CN107598175B - 一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粉末钛合金材料领域，涉及一种纳米材料和钛合金复合粉末制备方法，尤其是涉及一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法。首先将氧化石墨烯纳米片添加到无水乙醇中，采用高速机械搅拌器和超声细胞粉碎机进行分散处理，制备出氧化石墨烯溶液，然后将钛合金粉末与氧化石墨烯溶液装入全方位行星球磨设备中进行控温球磨混合，然后将获得的氧化石墨烯与钛合金粉末混浊液再进行低速连续搅拌，直至形成氧化石墨烯和钛合金复合粉末浆料，烘干处理后得到石墨烯和钛合金的复合粉末。该方法使石墨烯和钛合金粉末之间形成了良好的界面结合，大大改善了石墨烯在钛合金粉末中的分散性。
Description
技术领域
本发明属于粉末钛合金材料领域，涉及一种纳米材料和钛合金复合粉末制备方法，尤其是涉及一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法。
背景技术
随着航空发动机等先进武器装备动力的跨越发展，对钛合金材料的综合性能提出了更高的要求。采用传统工艺技术制备钛合金的性能已经接近或达到了极限，探寻新的变革性技术改性钛合金已经引起世界各国的高度重视。石墨烯因具有优异的机械性能和物理化学性能而迅速成为结构功能一体化材料的理想增强体，为钛合金材料技术发展提供了新的思路。
然而，石墨烯容易团聚且与钛合金之间的性质差异大、界面化学反应剧烈等特点，将石墨烯均匀的分散到钛合金基体的问题已成为制约该前沿技术发展的瓶颈。粉末冶金成为一种最有可能实现石墨烯在钛合金中均匀分散的途径。石墨烯改性粉末冶金钛合金的关键基础在于石墨烯在钛合金粉末中的分散性，即石墨烯和钛合金复合粉末的质量。复合粉末质量不好，将无法实现石墨烯对钛合金的有效增强，不能满足新材料的设计需求。尽管目前石墨烯在铝、镍合金粉末中的分散技术已经取得较大进步，但是由于钛合金粉末活性高，混合过程容易发生氧化污染等问题，常规的分散工艺难以实现石墨烯和钛合金粉末的复合。
发明内容
本发明的目的是针对石墨烯在钛合金粉末中难以均匀分散且界面结合不好的问题，提出一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法。
本发明的技术方案是，该制备方法包括以下步骤，
(1)将钛合金粉末质量的0.1％～10％的氧化石墨烯纳米片添加到无水乙醇中，利用高速机械搅拌器进行搅拌，搅拌器工作时间为20min～30min，转速为4000r/min～6000r/min，然后利用超声细胞粉碎机进行分散处理，制备出氧化石墨烯溶液，超声细胞粉碎机工作时间为30min～40min，工作频率为振动2s、间隙3s；
(2)将钛合金粉末与步骤(1)获得的氧化石墨烯溶液混合并装入全方位行星球磨设备的定量球磨罐中，并向球磨罐中添加小于球磨罐容积1/3的无水乙醇，密封后开启球磨设备进行球磨，球磨罐中磨球与物料之比为6～10:1，球磨时间为16h～24h，球磨转速大于300r/min，球磨温度不超过80℃，磨球、物料与无水乙醇的总体积小于球磨罐容积的2/3；
(3)球磨结束后，将氧化石墨烯与钛合金粉末的混浊液进行洗涤，采用无水乙醇洗涤3～4次，去除没有复合到钛合金粉末表面的氧化石墨烯，然后将混浊液转移至机械搅拌器中进行低速连续搅拌，直至形成氧化石墨烯和钛合金复合粉末的浆料，搅拌速度为50r/min～200r/min；
(4)将氧化石墨烯和钛合金复合粉末浆料转移至烘箱中进行烘干处理，得到氧化石墨烯和钛合金复合粉末，烘箱加热温度为50℃～80℃，保温时间为5h～20h；
(5)将氧化石墨烯和钛合金复合粉末装入不锈钢包套中，装入粉末的同时进行振荡以提高松装密度，然后对包套进行抽真空处理，室温预抽真空1h～3h，升温到150℃～200℃开始保温，至真空度小于5×10-2Pa保温2h～4h，继续升温至350℃～500℃，至真空度小于5×10-3Pa保温8h～16h，制备出石墨烯和钛合金复合粉末。
所述钛合金的化学成分中合金化元素的总质量大于等于15％。
