本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)合金屬陶瓷及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
超硬合金的金屬陶瓷顆粒作為一類特殊工具材料已經(jīng)廣泛用于刀具切削、礦產(chǎn)開發(fā)、基礎(chǔ)建設(shè)(盾構(gòu)工具)以及石油鉆井等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，常規(guī)金屬陶瓷遇到的最大挑戰(zhàn)是無法同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性，現(xiàn)有技術(shù)中的金屬陶瓷，在提高其耐磨性的同時(shí)，其斷裂韌性將會降低，反之亦然。目前盾構(gòu)領(lǐng)域的金屬陶瓷顆粒主要是粗晶粒的傳統(tǒng)的均勻顯微結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金，雖然斷裂韌性較高，但耐磨性非常低，成為鑿巖刀具壽命短的根本原因。
現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)金屬陶瓷存在著無法同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性的技術(shù)缺陷，使得其應(yīng)用受到限制。
因此，研發(fā)出一種復(fù)合金屬陶瓷及其應(yīng)用，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)金屬陶瓷存在著無法同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性的技術(shù)缺陷，成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種復(fù)合金屬陶瓷及其應(yīng)用，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)金屬陶瓷存在著無法同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性的技術(shù)缺陷。
本發(fā)明提供了一種復(fù)合金屬陶瓷，所述復(fù)合金屬陶瓷由中心層至表層依次為：耐磨相、過渡相和增韌基體相；
所述耐磨相選自Co-Cr合金、鎳基合金、304不銹鋼以及W18高速鋼中的一種或多種。
優(yōu)選地，所述W18高速鋼為W18Cr4V。
優(yōu)選地，所述過渡相為WC-Co合金。
優(yōu)選地，所述WC-Co合金中，Co的質(zhì)量百分含量為5～15％。
優(yōu)選地，所述WC-Co合金中，WC的粒徑為20～5000nm。
優(yōu)選地，所述增韌基體相選自：Co-Ni-Cr-Y、Cu-Ni或Co-Ni中的一種或多種。
優(yōu)選地，所述耐磨相、過渡相和增韌基體相的體積比為(30～80):(2～40):(10～68)。
優(yōu)選地，所述耐磨相、過渡相和增韌基體相的體積比為(40～75):(10～30):(17～58)。
優(yōu)選地，所述耐磨相、過渡相和增韌基體相的體積比為(60～70):(15～25):(24～38)。
本發(fā)明還提供了一種包括以上任意一項(xiàng)所述的復(fù)合金屬陶瓷在刀具切削、礦產(chǎn)開發(fā)、盾構(gòu)工具以及石油鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種復(fù)合金屬陶瓷，所述復(fù)合金屬陶瓷由中心層至表層依次為：耐磨相、過渡相和增韌基體相；所述耐磨相選自Co-Cr合金、鎳基合金、304不銹鋼以及W18高速鋼中的一種或多種。本發(fā)明還提供了一種上述制備方法得到的在刀具切削、礦產(chǎn)開發(fā)、盾構(gòu)工具以及石油鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定可得，本發(fā)明提供的技術(shù)方案制得的產(chǎn)品，強(qiáng)度可滿足刀具切削、礦產(chǎn)開發(fā)、盾構(gòu)工具以及石油鉆井應(yīng)用需求；同時(shí)，本發(fā)明中的復(fù)合金屬陶瓷，可同時(shí)提高金屬陶瓷的耐磨性和強(qiáng)度。解決了現(xiàn)有技術(shù)中，金屬陶瓷顆粒存在著無法同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性的技術(shù)缺陷。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種復(fù)合金屬陶瓷及其應(yīng)用，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)金屬陶瓷存在著無法同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性的技術(shù)缺陷。
下面將對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
為了更詳細(xì)說明本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的一種復(fù)合金屬陶瓷及其應(yīng)用，進(jìn)行具體地描述。
