CN109454240A - 一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法和slm成形工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法及SLM成形工艺，采用无水乙醇超声振动制备成悬浊液，使石墨烯的均匀分散在无水乙醇中，石墨烯分散均匀，然后将石墨烯无水乙醇悬浊液与高温合金按比例混合后，石墨烯通过参与界面反应和部分残留，在晶界和晶内弥分布，改善了成形件的强度和韧性，降低了热裂倾向，石墨烯的加入改变了材料的组织形态；SLM成形过程中，石墨烯高温合金纳米复合材料中的石墨烯起到了异质形核剂的作用，增加了凝固结晶过程中的形核率，通过介质阻挡放电等离子体辅助球磨技术制备得到石墨烯高温合金纳米复合材料，等离子体提高了粉末的活性，使得择优生长的柱状晶向等轴晶转变，细化了晶粒，提高了性能。

Description

一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法和SLM成形工艺
技术领域
本发明涉及金属基纳米复合材料和金属增材制造领域，涉及一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法和SLM成形工艺。
背景技术
镍基高温合金是以镍为基体，一般在600℃～1000℃范围内承受一定应力条件下工作，它不但是具有良好的高温抗氧化和抗燃气腐蚀能力的高温合金，而且有较高的高温强度、持久强度和蠕变强度，以及良好的抗疲劳性能。随着航空航天以及国防科技的飞速发展，许多热端部件承受的温度越来越高，如燃烧室、涡轮叶片、发动机缸盖及活塞。因此，对此类关键部件材料的结构、力学性能、物理性能等提出了新的更高的要求。镍基高温合金作为航空发动机中高温下服役的叶片合金材料，不仅要有足够的高温力学性能，而且还要具有优异的抗高温氧化性能和疲劳性能，实际上仅仅依靠合金本身很难满足以上要求。多数情况下需要在合金中添加微、纳米级增强颗粒，如SiC、TiC、Al2O3等，但这种方法提高镍基合金强度的同时，极大地降低了合金的塑性，且增强颗粒极易团聚，因此，对合金性能的提升效果也很难令人满意。
增材制造(Additive manufacturing，AM)，又被称为“3D打印”，是以数字CAD模型数据为基础，采用类似数学积分的叠加法制造原理，将三维实体的制造降阶为二维截面逐点逐层累制造的方法，实现了三维零件的降维成形，不受形状复杂程度的限制，能够实现任意复杂形状零件的快速、优质、高效、经济、全智能化和全柔性化制造。增材制造是先进制造业的重要组成部分，是近三十年来迅速发展起来的高端数字化制造技术，相对于传统的等材制造(制造过程中ΔM＝0，铸造、锻造等)，减材制造(ΔM<0，车铣刨磨钻等)，是一种“自下而上”的材料累加成形的制造方法，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，实现了制造方式从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的理念和模式。
激光选区熔化成形(SLM)工艺由于可实现中任意复杂构件的无模具、快速、全致密直接精密净成形，特别适合于成形“小而精”和具有复杂结构零件(悬垂、曲面、多孔结构等)零件，构件性能可达到同成分锻件水平，兼顾精确成形和高性能成形需求。因此，SLM工艺被认为是金属增材制造技术领域发展最快和最具发展潜力的技术之一。但是SLM成形过程中，由于沿沉积方向温度梯度较高，凝固后的组织细小、沿沉积方向柱状晶外延生长，表现出极强的各向异性。同时，快速的熔化和凝固过程容易产生内部裂纹，导致材料的性能，尤其是疲劳性能急剧降低，限制了3D打印技术的发展。
专利“纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料及其激光3D打印成形方法”(专利公开号：201510113880.8)，提出了一种以纳米CrC作为增强体的高温合金复合材料及其3D打印方法。专利“基于CNTs和激光增材制造加工技术制备高性能原位TiC增强钛基复合材料”(专利公开号：201510454422.0)。对于陶瓷颗粒增强金属基复合材料，增强体的匹配选择并不容易，一旦增强体与金属材料之间的界面结合效果和润湿性能较差，陶瓷颗粒的引入可能非但不能起到增强作用，反而可能起到反作用，恶化材料的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法和SLM成形工艺，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，包括以下步骤：
a、将石墨烯粉末和无水乙醇混合均匀得到石墨烯-无水乙醇悬浊液；
b、将得到的石墨烯-无水乙醇悬浊液与高温合金粉末混合得到混合物A，使石墨烯-无水乙醇悬浊液中的石墨烯含量为高温合金粉末质量的0.1-5％；
c、去除混合物A中的无水乙醇得到混合物B；
e、将混合物B采用介质阻挡放电等离子体辅助球磨技术进行等离子辅助球磨，即可得到石墨烯合金纳米复合材料。
进一步的，石墨烯为少层石墨烯。
进一步的，石墨烯纳米粉末中层数≤5的少层石墨烯质量不小于总石墨烯粉末质量的70％，层数≥11的少层石墨烯质量不大于总石墨烯粉末质量的5％。
进一步的，石墨烯粉末和无水乙醇按体积比1：(200-2000)混合。
进一步的，按体积比将石墨烯粉末置于无水乙醇中，超声振荡不小于2h，配置成石墨烯-无水乙醇悬浊液。
进一步的，将混合物A采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨2-20h，球料比设为(30-1):1，转速设为50-300rpm，湿磨过程中加入Ar气，高温合金粉末的粒径15-53μm。
进一步的，将湿磨后的混合物A静置后置于真空干燥箱中烘干得到混合物B，干燥箱内真空度不小于1×10-2Pa，温度为60-120℃，时间为12-48h。
进一步的，高温合金粉末采用K418镍基高温合金材料、铁镍合金4J52合金材料或铁镍钴合金4J29中的一种。
