本发明属于材料制备领域，具体而言，涉及一种自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法。
背景技术：
：现代工业生产时，机械设备中零件摩擦工作过程中，由于在各类不同条件下，摩擦零部件很少具有自润滑功能，摩擦磨损是造成材料损耗的重要原因之一，随着工业技术的发展，自润滑材料被越来越广泛地应用在润滑油和润滑脂索不能胜任的苛刻工作环境。固体自润滑材料按照基体材质不同可分为聚合物基、陶瓷基和金属基。聚合物基材料机械强度低、耐热和传热性能不理想，不适宜高温、高速、载重等工作环境；陶瓷基材料虽然具有高强度、高硬度、低密度，以及优异的化学稳定性和高温力学性能等特点，但是其研究仍然处于起步阶段；金属基固体自润滑复合材料则是常见的一种自润滑材料。钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，广泛应用于航空、航天、舰艇等国防和民用机械工业部分，其中以tc4钛合金用途最为广泛，用量约占钛合金总量的一半以上，但由于钛合金硬度低，耐磨性能较差的局限制约了其在实际生产中的应用。因此，提高钛合金摩擦磨损性能已成为钛合金领域的研究热点。例如《tc4钛合金低污染阳极自润滑减磨复合膜制备及其摩擦磨损性能研究》是通过钛合金阳极氧化来改变摩擦磨损性能，但是该方法需要的试剂繁多，且要控制电解液、电压等条件，方法繁琐复杂。专利cn102492871a《一种tial金属间化合物基固体自润滑复合材料及其制备方法》公开了一种自润滑复合材料有ti粉、al粉、cr粉、nb粉等构成，但是将该材料用于钛合金时，钛合金零件有时处于高温运行环境下，有可能与该自润滑复合材料发生反应，零件性能发生急剧变化。通过检索国内外现有技术，目前尚未有关于直接利用碳材料改变钛合金摩擦磨损性能的文献。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种以石墨烯为自润滑材料、钛材料为基体，进而制备自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的方法，该方法制备得到的自润滑钛材料具有优良的自润滑性能，同时具有极高的力学性能。为了实现本发明的上述目的，通过大量试验研究并不懈努力，最终获得了如下技术方案：一种自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，依次按照如下步骤制备：步骤1：将钛粉或钛合金粉与石墨烯混合均匀，得到混合粉末，其中石墨烯的质量百分比为1-8％；步骤2：将步骤(1)得到的混合粉末与造孔剂混合，其中造孔剂为nh4hco3，其质量占步骤(2)得到的混合物总质量的5-20％；步骤3：将步骤(2)得到的混合粉末模压成型，得到胚体；步骤4：将步骤(3)得到的胚体进行真空烧结，真空烧结时真空度为10-2-10-1pa，升温速率为20-100℃/min，烧结温度为800-1350℃，烧结保温时间10-30min，随炉冷却后浸入润滑剂中，得到自润滑多孔钛基石墨烯合金。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，步骤1中石墨烯的质量百分比为4-8％。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，步骤1中所述钛粉或钛合金粉的粒度为25-80μm，纯度大于等于99.9％；石墨烯的粒度为20-70μm。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，步骤2中造孔剂占所述混合物总质量的8-15％。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，其中步骤1混合是在在球磨机中进行，球磨真空度1-5pa，球磨时间2-5h；步骤2混合是在混料机中进行混合，混合时间0.5-1.5h。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，步骤3模压成型时压力为300-500mpa。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，步骤4烧结时升温速率为40℃/min，烧结温度为1250-1350℃，烧结保温时间30min。