一种石墨烯和钛合金混合粉末制备方法与流程

本发明属于粉末钛合金材料领域，涉及一种纳米材料和钛合金混合粉末制备方法，尤其是涉及一种石墨烯和钛合金混合粉末制备方法。

背景技术：

随着先进武器装备的跨越发展和大型构件轻量化技术的进步，对钛合金材料的综合性能提出了更高的要求。采用传统工艺技术制备钛合金的性能已经接近或达到了理论极限，因而近年来探寻新的变革性技术改性钛合金引起了世界各国的高度重视。

石墨烯因具有优异的机械性能和物理化学性能而迅速成为结构功能一体化材料的理想增强体，为钛合金材料技术发展、综合性能进一步提高提供了新思路。然而，由于石墨烯与钛合金之间的性质差异大、易发生化学反应等特点，采用真空熔炼等工艺方法难以将石墨烯均匀的添加到钛合金中。

粉末冶金成为一种最有可能实现石墨烯在钛合金中均匀分散的工艺方法。石墨烯改性粉末钛合金的关键基础在于石墨烯在钛合金粉末中的分散性，即石墨烯和钛合金混合粉末的质量。混合粉末质量不好，将无法实现石墨烯对粉末钛合金的有效增强，无法满足新材料的设计需求。因此，如何将石墨烯均匀分散到钛合金粉末中是困扰广大科技人员的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对石墨烯纳米片容易团聚、石墨烯与钛合金难以均匀混合等问题，提出一种超声分散与机械搅拌相结合的工艺方法制备石墨烯和钛合金混合粉末。

本发明的技术方案是，该制备方法包括以下步骤，

(1)将Φ45mm-Φ150mm钛合金铸锭或棒材放入氩气雾化制粉设备中，开启氩气雾化制粉设备制备球形钛合金粉末，粉末粒径为30μm～150μm、含氧量小于1000ppm；

(2)将钛合金粉末质量的0.1～10％的石墨烯纳米片添加到无水乙醇中，利用高速分散搅拌器进行机械搅拌，搅拌器工作时间为20min～30min，转速为6000r/min～15000r/min，然后利用超声细胞粉碎机进行分散处理，制备出石墨烯溶液，超声细胞粉碎机工作时间为30min～50min，工作频率为振动2s、间隙3s；

(3)将步骤(1)制备的球形钛合金粉末与步骤(2)获得的石墨烯溶液在控温机械搅拌装置的配料罐中搅拌混合，制备出石墨烯和钛合金混合粉末浆料，搅拌速度为500r/min～3000r/min，搅拌时间为30min～180min，搅拌温度不超过80℃；

(4)将石墨烯和钛合金混合粉末浆料转移至烘箱中进行烘干处理，得到石墨烯和钛合金混合粉末，烘箱加热温度为50℃～80℃，加热时间为5h～20h；

(5)将石墨烯和钛合金混合粉末转移至软包装袋中，利用真空包装机进行除气封装处理，真空度小于0.1kPa。

所述钛合金铸锭或棒材化学成分中合金化元素的总质量不小于10％。

所述氩气雾化制粉设备由等离子旋转电极雾化制粉设备替代。

所述石墨烯纳米片采用氧化还原法制备。

所述控温机械搅拌装置的搅拌温度超过80℃，自动停止进行冷却，冷却时间为1～3h。

所述软包装袋由金属包套替代，然后对金属包套进行抽真空处理，真空度小于5×10^-2Pa。

本发明具有以下优点及突出性效果：

(1)本发明采用机械搅拌与超声分散相结合的工艺方法制备的石墨烯溶液易于与钛合金粉末均匀混合，优化了石墨烯和钛合金粉末的界面特性；(2)本发明采用控温机械搅拌方式对石墨烯和钛合金混合粉末浆料进行处理，改善了石墨烯纳米片在钛合金粉末中的分散性，避免了钛合金粉末的超温氧化，大幅提高了石墨烯和钛合金混合粉末的质量；(3)本发明获得石墨烯和钛合金混合粉末的松装密度达到理论密度的70％以上，提高了后续粉末冶金的成型性；(4)本发明操作方法简单，工艺参数控制精确，适合石墨烯和钛合金混合粉末的批量制备，应用前景广阔。

附图说明

图1为石墨烯纳米片的场发射扫描电子显微镜照片。

图2为典型工艺参数下石墨烯和1#钛合金混合粉末的场发射扫描电子显微镜照片。

图3为石墨烯纳米片和1#钛合金粉末界面结合的场发射扫描电子显微镜照片。

图4为典型工艺参数下石墨烯和2#钛合金混合粉末的场发射扫描电子显微镜照片。

图5为石墨烯纳米片和1#钛合金粉末界面结合的场发射扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

该制备方法包括以下步骤：

(1)将Φ(45-150)mm钛合金铸锭或棒材放入氩气雾化制粉设备中，开启氩气雾化制粉设备制备出球形钛合金粉末，然后转移至超声振动筛分仪中，经过2～3次振动筛分，获得粒径为30μm～150μm、含氧量小于1000ppm的球形钛合金粉末。

