~
2.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述驱动装置（3）与所述制粉仓（2）为旋转动密封连接。
3.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述制粉仓（2）底部由中心向四周倾斜，其中，中心高，四周低，每个所述收集仓（6）的最低处设置有可开闭的进出口，所述进出口用于收集制得的所述金属颗粒。
4.根据权利要求3所述的制备系统，其特征在于，所述进出口连接有收集管道以收集所述金属颗粒，所述进出口设置有阀门以对所述进出口进行开闭控制。
5.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，还包括抽真空装置，所述抽真空装置用于对所述制粉仓（2）内抽真空。
6.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述混合装置包括球磨装置。 说明书 : 一种功能梯度材料的制备系统技术领域[0001] 本发明涉及功能梯度材料技术领域，特别涉及一种功能梯度材料的制备系统。背景技术[0002] 随着开云优惠体育网页版入口水平的提高，人们对材料性质上的需求日益多样化。[0003] 现有技术中，随着材料的硬度提高，韧性会降低，反之亦然。但是，在航空航天领域内，对材料的韧性和硬度均有较高需求。[0004] 因此，需要一种能够制备得到兼顾硬度和韧性的功能梯度材料的系统。发明内容[0005] 本发明实施例提供了一种功能梯度材料的制备系统，能够提供一种兼顾硬度和韧性的功能梯度材料。[0006] 本发明实施例提供一种功能梯度材料的制备系统，包括制粉装置、混合装置和热压装置；[0007] 所述制粉装置包括等离子枪、制粉仓和驱动装置，所述等离子枪的等离子释放端设置于所述制粉仓内，所述驱动装置穿入所述制粉仓内，与所述等离子枪相对，所述驱动装置穿入所述制粉仓的一端用于放置待熔融制粉的金属棒材，所述驱动装置用于驱动所述金属棒材周向旋转和轴向进退，所述金属棒材和所述等离子枪均竖直方向设置，所述制粉仓内以所述金属棒材的轴向为中心设置有多个筒状板，多个筒状板将所述制粉仓内分割出多个收集仓，通过调节所述等离子枪的电流与所述驱动装置的转速和进给速度，在不同的收集仓内制得不同粒度的金属颗粒；[0008] 所述混合装置用于将所述制粉装置制备的不同粒度的所述金属颗粒分别和不同比例的陶瓷粉末混合均匀，得到混合颗粒；[0009] 所述热压装置用于对含有不同比例陶瓷粉末金属陶瓷混合颗粒进行热压烧结处理，得到多个层状烧结体，再对多个按陶瓷含量多少为顺序叠加在一起的所述层状烧结体进行热压烧结处理，得到功能梯度材料。[0010] 在一种可能的设计中，所述驱动装置与所述制粉仓为旋转动密封连接。[0011] 在一种可能的设计中，所述制粉仓底部由中心向四周倾斜，其中，中心高，四周低，每个所述收集仓的最低处设置有可开闭的进出口，所述进出口用于收集制得的所述金属颗粒。[0012] 在一种可能的设计中，所述进出口连接有收集管道以收集所述金属颗粒，所述进出口设置有阀门以对所述进出口进行开闭控制。[0013] 在一种可能的设计中，还包括抽真空装置，所述抽真空装置用于对所述制粉仓内抽真空。[0014] 在一种可能的设计中，所述混合装置包括球磨装置。[0015] 在一种可能的设计中，在利用所述混合装置混合所述金属颗：退鎏沾煞勰┦，所述金属颗粒的粒径越细，所述陶瓷粉末的比例越高。[0016] 在一种可能的设计中，所述金属颗粒包括钛合金，所述陶瓷粉末包括含硼、碳和/或氮元素的陶瓷粉末。[0017] 在一种可能的设计中，在对每组所述混合颗粒分别进行首次热压烧结时，所述混合颗粒中金属颗粒比例越高，所述首次热压烧结的温度越高。[0018] 在一种可能的设计中，在对叠加的所述层状烧结体进行热压烧结时，在陶瓷含量最低的所述层状烧结体的一侧设置隔热层后，进行再次热压烧结，得到所述功能梯度材料。[0019] 本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：[0020] 在本发明中，先通过驱动装置控制金属棒材的转速来制备粒径不同的金属颗粒。转速越快，金属颗粒的粒径越。淙吹乃俣仍娇，晶体的尺寸越。粗，转速越慢，金属颗粒的粒径越大，冷却的速度越慢，晶体的尺寸越大。晶体的尺寸越。捕仍礁，晶体的尺寸越大，韧性越好。综上，通过控制金属棒材转速，能够得到粒径小、晶体尺寸小的小金属颗：土＞洞、晶体尺寸大的大金属颗粒。