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，烧结产物浸入润滑剂时间为5-24h。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，步骤4中所述润滑剂为金属润滑油或金属润滑离子液。进一步优选地，本发明所述自润滑多孔钛基石墨烯合金材料的制备方法，所述的钛合金粉中合金元素选自如下的一种或两种以上：ni、cr、v、al、cu、mo、w。本发明相对于现有技术，具有如下优点和进步性：本发明方法过程简单，制备得到的自润滑多孔钛基石墨烯合金不但力学性能较钛合金有大幅度提高，而且具有优异的自润滑性能，可适用于常温或高温等较为苛刻的环境。附图说明图1为采用srv-5测试实施例1制备得到的自润滑复合材料的磨损体积图；图2为采用srv-5测试实施例2制备得到的自润滑复合材料的磨损体积图。具体实施方式下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的保护范围。另外，实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者，均按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。实施例中所用钛合金为tc4钛合金(ti-6al-4v)。实施例1(1)将tc4钛合金粉末与石墨烯粉末放入球磨机混合均匀后，在混合粉末中石墨烯粒度为45um，其质量百分含量3％，tc4钛合金粒度为50um，其质量百分含量97％；(2)将步骤(1)中得到的混合粉末与nh4hco3粉末在混料机内混合1.5h，球磨时真空度3pa，得到的混合粉末中，nh4hco3粉末占步骤(2)得到的混合粉末总质量的10％；(3)将步骤(2)得到的混合粉末装入不锈钢模具中，在420mpa的单向压力下进行冷压成型，退模后得到坯体；(4)将步骤(3)中得到的坯体装入高纯石墨模具中，然后置放于真空烧结炉，系统真空抽至2×10-2pa后进行烧结，升温速率为40℃/min，烧结温度为1350℃，烧结保温时间为30min，烧结过程中持续抽真空使nh4hco3完全分解并抽出真空炉，冷却方式是随炉冷却，退模后得到多孔钛基石墨烯合金材料；(5)将步骤(4)得到的多孔钛基石墨烯合金浸入1088润滑油中浸泡20h，取出后棉布擦除表面附着物得到表面清洁的多孔钛基石墨烯合金材料；(6)采用srv-5测试步骤(5)得到的多孔钛基石墨烯合金材料的摩擦系数和磨损率，结果如表1所示，磨损体积如图1所示，从图中得到体积变化数据如下：原始体积(naturalvolume)133775122.43μm3，负体积(negativevolume)59521921.02μm3，磨损体积(netmissingvolume)7399165.95μm3，正常体积(normalvolume)17.86μm3，正向体积(positivevolume)52122755.07μm3，总体积(totaldisplacedvolume)111644680.19μm3。实施例2(1)将tc4钛合金粉末与石墨烯粉末放入球磨机混合均匀后，在混合粉末中石墨烯粒度为35um，质量百分含量3％，tc4钛合金粒度43um，质量百分含量97％；(2)将步骤(1)中得到的混合粉末与nh4hco3粉末在混料机内混合1.5h，得到的混合粉末中，nh4hco3粉末占步骤(2)得到的混合粉末总质量的12％；(3)将步骤(2)得到的混合粉末装入不锈钢模具中，在400mpa的单向压力下进行冷压成型，退模后得到坯体。(4)将步骤(3)中得到的坯体装入高纯石墨模具中，然后置放于真空烧结炉，系统真空抽至2×10-2pa后进行烧结，升温速率为40℃/min，烧结温度为1250℃，烧结保温时间为30min烧结过程中持续抽真空使nh4hco3完全分解并抽出真空炉，冷却方式是随炉冷却，退模后得到多孔钛基石墨烯合金材料。(5)将步骤(4)得到的多孔钛基石墨烯合金浸入l-b104离子润滑液中浸泡20h，取出后棉布擦除表面附着物得到表面清洁的多孔钛基石墨烯合金材料。