實(shí)施例1
本實(shí)施例為制備產(chǎn)品1的具體實(shí)施例。產(chǎn)品1中，耐磨相、過渡相和增韌基體相的體積比為60:15:38。本實(shí)施例中，耐磨相為Co-Cr合金，過渡相為WC-Co合金，增韌基體相為Cu-Ni合金。其中，過渡相中，Co的質(zhì)量百分含量為15％，WC的粒徑為3000nm。
耐磨相在壓力為20MPa、溫度為1400℃條件下制粒90min，冷卻至室溫后，過40μm篩，得第一產(chǎn)物1。
第一產(chǎn)物1和過渡相混合，在200r/min的轉(zhuǎn)速下濕磨3h，得濕磨產(chǎn)物1。濕磨產(chǎn)物1在60℃條件下干燥后，依次經(jīng)過篩和制粒，得球粒1。球粒1在氫氣氣氛下，在400℃條件下脫蠟2h，得脫蠟產(chǎn)物1。脫蠟產(chǎn)物1在真空中，1200℃條件下燒結(jié)，得第二產(chǎn)物1。
第二產(chǎn)物1和增韌基體相混合，在200r/min的轉(zhuǎn)速下濕磨1.5h，得濕磨產(chǎn)物11。濕磨產(chǎn)物11在60℃條件下干燥后，依次經(jīng)過篩和制粒，得球粒11。球粒11在氫氣氣氛下，在400℃條件下脫蠟1h，得脫蠟產(chǎn)物11。脫蠟產(chǎn)物11在真空中，1200℃條件下燒結(jié)，得第三產(chǎn)物1。
第三產(chǎn)物1經(jīng)激光選區(qū)熔化法，得產(chǎn)品1。
產(chǎn)品1在SLM(選區(qū)激光熔化)類型設(shè)備中平鋪后在1400～1500℃條件下加熱形成當(dāng)前層；采用激光束按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使產(chǎn)品1燒結(jié)，形成截面層。其中，激光束的功率為400W，掃描間距為0.06mm，掃描速度為1000mm/s，光斑直徑為70μm，能量密度為107W/cm2。在截面層上再次平鋪硬質(zhì)合金顆粒重復(fù)上述步驟的操作過程，直至得到預(yù)設(shè)形狀的硬質(zhì)合金。
實(shí)施例2
本實(shí)施例為制備產(chǎn)品2的具體實(shí)施例。產(chǎn)品2中，耐磨相、過渡相和增韌基體相的體積比為70:20:30。本實(shí)施例中，耐磨相為鎳基合金，過渡相為WC-Co合金，增韌基體相為Co-Ni-Cr-Y合金。其中，過渡相中，Co的質(zhì)量百分含量為10％，WC的粒徑為5000nm。
耐磨相在壓力為20MPa、溫度為1350℃條件下制粒90min，冷卻至室溫后，過60μm篩，得第一產(chǎn)物2。
第一產(chǎn)物2和過渡相混合，在150r/min的轉(zhuǎn)速下濕磨1h，得濕磨產(chǎn)物2。濕磨產(chǎn)物2在60℃條件下干燥后，依次經(jīng)過篩和制粒，得球粒2。球粒2在氫氣氣氛下，在300℃條件下脫蠟1.7h，得脫蠟產(chǎn)物2。脫蠟產(chǎn)物2在真空中，1000℃條件下燒結(jié)，得第二產(chǎn)物2。
第二產(chǎn)物2和增韌基體相混合，在100r/min的轉(zhuǎn)速下濕磨2h，得濕磨產(chǎn)物22。濕磨產(chǎn)物22在60℃條件下干燥后，依次經(jīng)過篩和制粒，得球粒22。球粒22在氫氣氣氛下，在400℃條件下脫蠟0.5h，得脫蠟產(chǎn)物22。脫蠟產(chǎn)物22在真空中，1300℃條件下燒結(jié)，得第三產(chǎn)物2。
第三產(chǎn)物1經(jīng)激光選區(qū)熔化法，得產(chǎn)品2。
產(chǎn)品2在SLM(選區(qū)激光熔化)類型設(shè)備中平鋪后在1400～1500℃條件下加熱形成當(dāng)前層；采用激光束按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使產(chǎn)品2燒結(jié)，形成截面層。其中，激光束的功率為400W，掃描間距為0.06mm，掃描速度為1000mm/s，光斑直徑為70μm，能量密度為107W/cm2。在截面層上再次平鋪硬質(zhì)合金顆粒重復(fù)上述步驟的操作過程，直至得到預(yù)設(shè)形狀的硬質(zhì)合金。
實(shí)施例3
本實(shí)施例為制備產(chǎn)品3的具體實(shí)施例。產(chǎn)品3中，耐磨相、過渡相和增韌基體相的體積比為62:25:24。本實(shí)施例中，耐磨相為304不銹鋼，過渡相為WC-Co合金，增韌基體相為Co-Ni合金。其中，過渡相中，Co的質(zhì)量百分含量為5％，WC的粒徑為20nm。
耐磨相在壓力為20MPa、溫度為1450℃條件下制粒90min，冷卻至室溫后，過30μm篩，得第一產(chǎn)物3。
第一產(chǎn)物3和過渡相混合，在300r/min的轉(zhuǎn)速下濕磨4h，得濕磨產(chǎn)物3。濕磨產(chǎn)物3在60℃條件下干燥后，依次經(jīng)過篩和制粒，得球粒3。球粒3在氫氣氣氛下，在500℃條件下脫蠟1.5h，得脫蠟產(chǎn)物3。脫蠟產(chǎn)物3在真空中，1300℃條件下燒結(jié)，得第二產(chǎn)物3。
第二產(chǎn)物3和增韌基體相混合，在170r/min的轉(zhuǎn)速下濕磨1h，得濕磨產(chǎn)物33。濕磨產(chǎn)物33在60℃條件下干燥后，依次經(jīng)過篩和制粒，得球粒33。球粒33在氫氣氣氛下，在300℃條件下脫蠟0.7h，得脫蠟產(chǎn)物33。脫蠟產(chǎn)物33在真空中，1000℃條件下燒結(jié)，得第三產(chǎn)物3。