将不同粒径的金属颗：筒煌寤奶沾煞勰┰诨旌献爸弥谢旌，粒径越小的金属颗粒，混合陶瓷粉末的比例越高，得到多组混合颗粒。在多组混合颗粒中，金属颗粒的粒径越。旌峡帕Ｖ刑沾煞勰┑谋壤驮礁。陶瓷粉末的加入能够提升材料的耐烧蚀性能，同时，能够在烧结成型时在金属晶粒的边界发生反应，生成的陶瓷体填充分布在金属晶粒的边界，增加材料本身的硬度，陶瓷粉末的比例越高，硬度提升的越明显，反之，陶瓷粉末比例越少，韧性相对越高。分别对每组混合颗粒进行首次热压烧结，得到多个层状烧结体，再将多个层状烧结体以其中陶瓷含量为序沿厚度方向叠加，进行再次热压烧结，得到功能梯度材料。得到的材料沿厚度方向的陶瓷含量不同，晶体尺寸不同，一侧晶体尺寸。沾珊扛，具有高硬度，另一侧晶体尺寸大，陶瓷含量少，甚至没有陶瓷，韧性好，中间部分硬度和韧性梯度变化。附图说明[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0022] 图1是本发明实施例提供的一种制粉装置的结构示意图。[0023] 图中：[0024] 1?等离子枪；[0025] 2?制粉仓；[0026] 3?驱动装置；[0027] 4?金属棒材；[0028] 5?筒状板；[0029] 6?收集仓。具体实施方式[0030] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0031] 在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0032] 本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。[0033] 请参照图1，一种功能梯度材料的制备系统，包括制粉装置、混合装置和热压装置；[0034] 所述制粉装置包括等离子枪1、制粉仓2和驱动装置3，所述等离子枪1的等离子释放端设置于所述制粉仓2内，所述驱动装置3穿入所述制粉仓2内，与所述等离子枪1相对，所述驱动装置3穿入所述制粉仓2的一端用于放置待熔融制粉的金属棒材4，所述驱动装置3用于驱动所述金属棒材4周向旋转和轴向进退，所述金属棒材4和所述等离子枪1均竖直方向设置，所述制粉仓2内以所述金属棒材4的轴向为中心设置有多个筒状板5，多个筒状板5将所述制粉仓2内分割出多个收集仓6，通过调节所述等离子枪1的电流与所述驱动装置3的转速和进给速度，在不同的收集仓6内制得不同粒度的金属颗粒；[0035] 所述混合装置用于将所述制粉装置制备的不同粒度的所述金属颗粒分别和不同比例的陶瓷粉末混合均匀，得到混合颗粒；[0036] 所述热压装置用于对含有不同比例陶瓷粉末金属陶瓷混合颗粒进行热压烧结处理，得到多个层状烧结体，再对多个按陶瓷含量多少为顺序叠加在一起的所述层状烧结体进行热压烧结处理，得到功能梯度材料。[0037] 在本发明中，先通过驱动装置3控制金属棒材4的转速来制备粒径不同的金属颗粒。转速越快，金属颗粒的粒径越。淙吹乃俣仍娇，晶体的尺寸越。粗，转速越慢，金属颗粒的粒径越大，冷却的速度越慢，晶体的尺寸越大。晶体的尺寸越。捕仍礁，晶体的尺寸越大，韧性越好。综上，通过控制金属棒材4转速，能够得到粒径小、晶体尺寸小的小金属颗：土＞洞、晶体尺寸大的大金属颗粒。将不同粒径的金属颗：筒煌寤奶沾煞勰┰诨旌献爸弥谢旌，粒径越小的金属颗粒，混合陶瓷粉末的比例越高，得到多组混合颗粒。在多组混合颗粒中，金属颗粒的粒径越。旌峡帕Ｖ刑沾煞勰┑谋壤驮礁。陶瓷粉末的加入能够提升材料的耐烧蚀性能，同时，能够在烧结成型时在金属晶粒的边界发生反应，生成的陶瓷体填充分布在金属晶粒的边界，增加材料本身的硬度，陶瓷粉末的比例越高，硬度提升的越明显，反之，陶瓷粉末比例越少，韧性相对越高。分别对每组混合颗粒进行首次热压烧结，得到多个层状烧结体，再将多个层状烧结体以其中陶瓷含量为序沿厚度方向叠加，进行再次热压烧结，得到功能梯度材料。得到的材料沿厚度方向的陶瓷含量不同，晶体尺寸不同，一侧晶体尺寸。沾珊扛，具有高硬度，另一侧晶体尺寸大，陶瓷含量少，甚至没有陶瓷，韧性好，中间部分硬度和韧性梯度变化。[0038] 需要说明的是，大粒径金属颗粒可以和少量的陶瓷粉末混合，也可以不混合陶瓷粉末，上述不同量的陶瓷粉末包括0含量陶瓷粉末。[0039] 在本发明的一些实施例中，所述驱动装置3与所述制粉仓2为旋转动密封连接。[0040] 在本发明的一些实施例中，所述制粉仓2底部由中心向四周倾斜，其中，中心高，四周低，每个所述收集仓6的最低处设置有可开闭的进出口，所述进出口用于收集制得的所述金属颗粒。