一种利用电射流沉积技术制备层状复合陶瓷刀具材料素坯的
方法
技术领域
背景技术
[0002] 层状复合陶瓷刀具材料是一种模拟了贝壳微观结构的仿生结构材料，其一般是在脆性陶瓷材料层与层之间添加不同材料层以克服陶瓷脆性大等
缺陷。与普通陶瓷刀具相比，层状复合陶瓷刀具具有硬度和抗弯强度高、断裂韧度高、抗热震性好等优点。
[0003] 目前，常见的层状复合陶瓷刀具材料的制备方法主要有流延成型法、凝胶注模成型法和
电泳沉积成型法等。流延成型法是利用刮刀和基带的相对运动将陶瓷浆料制成一定厚度的湿膜，然后经过烘干、去胶、
烧结等工艺成膜。此方法易于实现大尺寸陶瓷
薄膜的批量生产，但对浆料流动性有较高的要求，浆料中含有大量粘结剂和
溶剂，烧结过程中易产生较多的气孔，影响陶瓷刀具性能。凝胶注模成型法采用高分子、催化剂、引发剂和陶瓷颗粒制成陶瓷浆料，将陶瓷浆料注入模具，干燥成坯。此方法易于实现复杂形状陶瓷素坯的成型，但成型坯体的开裂、浆料的气泡问题尚未有效解决。
电泳沉积成型法是在直流
电场的作用下，陶瓷粉体和增强体的悬浮液中荷电质点逐步向
电极迁移，最终在电极上沉积，形成一定形状的坯体。此方法可以实现2μm层厚的陶瓷薄膜制备，且成型坯体界面光滑度较好，但是电泳沉积成型设备复杂，沉积过程常常出现其他电化学反应，影响成膜
质量。
[0004] 综上，现有的层状复合陶瓷刀具的制备工艺仍然存在刀具材料中易留下气孔、坯体易开裂、工艺复杂等问题，因此，有必要开发一种新的复合陶瓷刀具材料的制备方法，以期克服上述问题，获得质量优良的复合陶瓷刀具。
发明内容
[0005] 针对上述
现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种利用电射流沉积技术制备层状复合陶瓷刀具材料素坯的方法。本发明利用电射流沉积技术具有的沉积
精度高(
纳米级)、可控性好、浆料适应性广的特点，通过在微纳米尺度上沉积陶瓷刀具浆料薄层，实现了层状复合陶瓷刀具材料素坯内部材料的有序排列；本发明提出的方法实现了层状复合陶瓷刀具材料素坯加工成型的整体一体化以及内部各陶瓷薄层结构的有序排列，有效避免了成型过程中气孔的出现和坯体开裂的问题，大大简化了层状复合陶瓷刀具的制备工艺，降低了加工成本。
[0006] 本发明的目的之一是提供利用电射流沉积技术制备层状复合陶瓷刀具材料素坯的方法。
[0007] 本发明的目的之二是提供电射流沉积技术制备的层状复合陶瓷刀具材料素坯。
[0008] 本发明的目的之三是提供利用电射流沉积技术制备的层状复合陶瓷刀具材料素坯加工而成的复合陶瓷刀具。
[0009] 本发明的目的之四是提供层状复合陶瓷刀具材料素坯的制备方法及其制备的层状复合陶瓷刀具材料素坯以及由层状复合陶瓷刀具材料素坯加工而成的复合陶瓷刀具的应用。
[0010] 为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
[0011] 首先，本发明公开了一种利用电射流沉积技术制备层状复合陶瓷刀具材料素坯的方法：将陶瓷粉末制成悬浮液后置于电射流沉积装置中，然后将悬浮液
喷涂到模具表面，即得。
[0012] 具体的，所述层状复合陶瓷刀具材料素坯的制备方法包括如下步骤：
[0013] (1)首先将陶瓷粉末与溶剂、粘结剂混合均匀制成悬浮液，然后将悬浮液置于电射流沉积装置的
注射器中，备用；
[0014] (2)将模具放置在电射流沉积装置的
基板上的运动平台上，设置运动平台基板的移动距离、速度及栅格间距，设置悬浮液的流量、高压电源的
电压、金属喷头与
石墨模具之间的距离，将悬浮液沉积在模具中，形成陶瓷薄层；
[0015] (3)重复步骤(2)，即得层状复合陶瓷刀具材料素坯。
[0016] 优选的，所述层状复合陶瓷刀具材料素坯的制备方法包括如下步骤：
[0017] 1)将WC+Ni混合粉末、TiC+Ni合粉末分别与无
水乙醇、粘结剂混合均匀制成WC+Ni悬浮液、TiC+Ni悬浮液，备用；
[0018] 2)将石墨模具放置在电射流沉积装置的XY运动平台基板上，然后将步骤(1)中的WC+Ni悬浮液、TiC+Ni悬浮液分别置于电射流沉积装置的两支注射器中，待用；
