[发明专利]一种两步烧结法制备化学改性的钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种两步烧结法制备化学改性的钛基复合材料及其制备方法，所述制备方法包括：(1)纳米级TiC粉、石墨烯和Ti‑Al系预合金粉为原料。(2)TiC粉置入A溶液中分散，后分批次加入Ti‑Al系预合金粉，得到混合液；(3)石墨烯置入B溶液，后将其滴入混合液中得到混合悬浊液，使各粉末通过化学改性的方法结合；(4)混合悬浊液球磨，干燥，过筛；(5)过筛后的粉放入模具中进行放电等离子烧结，采用两步烧结法，炉冷至室温取出，即得到本发明的界面结合优异的钛基复合材料。本发明改善了金属基与非金属添加相的界面结合问题，有效保留了石墨烯的结构完整。工艺简单，可使用范围广。材料的致密度、硬度、摩擦系数和磨损率都显著提高。

技术领域

本发明属于钛基复合材料制造和粉末冶金领域，特别涉及一种两步烧结法制备化学改性的钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

Ti-Al系合金因其轻质、室温塑性好、断裂韧性高、抗蠕变、疲劳和抗氧化性优良等优点，成为航空发动机的首选材料之一。然而，现代航天飞行器飞行速度更高，现有传统高温钛合金无法满足使用要求。引入石墨烯作为增强体，发展石墨烯增强高温钛合金复合材料是突破传统高温钛合金热障温度有效手段之一。然而石墨烯在该类复合材料中相容性差以及与基体界面结合不紧密这些问题导致了无法实现其固有改性效果，从而制约该材料的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种两步烧结法制备化学改性的钛基复合材料及其制备方法，以解决如何提高Ti-Al基复合材料与石墨烯的界面结合问题，同时提高Ti-Al基复合材料的耐磨性和致密度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种两步烧结法制备化学改性的钛基复合材料的方法，包括如下过程：

将石墨烯悬浊液加入碳化钛粉末与Ti-Al系预合金粉形成的均匀的混合液中，加入过程中，持续进行超声分散，石墨烯、碳化钛粉末与Ti-Al系预合金粉之间形成化学键，得到悬浊液，其中，Ti-Al系预合金粉、石墨烯和碳化钛粉的质量比为1：(0.002-0.02)：(0.01-0.03)；

对所述混合悬浊液球磨、干燥、过筛后得到混合粉料；

将所述混合粉料按照两步烧结法进行放电等离子烧结，按照两步烧结法进行放电等离子烧结时，先升温至第一温度并进行保温，使碳化钛粉末熔化，待碳化钛粉末熔化后，降温至第二温度并进行保温，使碳化钛转化成碳化钛晶粒，待碳化钛转化成碳化钛晶粒后；烧结完毕，随炉冷却至室温，得到化学改性的钛基复合材料。

优选的，石墨烯悬浊液的制备过程包括：

将墨烯加入到溶液B中超声分散得到石墨烯悬浊液，所述溶液B为含有聚乙烯吡咯烷酮的N-甲基吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的含量为N-甲基吡咯烷酮质量的1％-3％，超声时间为0.5h～2h。

优选的，碳化钛粉末与Ti-Al系预合金粉形成的均匀的混合液的制备过程包括：

将碳化钛粉末置入溶液A中超声分散，得到碳化钛悬浊液，将Ti-Al系预合金粉加入碳化钛悬浊液中超声分散，得到混合液；

使用水浴超声分散，使用的溶液A为添加有聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮的无水乙醇，其中，聚乙二醇的含量为无水乙醇质量的1％-4％，聚乙烯吡咯烷酮的含量为无水乙醇质量的1％-4％。

优选的，碳化钛粉的粒度为0.1μm～1μm。

优选的，Ti-Al系预合金粉的粒度为40μm～80μm。

优选的，石墨烯片径为5μm～10μm，厚度为3nm～10nm。

优选的，对球磨后的混合悬浊液干燥时，采用真空干燥，真空干燥温度为90℃～150℃，干燥时间为10小时～18小时。