第三產(chǎn)物3經(jīng)激光選區(qū)熔化法，得產(chǎn)品3。
產(chǎn)品3在SLM(選區(qū)激光熔化)類型設(shè)備中平鋪后在1400～1500℃條件下加熱形成當(dāng)前層；采用激光束按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使產(chǎn)品3燒結(jié)，形成截面層。其中，激光束的功率為400W，掃描間距為0.06mm，掃描速度為1000mm/s，光斑直徑為70μm，能量密度為107W/cm2。在截面層上再次平鋪硬質(zhì)合金顆粒重復(fù)上述步驟的操作過程，直至得到預(yù)設(shè)形狀的硬質(zhì)合金。
實(shí)施例4
本實(shí)施例為制備產(chǎn)品4的具體實(shí)施例。產(chǎn)品4中，耐磨相、過渡相和增韌基體相的體積比為40:10:58。本實(shí)施例中，耐磨相為Co-Cr合金，過渡相為WC-Co合金，增韌基體相為Cu-Ni合金。其中，過渡相中，Co的質(zhì)量百分含量為15％，WC的粒徑為3000nm。
耐磨相在壓力為20MPa、溫度為1400℃條件下制粒90min，冷卻至室溫后，過40μm篩，得第一產(chǎn)物4。
第一產(chǎn)物4和過渡相混合，在200r/min的轉(zhuǎn)速下濕磨3h，得濕磨產(chǎn)物4。濕磨產(chǎn)物4在60℃條件下干燥后，依次經(jīng)過篩和制粒，得球粒4。球粒4在氫氣氣氛下，在400℃條件下脫蠟2h，得脫蠟產(chǎn)物4。脫蠟產(chǎn)物4在真空中，1200℃條件下燒結(jié)，得第二產(chǎn)物4。
第二產(chǎn)物4和增韌基體相混合，在200r/min的轉(zhuǎn)速下濕磨3h，得濕磨產(chǎn)物44。濕磨產(chǎn)物44在60℃條件下干燥后，依次經(jīng)過篩和制粒，得球粒44。球粒44在氫氣氣氛下，在400℃條件下脫蠟2h，得脫蠟產(chǎn)物44。脫蠟產(chǎn)物44在真空中，1200℃條件下燒結(jié)，得第三產(chǎn)物4。
第三產(chǎn)物4經(jīng)激光選區(qū)熔化法，得產(chǎn)品4。
產(chǎn)品4在SLM(選區(qū)激光熔化)類型設(shè)備中平鋪后在1400～1500℃條件下加熱形成當(dāng)前層；采用激光束按照預(yù)設(shè)的當(dāng)前層截面輪廓進(jìn)行掃描，使產(chǎn)品4燒結(jié)，形成截面層。其中，激光束的功率為400W，掃描間距為0.06mm，掃描速度為1000mm/s，光斑直徑為70μm，能量密度為107W/cm2。在截面層上再次平鋪硬質(zhì)合金顆粒重復(fù)上述步驟的操作過程，直至得到預(yù)設(shè)形狀的硬質(zhì)合金。
實(shí)施例5
本實(shí)施例為測定實(shí)施例1～實(shí)施例4制得的產(chǎn)品1～產(chǎn)品4斷裂韌性、耐磨性以及硬度的具體實(shí)施例。
本實(shí)施例中所使用的對照品為市售常規(guī)3D打印產(chǎn)品。
本實(shí)施例中，樣品斷裂韌性的測定標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E399，樣品耐磨性的測定標(biāo)準(zhǔn)為ASTM B611。
所得測定結(jié)果請參閱表1。
表1產(chǎn)品合金性能
從實(shí)施例1至實(shí)施例5可以得出，實(shí)施例1～實(shí)施例4制得的產(chǎn)品1～產(chǎn)品4的耐磨性及斷裂韌性在滿足刀具切削、礦產(chǎn)開發(fā)、盾構(gòu)工具以及石油鉆井應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，還可以同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性。解決了現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)金屬陶瓷材料存在著無法同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性的技術(shù)缺陷。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種復(fù)合金屬陶瓷，所述復(fù)合金屬陶瓷由中心層至表層依次為：耐磨相、過渡相和增韌基體相；所述耐磨相選自Co-Cr合金、鎳基合金、304不銹鋼以及W18高速鋼中的一種或多種。本發(fā)明還提供了一種上述復(fù)合金屬陶瓷在刀具切削、礦產(chǎn)開發(fā)、盾構(gòu)工具以及石油鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定可得，本發(fā)明提供的技術(shù)方案制得的產(chǎn)品，強(qiáng)度可滿足刀具切削、礦產(chǎn)開發(fā)、盾構(gòu)工具以及石油鉆井應(yīng)用需求；同時(shí)，本發(fā)明中的復(fù)合金屬陶瓷，可同時(shí)提高金屬陶瓷的耐磨性和強(qiáng)度。解決了現(xiàn)有技術(shù)中，金屬陶瓷顆粒存在著無法同時(shí)提高耐磨性和斷裂韌性的技術(shù)缺陷。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。