[0019] 3)根据要沉积的WC陶瓷薄层的面积设置XY运动平台基板的移动距离、速度及栅格间距，通过微量注射
泵调节注射器中WC+Ni悬浮液的流量，设置高压电源的电压及金属喷头与石墨模具之间的距离，开启微量
注射泵，使WC+Ni悬浮液在金属喷头出口处形成稳定的微米级射流及纳米级液滴，并在石墨模具内沉积出第一层WC陶瓷薄层，并将石墨模具置于电热恒温干燥箱内进行干燥处理，完成第一层WC陶瓷薄层的沉积成型；
[0020] 4)关闭高压电源，通过微量注射泵控制WC+Ni悬浮液停止从金属喷头流出，根据要沉积的TiC陶瓷薄层的面积设置XY运动平台基板的移动距离、速度及栅格间距，通过微量注射泵调节中TiC+Ni悬浮液的流量，设置高压电源的电压及金属喷头与石墨模具之间的距离，开启微量注射泵，使TiC+Ni悬浮液在金属喷头出口处形成稳定的微米级射流及纳米级液滴，并在步骤3)中已沉积的WC陶瓷薄层上沉积出TiC陶瓷薄层，并将石墨模具置于电热恒温干燥箱内进行干燥处理，完成第一层TiC陶瓷薄层的沉积成型；
[0021] 5)重复步骤3)、4)，进行WC陶瓷薄层和TiC陶瓷薄层的交替叠层沉积，制备出所需尺寸规格的层状WC/TiC或陶瓷刀具材料素坯。
[0022] 步骤1)中，所述TiC可用Al2O3代替，相应地，步骤2)～5)中的TiC均被Al2O3代替。
[0023] 步骤1)中，所述WC、TiC、Al2O3、Ni粉末的粒径均小于100nm。
[0024] 步骤3)、4)中，所述高压电源的
输出电压为0.1-10Kv。
[0025] 步骤3)、4)中，所述悬浮液的流量为1×10-12m3·s-1～1×10-10m3·s-1。
[0026] 步骤3)、4)中，所述金属喷头的内径为0.5mm。
[0027] 步骤3)、4)中，所述沉积的
单层陶瓷薄层的高度为2～10mm。
[0028] 步骤3)、4)中，所述悬浮液流量、金属喷头移动速度和喷涂时间由沉积的单层陶瓷薄膜的厚度决定，技术人员可根据需要进行调配，本发明不做限定。
[0029] 其次，本发明公开了利用电射流沉积技术制备的层状复合陶瓷刀具材料素坯。
[0030] 再次，本发明公开了利用电射流沉积技术制备的层状复合陶瓷刀具材料素坯加工而成的复合陶瓷刀具。
[0031] 最后，本发明还公开了层状复合陶瓷刀具材料素坯的制备方法及其制备的层状复合陶瓷刀具材料素坯以及由层状复合陶瓷刀具材料素坯加工而成的复合陶瓷刀具在
机械加工领域中的应用。
[0032] 与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
[0033] (1)本发明利用电射流沉积技术具有的沉积精度高(纳米级)、可控性好、浆料适应性广的特点，通过在微纳米尺度上沉积陶瓷刀具浆料薄层，实现了层状复合陶瓷刀具材料素坯内部材料的有序排列；本发明提出的方法实现了层状复合陶瓷刀具材料素坯加工成型的整体一体化以及内部各陶瓷薄层结构的有序排列，有效避免了成型过程中气孔的出现和坯体开裂的问题，大大简化了层状复合陶瓷刀具的制备工艺，降低了加工成本。
[0034] (2)本发明利用电射流沉积技术，通过有序地改变沉积悬浮液种类，实现了不同陶瓷薄膜的叠层沉积成型，同时，由于这种沉积方法能够方便地调节沉积参数，实现不同结构、尺寸的陶瓷薄层的沉积成型，能够很好地适应高性能层状复合陶瓷刀具材料对内部材料和结构变化的需要，同时，电射流沉积成型方法工艺简单，加工成本低，可实现层状复合陶瓷刀具材料素坯批量制作。
附图说明
[0035] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性
实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0036] 图1为本发明制备层状复合陶瓷刀具材料素坯所采用的电射流沉积装置示意图。
[0037] 图2为本发明制备层状复合陶瓷刀具材料素坯的工艺示意图。
[0038] 附图中标记分别代表：1-注射器，2-TiC+Ni悬浮液或Al2O3+Ni悬浮液，3-WC+Ni悬浮液，4-微量注射泵，5-计算机，6-显微相机，7-XY运动平台，8-基板，9-石墨模具，10-纳米级液滴，11-射流，12-金属喷头，13-喷头夹具，14-