(6)采用srv-5测试步骤(5)得到的多孔钛基石墨烯合金材料的摩擦系数和磨损率如表1所示，磨损体积如图2所示，从图中得到体积变化数据如下：原始体积(naturalvolume)40420319.23μm3，负体积(negativevolume)20259129.34μm3，磨损体积(netmissingvolume)1620210.94μm3，正常体积(normalvolume)5.39μm3，正向体积(positivevolume)18638917.63μm3，总体积(totaldisplacedvolume)38898049.02μm3。实施例3本发明考察了实施例1和2中石墨烯加入对材料的影响，并且考察了步骤(5)的作用及浸泡时润滑液种类对材料摩擦性能的影响，结果如表1所示。表1不同材料摩擦系数对比结合实施例1和2可知，将石墨烯与钛合金复合后，材料的摩擦系数显著降低，同时得到的复合材料经过润滑剂浸泡后，材料的摩擦系数会进一步降低，自润滑性能得到提高，且不同润滑剂的效果也有区别。实施例4在实施例1的基础上按照表2改变钛及钛合金与石墨烯的百分含量，具体制备过程不变，将制备得到的物质进行检测，材料力学与摩擦性能如表3所示。表2配方表物质配方1配方2配方3配方4配方5配方6配方7钛材料100％99％96％94％92％90％85％石墨烯01％4％6％8％1015％表3材料力学与摩擦性能对比检测项目配方1配方2配方3配方4配方5配方6配方7摩擦系数0.4210.2450.2160.1970.1910.1870.186开孔隙率(％)7.57.78.18.48.68.89.3抗拉强度(mpa)897907911908896875853屈服强度(mpa)827836845849839812789伸长率(％)13.112.812.411.712.112.512.9实施例5在实施例1基础上，改变nh4hco3占步骤2的百分含量，检测得到的材料力学性能如表4所示。表4不同含量nh4hco3下得到的材料性能nh4hco3加入量3％6％9％12％15％19％22％摩擦系数0.3450.2740.2430.2370.2290.2270.226开孔隙率(％)5.46.98.08.89.310.111.5抗拉强度(mpa)913907905902898895884屈服强度(mpa)861854851847842839833伸长率(％)13.713.112.612.512.312.312.2由表4可知，加的的造孔剂含量不同时对材料力学性能有改变，但是改变程度随着含量增大而减小，综合考虑，加入的nh4hco3含量范围为5-20％，优选在9-15％，因为含量再高时，对力学性能影响不大，且加入的多，成本提高。对比例1因为固体润滑材料种类繁多，该对比例考察了将石墨烯用等量的二硫化钼替换，制备参数及过程仍然如实施例1所示，结果发现摩擦系数为0.418，抗拉强度876mpa，屈服强度804mpa，伸长率10.5％。综合性能低于实施例1得到的自润滑材料，究其原因，当用二硫化钼替换石墨烯时，加入的硫元素会降低材料强度、提高脆性，在烧结温度下部分钛与二硫化钼发生了复杂的物理化学反应，并且tc4钛合金中部分晶型发生了转变，因此降低了摩擦系数和力学性能。对比例2制备参数及过程仍然如实施例1所示，将造孔剂nh4hco3用3/4倍的(nh4)2co3替换，结果发现该材料的空洞多为长条状，且空隙较大，而实施例1得到的孔洞较小，且多呈圆形或近圆形，从力学性能方面考虑，条状孔洞受力后易发生应力集中而产生裂纹，且实验结果发现，该材料摩擦系数为0.267，抗拉强度765mpa，屈服强度723mpa，伸长率11.7％。综合性能低于实施例1得到的自润滑材料。对比例3先得到多孔tc4钛合金骨架，将石墨烯粉加入到纯水与n-甲基吡咯烷酮的混合溶液中，超声震荡，得到石墨烯悬浮液，借助真空抽滤装置，将石墨烯悬浮液填充到多孔tc4钛合金骨架中，自然风干，最后置于真空烧结炉进行烧结，真空度为2×10-2pa，升温速率为40℃/min，烧结温度为1250℃，烧结保温时间为30min，得到复合材料，对其进行力学和摩擦性能方面检测，结果发现，力学性能仍然是tc4钛合金的力学性，接近表2配方1的各项力学性能，但是表面摩擦系数仍然达到0.489，且距离距离表面≥84微米时，材料的摩擦系数急剧变为0.618，可知该材料的润滑性能低且不稳定。当前第1页12