一种石墨烯合金纳米复合材料SLM成形工艺，将制备的石墨烯合金纳米复合材料采用SLM设备进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在100ppm以内，成形过程中激光功率为250-450W，扫描速度为1500-3500mm/s，层厚为20-50μm，扫描间距为60-90μm，旋转角60-70°，正交扫描即可得到试样。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，采用无水乙醇超声振动制备成悬浊液，使石墨烯的均匀分散在无水乙醇中，石墨烯分散均匀，然后将石墨烯无水乙醇悬浊液与高温合金按比例混合后，石墨烯通过参与界面反应和部分残留，在晶界和晶内弥分布，改善了成形件的强度和韧性，降低了热裂倾向，石墨烯的加入改变了材料的组织形态。
一种石墨烯合金纳米复合材料SLM成形工艺，SLM成形过程中，石墨烯高温合金纳米复合材料中的石墨烯起到了异质形核剂的作用，增加了凝固结晶过程中的形核率，通过介质阻挡放电等离子体辅助球磨技术制备得到石墨烯高温合金纳米复合材料，等离子体提高了粉末的活性，使得择优生长的柱状晶向等轴晶转变，细化了晶粒，提高了性能。加入石墨烯后，少量的石墨烯与基体中Mo反应生成MoC相，在晶界和晶内弥散分布，剩余的石墨烯来不及反应，在基体中均匀分布；基体中同时存在MoC碳化物和石墨烯，在晶界和晶内弥散分布，起到钉扎作用，依靠界面结合处晶格畸变、钉扎位错、层错、晶粒细化、裂纹扩展受阻，载荷转移等作用，通过载荷强化、位错密度强化、Orowan强化以及细晶强化等机制共同作用起到强韧化效果。
附图说明
图1为石墨烯增强高温合金纳米复合材料制备原理图；
图2为石墨烯层数分布图；
图3为实施例GNPs/K418复合材料制备原理图；
图4为本发明GNPs/K418复合材料粉末SEM图；
图5为本发明GNPs/K418复合材料粉末粒径分布图；
图6为原始K418粉末SLM成形后横截面和纵截面SEM图；图6(a)为原始K418粉末SLM成形后横截面图；图6(b)为原始K418粉末SLM成形后纵截面SEM图；
图7为GNPs/K418纳米复合粉末SLM成形后横截面和纵截面SEM图；图7(a)为GNPs/K418纳米复合粉末SLM成形后横截面图；图7(b)为GNPs/K418纳米复合粉末SLM成形后纵截面SEM图；
图8为原始K418粉末和GNPs/K418纳米复合粉末SLM成形后XRD图；图8(a)为原始K418粉末SLM成形后XRD图；图8(b)为GNPs/K418纳米复合粉末SLM成形后XRD图；
图9为GNPs/K418纳米复合粉末SLM成形后TEM图；
图10为原始K418粉末和GNPs/K418纳米复合粉末SLM成形后力学性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
与传统的增强体相比，石墨烯具有密度小(2.2g/cm3)、抗拉强度高(>130GPa)以及良好的导热率(5000W/mK)，且碳与金属良好的界面润湿、单层碳原子厚度的二维结构特征均有利于与基体元素形成金属-C共价键的稳定相，同时，石墨烯本身具有较高的强度和韧性，且比表面积较大，石墨烯复合到高温合金基体后可以有效提高复合材料的强韧性，基于以上特点，石墨烯是一种提高复合材料性能的理想增强体。如果采用合理的工艺控制和巧妙的增强体设计，将石墨烯高强度、高韧性等优点和镍基高温合金高温强度、持久强度和蠕变强度等特点结合起来，有望开发出具有优异性能的镍基高温合金复合材料。本发明旨在提供一种用石墨烯增强高温合金纳米复合材料的制备方法及其SLM成形工艺。
一种石墨烯合金纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a、取石墨烯粉末，石墨烯粉末粒径≤2μm，石墨烯为少层石墨烯，所取石墨烯纳米粉末中层数≤5的少层石墨烯质量不小于总石墨烯粉末质量的70％，层数≥11的少层石墨烯质量不大于总石墨烯粉末质量的5％；
b、将石墨烯粉末和无水乙醇按体积比1：(200-2000)混合均匀得到石墨烯-无水乙醇悬浊液，将石墨烯粉末置于无水乙醇中，超声振荡不小于2h，通过充分振动分散，配置成石墨烯-无水乙醇悬浊液；
c、将得到的石墨烯-无水乙醇悬浊液与高温合金粉末混合得到混合物A，使石墨烯-无水乙醇悬浊液中的石墨烯含量为高温合金粉末质量的0.1-5％；
将混合物A采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨2-20h，球料比设为(30-1):1，转速设为50-300rpm，整个过程中加入Ar气，避免混合粉末被氧化；高温合金粉末的粒径15-53μm；
d、将湿磨后的混合物A静置，除去混合物A中大部分的无水乙醇，然后将静置后的浆料置于真空干燥箱中烘干得到混合物B，真空度不小于1×10-2Pa，温度为60-120℃，时间为12-48h；
e、将烘干后的混合物B采用介质阻挡放电等离子体辅助球磨技术进行等离子辅助球磨，即可得到石墨烯合金纳米复合材料；球磨时间0.5-2h，从而得到石墨烯含量为0.1-5％的高温合金复合材料，对粉体进行SEM、XRD等表征测试；通过球磨将石墨烯均匀的分散在高温合金表面上，实现牢固结合，等离子的作用是去除高温合金表面杂质，提高分表表面活化能。
高温合金粉末采用K418镍基高温合金材料、铁镍合金4J52合金材料或铁镍钴合金4J29中的一种；
一种基于石墨烯合金纳米复合材料的SLM成形工艺，将制备的石墨烯合金纳米复合材料采用SLM设备进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在100ppm以内，成形过程中激光功率为250-450W，扫描速度为1500-3500mm/s，层厚为20-50μm，扫描间距为60-90μm，旋转角60-70°，正交扫描即可得到试样，对打印成形后的试样进行表征测试。
下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：
实施例1
(1)以K418镍基高温合金材料作为基体，0.1g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/K418)，原始K418粉末为正态分布的粒径15-53μm的球形粉，如图5所示，石墨烯粉末呈现层片状，石墨烯层数≤5的占比为72.55％，石墨烯层数≥11的占比为3.03％，平均颗粒尺寸为1μm，如图2所示；