所述钛合金粉末为球形或近球形，粒径为30μm～150μm，含氧量小于1000ppm，采用氩气雾化或等离子旋转电极制粉工艺。
所述球磨设备为间歇式球磨机，球磨温度超过80℃，自动停止进行冷却，冷却时间为2h。
本发明具有以下优点及突出性效果：
(1)本发明将氧化石墨烯作为原材料，容易在无水乙醇中形成分散比较均匀的氧化石墨烯溶液；采用高合金化的钛合金粉末(质量百分含量大于等于15％)，可以降低氧化石墨烯和钛合金复合粉末制备过程中粉末表面的氧化程度。
(2)通过控温湿法球磨与低速连续搅拌相结合的工艺方法，将氧化石墨烯纳米片嵌入到了片状钛合金粉末的表面，改善了氧化石墨烯与钛合金粉末的界面结合方式，同时避免了钛合金粉末的超温氧化，保证了氧化石墨烯在钛合金粉末中的均匀分散性；
(3)通过设计真空脱气工艺，可以将复合粉末中氧化石墨烯分解形成石墨烯，从而在后续的粉末冶金钛合金中发挥石墨烯的优异性能；
(4)该方法操作方法简单，工艺参数控制精确，适合石墨烯和钛合金复合粉末的批量制备，应用前景广泛。
附图说明
图1为氧化石墨烯(GO)和钛合金复合粉末的场发射扫描电子显微镜照片。
图2为图1中1#钛合金粉末表面上氧化石墨烯(GO)的场发射扫描电子显微镜照片。
图3为氧化石墨烯(GO)嵌入到图1中2#钛合金粉末的场发射扫描电子显微镜照片。
图4为图1中3#钛合金粉末表面上氧化石墨烯(GO)形貌的场发射扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
该制备方法包括以下步骤：
(1)精确称量钛合金粉末质量的0.1％～10％的氧化石墨烯纳米片添加到盛无水乙醇的烧杯中，电子天平精确度为0.01g；利用高速机械搅拌器进行搅拌，搅拌器工作时间为20min～30min，转速为4000r/min～6000r/min，然后利用超声细胞粉碎机进行超声分散处理，制备出氧化石墨烯分散比较均匀的溶液，超声细胞粉碎机工作时间为30min～40min，工作频率为振动2s、间隙3s；
(2)将粒径尺寸比较均匀的钛合金粉末与步骤(1)获得的氧化石墨烯溶液混合并装入全方位行星球磨设备的定量玛瑙球磨罐中，并向球磨罐中添加适量无水乙醇，密封后开启球磨设备进行球磨，球磨罐中磨球与物料之比为6～10:1，球磨时间为16h～24h，球磨转速为300r/min～360r/min，为防止钛合金粉末氧化，球磨温度不超过80℃，磨球、物料与无水乙醇的总体积小于球磨罐容积的2/3；
(3)球磨结束后，将氧化石墨烯与钛合金粉末的混浊液转移至不锈钢容器中静置约30min，倒出沉淀钛合金粉末上方的溶液，然后采用无水乙醇洗涤3～4次，去除没有复合到钛合金粉末表面的氧化石墨烯，然后将混浊液转移至机械搅拌器中进行低速连续搅拌，直至形成氧化石墨烯和钛合金复合粉末的浆料，搅拌速度为50r/min～200r/min；
(4)将氧化石墨烯和钛合金复合粉末浆料通过烧杯或容器转移至烘箱中进行烘干处理，得到氧化石墨烯和钛合金的复合粉末，烘箱加热温度为50℃～80℃，保温时间为5h～20h；
(5)将氧化石墨烯和钛合金复合粉末装入不锈钢包套中，装入粉末的同时进行振荡以提高松装密度，然后对包套进行抽真空处理，室温预抽真空1h～3h，升温到150℃～200℃开始保温，至真空度小于5×10-2Pa保温2h～4h，继续升温至350℃～500℃，至真空度小于5×10-3Pa保温8h～16h，制备出石墨烯和钛合金复合粉末。
所述钛合金的化学成分中合金化元素的总质量大于等于15％，可以有效降低复合粉末制备过程中钛合金粉末表面的氧化程度。
所述钛合金粉末为球形或近球形，粒径为30μm～150μm，含氧量小于1000ppm，可以采用氩气雾化或等离子旋转电极工艺进行粉末制备。
所述球磨设备为间歇式球磨机，球磨温度超过80℃，自动停止进行冷却，冷却时间为2h。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
将5.0g利用氧化还原法制备的呈羽毛状、半透明状的氧化石墨烯纳米片添加到500ml无水乙醇的烧杯中，利用高速机械搅拌器进行搅拌，搅拌器工作时间为20min，转速为5000r/min，然后利用超声细胞粉碎机进行超声分散处理，制备出氧化石墨烯分散比较均匀的溶液，超声细胞粉碎机工作时间为40min。