硅橡胶管，15-高压电源，16-接地极板。
具体实施方式
[0039] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0040] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0041] 正如背景技术所介绍的，现有的层状复合陶瓷刀具的制备工艺仍然存在刀具材料中易留下气孔、坯体易开裂、工艺复杂等问题，因此，本发明提出了一种利用电射流沉积技术制备的层状复合陶瓷刀具材料素坯的方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
[0042] 实施例1
[0043] 如图1-2所示，一种利用电射流沉积技术制备层状复合陶瓷刀具材料素坯的方法，包括如下步骤：
[0044] 1)将WC+Ni混合粉末、TiC+Ni合粉末分别与无水乙醇、粘结剂混合均匀制成WC+Ni悬浮液、TiC+Ni悬浮液，备用；其中，WC和TiC为基体相，Ni为金属相，所述WC、TiC、Al2O3、Ni粉末的粒径均小于100nm。
[0045] 2)将石墨模具9放置在电射流沉积装置的XY运动平台7的基板8上，然后将步骤(1)中的WC+Ni悬浮液、TiC+Ni悬浮液分别置于电射流沉积装置的两支注射器1中，待用；
[0046] 3)设定XY运动平台7在X、Y方向移动距离均为40mm，X、Y方向速度皆为2mm/s，栅格间距为0.2mm，通过微量注射泵4调节WC+Ni悬浮液3的流量为8×10-12m3·s-1、高压电源15输出电压为4.5Kv，沉积高度为6mm，设置金属喷头12(内径为0.5mm)与石墨模具9之间的距离为5cm，开启微量注射泵，使WC+Ni悬浮液3在金属喷头12出口处形成稳定的微米级射流11及纳米级液滴10，并在石墨模具9内沉积出第一层WC陶瓷薄层，并将石墨模具9置于电热恒温干燥箱内进行干燥处理，完成第一层WC陶瓷薄层的沉积成型，
[0047] 4)关闭高压电源15，通过微量注射泵4控制WC+Ni悬浮液3停止从金属喷头12流出，设定XY运动平台7在X、Y方向移动距离均为40mm，X、Y方向速度皆为2mm/s，栅格间距为0.2mm，通过微量注射泵4调节注射器中TiC+Ni悬浮液2的流量为8×10-12m3·s-1、高压电源
15输出电压为4.5Kv，沉积高度为6mm，设置金属喷头12与石墨模具9之间的距离为5cm，开启微量注射泵4，使TiC+Ni悬浮液2在金属喷头12出口处形成稳定的微米级射流11及纳米级液滴10，并在步骤3)中已沉积的WC陶瓷薄层上沉积出TiC陶瓷薄层，并将石墨模具9置于电热恒温干燥箱内进行干燥处理，完成第一层TiC陶瓷薄层的沉积成型；
[0048] 5)重复步骤3)、4)各30次，进行WC陶瓷薄层和TiC陶瓷薄层的交替叠层沉积，并每沉积5层后在电热恒温干燥箱内进行干燥处理，以
蒸发溶剂，得到总厚度约40μm的层状WC/TiC或陶瓷刀具材料素坯。
[0049] 实施例2
[0050] 同实施例1，区别在于：步骤1)中，用Al2O3+Ni混合粉末代替TiC+Ni混合粉末。
[0051] 实施例3
[0052] 同实施例2，区别在于：步骤3)和4)中，悬浮液的流量为1×10-12m3·s-1、高压电源的输出电压为0.1Kv，沉积高度为2mm。
[0053] 实施例4
[0054] 同实施例1，区别在于：步骤3)和4)中，悬浮液的流量为1×10-10m3·s-1、高压电源的输出电压为10Kv，沉积高度为10mm。
[0055] 实施例5
[0056] 同实施例2，区别在于：步骤3)和4)中，悬浮液的流量为1×10-11m3·s-1、高压电源的输出电压为1Kv，沉积高度为4mm。
[0057] 实施例6
[0058] 同实施例1，区别在于：步骤3)和4)中，悬浮液的流量为5×10-11m3·s-1、高压电源的输出电压为8Kv，沉积高度为8mm。
[0059] 以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
