[发明专利]一种滚动轴承式仿生钛基复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种滚动轴承式仿生钛基复合材料的制备方法，该方法包括：一、将石墨烯材料与钛或钛合金粉末低能球磨混合得到石墨烯‑钛基混合粉末；二、将钛或钛合金箔材围制成钛基箔圈并环套形成钛基箔筒，将石墨烯‑钛基混合粉末填装到钛基箔筒中；三、将钛或钛合金棒材沿钛基箔筒穿插排布得到钛基箔筒复合体；四、烧结成型。本发明借鉴滚动轴承的构成结构，对钛基粉末、钛基棒材和钛基箔材的组合结构进行设计搭建具有稳定框架结构的钛基箔筒复合体，利用原位自生TiC颗粒加固了三者之间的界面结合，并细化基体，同时起到弥散强化和载荷传递作用，改善了钛基复合材料的力学性能，且工艺简单，可操作性强，生产成本低，有利于大规模产业化应用。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种滚动轴承式仿生钛基复合材料的制备方法。

背景技术

钛及钛合金因具有低密度、高比强度、高比刚度、良好抗腐蚀性、良好的生物相容性以及无磁性等优异的性能，可被应用于制备高铁系统集成、轮轴驱动、制动控制等组件，实现减震降噪、轻量化、高速度、高安全性、高环保性的作用。然而，钛及钛合金的表面硬度低、抗塑性剪切能力差、不易加工硬化以及表面氧化物保护作用较差等缺点，使其耐磨性较差，进而极大地限制了其在高强度、耐磨方面的应用。

传统的钛合金中，在原子尺度下存在固溶强化和位错强化，在纳米尺度下，存在位错切过与位错绕过的第二相强化。这几种强化机制对位错的阻碍作用逐渐增加，即强化效果增加，并随含量的增加强化效果增加。但是当含量增加到过高水平时，晶格畸变、应力场等作用使得材料内部位错开动变得困难，位错不能开动也不能运动，也就没有强化可言。因此，固溶强化、位错强化、纳米第二相强化都有一定的上限。为进一步提高钛基体的综合性能，人们开始考虑向钛合金内引入微米第二相，制备钛基复合材料。对于钛基复合材料来说，钛及钛合金的韧性较强，陶瓷增强相可显著提高基体合金的硬度和耐磨性，当结合钛合金耐腐蚀的优点时，便可应用于对材料硬度、耐磨、耐蚀性要求较高的航空航天和军工领域。而目前以碳化物、石墨烯化物或其它硬度高、熔点高等增强相成为金属基复合材料主要选择的材料。

目前钛基复合材料依然主要分为两大类：连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。初期的研究主要是针对碳化硅纤维增强的钛基复合材料，这种材料可显著提高基体合金的机械性能，但纤维增强钛基复合材料遭到如下几个要素的限制：成本昂贵、加工工艺繁杂、各向异性、界面反应等。所以，非连续增强钛基复合材料成为目前钛基复合材料的重要研究目标，但是最大的难点是纤维或颗粒与钛基体的界面反应问题，进而导致钛基复合材料存在严重的强度塑性不匹配性。此外，目前研究主体上依然采用粉末冶金的方式制备均质结构钛基复合材料，钛基体的选择往往选择单一结构的球形粉末或者层状钛箔材作为原始材料，通过球磨法，机械搅拌或电沉积的方式将增强相包覆在球形钛基体粉末表面，烧结成型后进一步提高钛基复合材料的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种滚动轴承式仿生钛基复合材料的制备方法。该方法对钛基粉末、钛基棒材和钛基箔材的组合结构进行设计构建制备滚动轴承式仿生钛基复合材料，利用原位自生TiC颗粒加固了三者之间的界面结合，并有效阻碍晶粒长大，细化基体，同时起到弥散强化和载荷传递作用，保证了钛基复合材料的塑性，改善了钛基复合材料的力学性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种滚动轴承式仿生钛基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、石墨烯-钛基混合粉末的制备：将石墨烯材料与粒径均匀的钛粉末或钛合金粉末进行低能球磨混合，得到石墨烯-钛基混合粉末；

步骤二、钛基箔筒内石墨烯-钛基混合粉末的填装：将钛箔材或钛合金箔材围制成钛基箔圈，并将多个钛基箔圈环套排布形成钛基箔筒，然后将步骤一中得到的石墨烯-钛基混合粉末填装到钛基箔筒的空隙中；

步骤三、钛或钛合金棒材的排布：将经锻造得到的钛棒材或钛合金棒材沿步骤二中填装石墨烯-钛基混合粉末的钛基箔筒中各层内壁依次穿插排布，得到仿滚动轴承结构的钛基箔筒复合体；