(2)利用氧化还原法制备出石墨烯纳米片，场发射扫描电子显微镜下石墨烯纳米片呈羽毛状、半透明状，具有典型的皱褶结构特征，如图1所示；然后，精确称量钛合金粉末质量的0.1～10％的石墨烯纳米片并添加至盛无水乙醇的烧杯中，电子天平精确度为0.01g。

(3)开启高速分散搅拌器对烧杯中的石墨烯纳米片进行搅拌混合处理，搅拌器工作时间为20min～30min，转速为6000r/min～15000r/min，然后将搅拌混合后的石墨烯混浊液液转移至超声细胞粉碎机中，利用超声细胞粉碎机进行均匀分散处理，制备出石墨烯溶液，超声细胞粉碎机工作时间为30min～50min，工作频率为振动2s、间隙3s。

(4)将步骤(1)制备的球形钛合金粉末与步骤(2)获得的石墨烯溶液分别转移至控温机械搅拌装置专用定量配料罐中，密封后开启控温机械搅拌装置，制备出石墨烯和钛合金混合粉末浆料，搅拌速度为500r/min～3000r/min，搅拌时间为30min～180min，搅拌温度不超过80℃，专用配料罐容积为200ml～2000ml。

(5)将石墨烯和钛合金混合粉末浆料转移至烘箱中进行烘干处理，得到石墨烯和钛合金混合粉末，烘箱加热温度为50℃～80℃，加热时间为5h～20h。

(6)将石墨烯和钛合金混合粉末转移至软包装袋中，利用真空包装机进行除气封装处理，真空度小于0.1kPa。

所述钛合金铸锭或棒材化学成分中合金化元素的总质量不小于10％。

所述氩气雾化制粉设备由等离子旋转电极雾化制粉设备替代。

所述控温械搅拌装置的搅拌温度超过80℃，自动停止进行冷却，冷却时间为1～3h。

所述软包装袋由金属包套替代，然后对金属包套进行抽真空处理，真空度小于5×10^-2Pa。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

(1)采用等离子旋转电极雾化制粉设备制备1#钛合金粉末，然后对制备的粉末进行2次筛分，得到粒径为100～150μm的1#钛合金粉末750g；

(2)将3g氧化还原法制备的石墨烯纳米片添加至100ml～500ml无水乙醇中，利用高速分散搅拌器进行搅拌混合处理，搅拌器工作时间为25min，转速为9000r/min，然后利用超声细胞粉碎机制备出石墨烯溶液，超声细胞粉碎机工作时间为40min，工作频率为振动2s、间隙3s；

(3)将步骤(1)得到的1#钛合金粉末与步骤(2)制备的石墨烯溶液分别转移至控温机械搅拌装置的500ml规格配料罐中，密封后开启控温机械搅拌装置进行均匀混合，制备出石墨烯和1#钛合金混合粉末浆料，搅拌速度为500r/min～3000r/min，搅拌时间为60min～80min，搅拌温度不超过80℃；

(4)机械搅拌结束后，将石墨烯和1#钛合金混合粉末浆料转移至加热温度为50℃的烘箱中烘干处理5h～10h，得到石墨烯和1#钛合金混合粉末，石墨烯均匀分散在1#钛合金粉末表面，且与1#钛合金粉末界面结合良好，如图2和图3所示。

实施例2

(1)采用氩气雾化制粉设备制备2#钛合金粉末，对制备的粉末进行2次筛分，得到粒径为50μm～100μm的2#钛合金粉末600g；

(2)将2g氧化还原法制备的石墨烯纳米片添加至100ml～500ml无水乙醇中，利用高速分散搅拌器进行搅拌混合处理，搅拌器工作时间为20min，转速为6000r/min，然后利用超声细胞粉碎机制备出石墨烯溶液，超声细胞粉碎机工作时间为40min，工作频率为振动2s、间隙3s；

(3)将步骤(1)得到的2#钛合金粉末与步骤(2)制备的石墨烯溶液分别转移至控温机械搅拌装置的500ml规格配料罐中，密封后开启控温机械搅拌装置进行均匀混合，制备出石墨烯和2#钛合金混合粉末浆料，搅拌速度为500r/min～3000r/min，搅拌时间为60min～80min，搅拌温度不超过80℃；

(4)机械搅拌结束后，将石墨烯和2#钛合金混合粉末浆料转移至加热温度为50℃的烘箱中烘干处理5h～10h，得到石墨烯和2#钛合金混合粉末，石墨烯均匀分散在钛合金粉末表面，且与2#钛合金粉末界面结合良好，如图4和图5所示。