[发明专利]一种高强高塑钛-石墨烯复合材料的制备方法

说明书

本发明属于先进金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯原位增强钛合金复合材料实现高强高塑性的可控制备方法，以石墨烯微片为增强体，钛金属作为基体制备复合材料，将石墨烯粉体材料和钛合金粉末在‑100～‑60℃下球磨，通过调控石墨烯在基体中的分布和形态，利用原位合成实现TiC颗粒的形态种类多样化，制备出远优于基体的高强高塑钛基复合材料。

技术领域

本发明属于先进金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种高强高塑钛-石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

钛是20世纪50年代兴起的一种重要金属，因其轻质、比强度高、抗腐蚀能力好、综合性能优异而引起广泛关注，应用在航天航空、汽车工业、医疗器械等领域，已成为工业、民用和军用领域重要的结构材料。

从节能和科技发展的角度出发，为了适应航天航空用钛合金的高要求和高性能发展窘境，追求更为理想的材料，发展高熵化、复合化结构功能一体化的钛基复合材料成为了众多研究者关注的热点。石墨烯材料凭借着其低密度、优异的本征力学性能和独特的二维平面结构等特点成为了用于增强金属基复合材料中的新一代纳米增强体。通过调整石墨烯缺陷的种类和含量，同时实现原位TiC颗粒的合成，使石墨烯增强金属基复合材料的发展空间有着无限的可能。但石墨烯与金属表面存在界面张力差，界面粘结较弱，使石墨烯易在边缘处或凹处发生团聚，难以均匀分散在金属基体中而导致强韧化效果不佳甚至降低了力学性能。从目前的报道来看，在复合材料成型过程中石墨烯与钛基体的反应是必然有反应产物TiC生成的。但形成的TiC种类比较单一，主要以壳核结构的TiC形式居多，即就是形成几十微米的TiC硬质层包裹着钛基体，这类复合材料的性能差异性较大，尤其是晶界处硬度远高于基体硬度。并且强塑性很难获得大幅度提高，归其原因在于碳化钛分布造成的。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种高强塑钛-石墨烯复合材料的制备方法，旨在以石墨烯微片为增强体，钛金属作为基体制备复合材料，通过调控石墨烯在基体中的分布和形态，利用原位合成实现TiC颗粒的形态种类多样化，研制出远优于基体的高强高塑钛基复合材料，为我国未来航空装备材料提供技术保障。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种低温(-100～-60℃)实现钛-石墨烯复合材料高强塑性的制备方法，通过利用低温下钛合金材料的变形难度较大，以及石墨烯微片片层之间的范德华力在低温条件下变得微弱等特点。将钛合金粉和石墨烯微片在低温条件利用硬质合金球进行强塑性变形处理，使得石墨烯微片打破原有的范德华力获得从片径和厚度上均细小的石墨烯纳米片粉体。同时钛合金粉末表面也发生强塑性变形，由原来光滑的球形表面变得形状各异、表面粗糙活度高、粒径细小，甚至是微米的粉表面嵌入纳米的钛合金晶粒。这就为球磨过程中形成纳米级TiC颗粒提供条件。另一方面，在低温液氮球磨过程中，一定量的氮原子会与钛合金基体反应形成TiN纳米陶瓷颗粒。随后采用等离子快速烧结技术制备出高强塑钛-石墨烯复合材料。在烧结过程中石墨烯纳米片会与高活度的钛合金粉在动力学和热力学条件下反应形成TiC相，此时的TiC为微米颗粒或条带状分布。条带状的TiC分布在钛合金的晶界处，微米级TiC颗粒分布在晶界处或者晶界内，此时的TiC起到界面润湿的作用，将钛合金基体有效桥连起来，可以保证足够的塑性。而球磨过程中形成的纳米级TiC和TiN均分布在晶内，起到弥散强化和钉扎位错的效果，保证相当高的强度。最终调控基体中原位滋生TiN、TiC增强体相的分布和形态，实现综合力学性能优异的石墨烯/碳化钛协同增强的钛合金基复合材料，克服常规制备过程三维连续或非连续网络结构分布结构的钛基复合材料的强度与塑性之间的矛盾。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在低温液氮氛围下，实现在球磨过程中在钛合金粉表面形成纳米级TiC颗粒和TiN颗粒。同时在此过程中，石墨烯微片低温剥离形成石墨烯纳米片具有高的吸附活性，紧紧吸附在钛合金基体粉末表面。再者，混粉过程中，原位形成的纳米级TiC颗粒也会吸附在石墨烯薄片表面，有利于提高石墨烯与钛合金基体的界面结合强度。