将粒径为53μm～106μm的995g钛合金粉末与上述氧化石墨烯溶液混合并装入全方位行星球磨设备的定量玛瑙球磨罐中，并向球磨罐中添加适量无水乙醇，使磨球、物料与无水乙醇的总体积小于球磨罐容积的2/3，密封后开启球磨设备进行球磨，球磨罐中磨球与物料之比为10:1，球磨时间为20h，球磨转速为350r/min；然后将氧化石墨烯与钛合金粉末的混浊液转移至不锈钢容器中静置约30min，倒出沉淀钛合金粉末上方的溶液，然后采用无水乙醇洗涤3次，然后将混浊液转移至机械搅拌器中进行低速连续搅拌，搅拌速度为50r/min，直至形成氧化石墨烯和钛合金复合粉末的浆料。
将制备的浆料转移至加热温度为60℃的烘箱中保温12h，得到氧化石墨烯和钛合金复合粉末，如图1～4所示。可见，氧化石墨烯纳米片在片状钛合金粉末中分散比较均匀，嵌入到了粉末表面且形成了良好界面结合，同时保持了二维薄膜结构形态和褶皱结构特征。
将氧化石墨烯和钛合金复合粉末装入直径为65mm、高度为80mm的不锈钢包套中，装入粉末的同时进行振荡以提高松装密度，然后对包套进行抽真空处理，室温预抽真空2h，升温到150℃～200℃开始保温，至真空度等于1×10-2Pa保温2h，继续升温至350℃～500℃，至真空度等于1×10-3Pa保温8h～16h，通过高分辨拉曼光谱仪抽样分析，氧化石墨烯基本上分解形成石墨烯，即获得石墨烯和钛合金的复合粉末。
Claims (4)
1.一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤，
(1)将钛合金粉末质量的0.1％～10％的氧化石墨烯纳米片添加到无水乙醇中，利用高速机械搅拌器进行搅拌，搅拌器工作时间为20min～30min，转速为4000r/min～6000r/min，然后利用超声细胞粉碎机进行分散处理，制备出氧化石墨烯溶液，超声细胞粉碎机工作时间为30min～40min，工作频率为振动2s、间隙3s；
(2)将钛合金粉末与步骤(1)获得的氧化石墨烯溶液混合并装入全方位行星球磨设备的定量球磨罐中，并向球磨罐中添加小于球磨罐容积1/3的无水乙醇，密封后开启球磨设备进行球磨，球磨罐中磨球与物料之比为6～10:1，球磨时间为16h～24h，球磨转速大于300r/min，球磨温度不超过80℃，磨球、物料与无水乙醇的总体积小于球磨罐容积的2/3；
(3)球磨结束后，将氧化石墨烯与钛合金粉末的混浊液进行洗涤，采用无水乙醇洗涤3～4次，去除没有复合到钛合金粉末表面的氧化石墨烯，然后将混浊液转移至机械搅拌器中进行低速连续搅拌，直至形成氧化石墨烯和钛合金复合粉末的浆料，搅拌速度为50r/min～200r/min；
(4)将氧化石墨烯和钛合金复合粉末浆料转移至烘箱中进行烘干处理，得到氧化石墨烯和钛合金复合粉末，烘箱加热温度为50℃～80℃，保温时间为5h～20h；
(5)将氧化石墨烯和钛合金复合粉末装入不锈钢包套中，装入粉末的同时进行振荡以提高松装密度，然后对包套进行抽真空处理，室温预抽真空1h～3h，升温到150℃～200℃开始保温，至真空度小于5×10-2Pa保温2h～4h，继续升温至350℃～500℃，至真空度小于5×10-3Pa保温8h～16h，制备出石墨烯和钛合金复合粉末。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法，其特征在于：所述钛合金的化学成分中合金化元素的总质量大于等于15％。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法，其特征在于，所述钛合金粉末为球形或近球形，粒径为30μm～150μm，含氧量小于1000ppm，采用氩气雾化或等离子旋转电极制粉工艺。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯和钛合金复合粉末球磨制备方法，其特征在于，所述球磨设备为间歇式球磨机，球磨温度超过80℃，自动停止进行冷却，冷却时间为2h。
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