一种石墨烯增强的钛基复合材料制备方法与流程

本发明属于钛合金材料领域，尤其涉及一种石墨烯增强的钛基复合材料制备方法。

背景技术：

钛合金具有密度小、比强度高、耐热、耐蚀等优点，在航空航天等领域具有广泛的应用，但随着空天飞行器的发展以及结构功能一体化要求的提出，对钛合金性能要求越来越高。解决这一问题的一个有效方法是研究开发钛基复合材料。相比于传统的碳化钛、硼化钛、碳化硅等增强体，石墨烯有更优异的力学、热学、电学性能。它的模量达到1tpa，断裂强度约为125gpa，热导率5000w/(mk)，使用石墨烯作为增强体，有望获得力学性能更优异的钛基复合材料，同时提高复合材料热导率，解决钛合金加工困难等问题。

石墨烯钛基复合材料制备难点主要在以下三个方面：(1)石墨烯的加入使得复合材料成型困难，致密度低，性能下降。(2)石墨烯和钛在很大温度范围内容易发生化学反应生成碳化钛，使得加入的石墨烯易完全反应，只能起到碳源的作用，不能发挥出它自身的优良性能。(3)石墨烯由于密度小，纵横比大，很难在钛基体中均匀分散，而团聚的石墨烯亦不能发挥出石墨烯本身的优良性能，并且较大的团聚容易形成缺陷，使得复合材料力学性能下降。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于复合材料成型困难，致密度低、石墨烯容易团聚的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种石墨烯钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：制备复合粉体：按照一定质量比，将钛合金粉末与石墨烯纳米片加入行星式球磨机进行球磨后制得复合粉体；

步骤二：制备复合材料预制体：将步骤一得到的所述复合粉体进行真空热压烧结得到复合材料预制体，烧结温度为钛合金α-β相转变温度以下400℃范围内，压强为20-200mpa，时间为0.5-5h，到温加压，到温计时，随炉冷却；

步骤三：制备石墨烯钛基复合材料：将步骤二中得到的所述复合材料预制体进行热加工处理。

优选的是：所述石墨烯纳米片和钛合金粉末的质量比为0.01：99.9-5:95。

优选的是：所述步骤一中，球磨选用氧化锆球磨罐和研磨珠进行球磨，球料比1:1-20，转速为100-500rmp，球磨时间1-100h。

优选的是：所述球磨气氛采用真空或氩气保护，球磨罐外壁循环水水冷或者间歇式方法。

优选的是：所述热加工为热挤压或热锻，温度在钛合金α-β相转变温度上下100℃范围内，变形量为50-1000％。

优选的是：所述热加工步骤中需要在预制体表面和模具表面涂敷润滑油。

优选的是：所述热处理的方式为热轧，所述热轧步骤为：制备包套，将所述预制体装入包套焊接密封热轧，温度在钛合金α-β相转变温度上下100℃范围内，变形量为10-50％。

优选的是：所述包套的材质为钛合金。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、制备过程简单，成本低廉，并且致密度大大提高。

2、复合材料在热加工过程中发生大塑性变形，使得石墨烯定向分布，复合材料的热导率和力学性能同时提高。

3、将真空热压烧结结合定向塑性变形(热轧、热挤压、热锻)的方法，解决复合材料成型困难、致密度低、石墨烯容易团聚、石墨烯定向分布的问题。

4、采用较低温度(相转变温度)下烧结与高温短时塑性变形相接合的方法，抑制钛与石墨烯的反应，提高石墨烯结构完整性。

附图说明

图1是实施例一中制备的复合材料扫描电子显微镜照片；

图2是实施例一中制备的复合材料扫描电子显微镜照片；

图3是实施例一中制备的复合材料扫描电子显微镜照片；

图4是实施例一中制备的复合材料xrd图谱；

图5是实施例一中制备的复合材料raman光谱；

图6是实施例一中制备的复合材料压缩性能；

图7是实施例一中制备的复合材料热导率。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅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。