[0041] 在本发明的一些实施例中，所述进出口连接有收集管道以收集所述金属颗粒，所述进出口设置有阀门以对所述进出口进行开闭控制。[0042] 在本发明的一些实施例中，还包括抽真空装置，所述抽真空装置用于对所述制粉仓2内抽真空。[0043] 在本发明的一些实施例中，所述混合装置包括球磨装置。[0044] 在本发明的一些实施例中，在利用所述混合装置混合所述金属颗：退鎏沾煞勰┦，所述金属颗粒的粒径越细，所述陶瓷粉末的比例越高。[0045] 在本发明的一些实施例中，金属颗粒包括钛合金。[0046] 在本实施例中，钛合金具有耐高温、力学性能优异和轻质的特点，适用于航空航天领域。[0047] 在本发明的一些实施例中，陶瓷粉末包括含硼、碳和/或氮元素的陶瓷粉末。[0048] 在本实施例中，含硼、碳和/或氮元素的陶瓷粉末能够和钛反应得到能够增加硬度的陶瓷体。[0049] 在本发明的一些实施例中，陶瓷粉末的粒径包括5 10μm。~[0050] 在本实施例中，陶瓷粉末的粒径在5 10μm范围内，能够较好地混合包裹金属颗粒，~增加金属颗：吞沾煞勰┑慕哟ッ娼，增加结合或反应的效率。[0051] 在本发明的一些实施例中，根据需求确定金属颗粒的不同粒级范围，根据粒级范围，在8000 35000rpm之间分配等离子旋转电极工艺中旋转电极的转速；根据旋转电极的转~速，在600 1200A的范围内控制等离子旋转电极工艺中的电流值，得到5 20μm不同粒级的微~ ~米级金属颗粒；其中，电流和转速为反比例关系。[0052] 在本实施例中，可以分别控制转速为8000 10000rpm、18000 20000rpm、30000~ ~ ~35000rpm，三个转速依次分别对应1000 1200A、800 1000A和600 800A。电流越高，电极的温~ ~ ~度越高，金属材料的熔融程度越高，熔融程度越高，甩出的颗粒越大，此外，转速越慢，离心力甩出的颗粒越大，因此，低转速配合高电流能够得到大粒径的金属颗粒，高转速配合低电流能够得到小粒径的金属颗粒。[0053] 当然，也可以根据需求在8000 35000rpm之间设置更多不同转速，以得到更多不同~粒径的金属颗粒。电流同样可以根据不同转速进行适应性调整。[0054] 在本发明的一些实施例中，在对每组混合颗粒分别进行首次热压烧结时，混合颗粒中金属颗粒比例越高，首次热压烧结的温度越高。[0055] 在本申请中，首次热压烧结的温度影响了金属的重结晶程度，温度越高，重结晶的程度越好，得到的晶粒越大，温度较低时，金属重结晶程度低或是不发生重结晶，因此，通过控制首次热压烧结的温度在一个较高温度，能够使大金属晶粒的混合颗粒烧结后，晶粒进一步增大；通过控制第一烧结温度在一个较低的温度，仅仅使混合颗粒互相结合压实，不会或很少发生重结晶，使小金属晶粒的混合颗粒烧结后，晶粒保持在较小的程度。[0056] 在本发明的一些实施例中，在对叠加的所述层状烧结体进行热压烧结时，在陶瓷含量最低的所述层状烧结体的一侧设置隔热层后，进行再次热压烧结，得到所述功能梯度材料。[0057] 在本实施例中，在陶瓷含量最低的层状烧结体一侧设置隔热层后，在进行再次热压烧结时，其升温速度慢，但随着时间推移，其仍能达到能够使钛晶体由密排六方最密堆积结构转变为体心立方结构的温度（900℃），随着再次热压烧结的结束，温度开始逐渐降低，但是，由于隔热层的存在，陶瓷含量低的部位降温速度慢，降温速度与体心立方结构晶体的含量有关，降温速度越慢，体心立方结构晶体的含量越低，材料的韧性越强，降温速度越快，体心立方结构晶体的含量越高，材料的硬度越强。[0058] 需要说明的是，虽然再次热压烧结同样会引起重结晶，但是，较大的晶体和较小的晶体均发生重结晶后，二者之间的大小关系依然不变。此外，较小晶体的层状烧结体内部小晶体的边界处分布着陶瓷相，其限制了重结晶的程度，因此，较小晶体的层状烧结体内部仅有部分晶体发生重结晶，对整体晶体颗粒的变化影响较小。[0059] 在本发明的一些实施例中，首次热压烧结的温度包括800 1200℃，首次热压烧结~的压力包括80 120MPa。~[0060] 在本发明的一些实施例中，再次热压烧结的温度包括950 1100℃，压力包括100~ ~150MPa。[0061] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-09-12

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118788971B