实施例1：

(1)一种石墨烯钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备复合粉体：按照石墨烯质量分数2％，将tc4粉末与石墨烯纳米片加入氩气氛围行星式球磨机，选用氧化锆球磨罐和研磨珠，氧化锆硬度高，耐磨性好，防止样品被污染，球料比1:1，此时能量较低能有效保护石墨烯结构不被破坏，转速180rmp，球磨时间8h，球磨气氛采用真空或氩气保护，采取球磨罐外壁循环水水冷方法，避免罐体温度过高。

步骤2，制备预制体：采用真空热压烧结的方法制备预制体，温度940℃，压强30mpa，时间3h，到温加压，到温计时，随炉冷却。

步骤3，制备石墨烯钛基复合材料：按照步骤2得到的预制体尺寸，制备包套材质与基体的材质相同，包套壁厚10mm，将预制体装入包套焊接密封热轧，热轧温度970℃，变形量20％，热轧后即得石墨烯钛基复合材料。

(2)对比试验

具体实施步骤如下：

步骤1，制备石墨烯/tc4复合粉体：按照石墨烯质量分数0％，将tc4粉末与石墨烯纳米片加入氩气氛围行星式球磨机，选用氧化锆球磨罐和研磨珠，球料比1:1，转速180rmp，球磨时间8h，磨10min停20min之后反向球磨。

步骤2，制备石墨烯/tc4复合材料预制体：采用真空热压烧结的方法制备复合材料预制体，温度940℃，压强30mpa，时间3h，到温加压，到温计时，随炉冷却。

步骤3，制备石墨烯钛基复合材料：按照步骤2得到的预制体尺寸，制备纯tc4包套，包套壁厚10mm，将预制体装入包套焊接密封热轧，热轧温度970℃，变形量20％，热轧后即得石墨烯钛基复合材料。

试验对比及性能测试分析：图1、2、3中，可以看出经过球磨后，石墨烯均匀的分布在tc4粉末表面，tc4粉之间结合良好，热轧之后石墨烯定向分布在热轧方向，提高复合材料的力学性能和热导率。图4中可以看出，复合材料制备过程中发生化学反应生成碳化钛。图5可以看出，复合材料中石墨烯特征峰明显，说明石墨烯没有完全反应，保留下了结构完好的石墨烯。图6是复合材料压缩性能，可以看出复合材料屈服强度比纯tc4提高22％左右。图7是复合材料热导率，可以看出在热轧方向，tc4-2％gnps复合材料较基体tc4分别提高17％。

实施例2：一种石墨烯钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：制备复合粉体：按照石墨烯质量分数5％，将钛合金粉末与石墨烯纳米片加入行星式球磨机进行球磨后制得复合粉体，球磨气氛采用真空或氩气保护，球磨罐外壁循环水水冷或者间歇式方法(球磨1-30min暂停1-3倍的球磨时间)。选用氧化锆球磨罐和研磨珠进行球磨，球料比1:10，转速为500rmp，球磨时间100h；

步骤二：制备预制体：将步骤一得到的所述复合粉体进行真空热压烧结得到预制体，烧结温度为960℃，压强为200mpa，时间为5h，到温加压，到温计时，随炉冷却。

步骤三：制备石墨烯钛基复合材料：将步骤二中得到的所述预制体进行热挤压，温度为1100℃，变形量为1000％。热挤压后得到石墨烯钛基复合材料，在热挤压过程中需要在预制体表面和模具表面涂敷润滑油。

实施例3：一种石墨烯钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：制备复合粉体：按照石墨烯质量分数3％，将钛合金粉末与石墨烯纳米片加入行星式球磨机进行球磨后制得复合粉体，球磨气氛采用真空或氩气保护，球磨罐外壁循环水水冷或者间歇式方法(球磨1-30min暂停1-3倍的球磨时间)。选用氧化锆球磨罐和研磨珠进行球磨，球料比1:1，转速为100rmp，球磨时间1h；

步骤二：制备预制体：将步骤一得到的所述复合粉体进行真空热压烧结得到预制体，烧结温度为960℃，压强为20mpa，时间为0.5h，到温加压，到温计时，随炉冷却；

步骤三：制备石墨烯钛基复合材料：将步骤二中得到的所述预制体进行热锻，热挤压温度为1100摄氏度，变形量为100％。热锻后得到石墨烯钛基复合材料，在热锻过程中需要在预制体表面和模具表面涂敷润滑油。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。