(2)将0.1g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.1％悬浊液，超声波震动2h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由0.1g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的K418合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨4h，球料比设为30:1，转速设为50rpm，整个过程中加入Ar气，避免混合粉末被氧化，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置2天后，在120℃真空条件下，将混合粉末干燥12h，真空度为1×10-2Pa，为了提高复合材料粉末的活化能，对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨0.5h，制备出石墨烯含量为0.1wt％的GNP/K418复合材料粉末，制备后复合材料粉末的SEM如图4所示，粉末粒径分布如图5所示；
(4)采用SLM工艺对GNP/K418复合材料进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在100ppm，成形过程中激光功率为250W，扫描速度为1500mm/s，层厚为20μm，扫描间距为60μm，旋转角67°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试；
(5)
实施例2
(1)以100g K418镍基高温合金材料作为基体，1g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/K418)；
(2)将1g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.1％悬浊液，超声波震动2.5h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由1g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的K418合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨6h，球料比设为15:1，转速设为240rpm，整个过程中加入Ar气，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置38h后，在105℃真空条件下，将混合粉末干燥24h，真空度为1×10-2Pa；对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨0.8h，制备出石墨烯含量为1％的GNP/K418复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对石墨烯含量为1％的GNP/K418复合材料粉末进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在100ppm，成形过程中激光功率为320W，扫描速度为1800mm/s，层厚为30μm，扫描间距为60μm，旋转角60°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
实施例3
(1)以100g K418镍基高温合金材料作为基体，1.5g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/K418)；
(2)将1.5g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.2％悬浊液，超声波震动2.4h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由1.5g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的K418合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨8h，球料比设为18:1，转速设为100rpm，整个过程中加入Ar气，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置28h后，在100℃真空条件下，将混合粉末干燥12h，真空度为1×10-2Pa，温度为80℃；对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨1h，制备出石墨烯含量为1.5％的GNP/K418复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对石墨烯含量为1.5％的GNP/K418复合材料粉末进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在99ppm，成形过程中激光功率为340W，扫描速度为1800mm/s，层厚为40μm，扫描间距为80μm，旋转角62°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
实施例4
(1)以100g K418镍基高温合金材料作为基体，2g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/K418)；
(2)将2g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.1％悬浊液，超声波震动2.6h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由4g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的K418合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨10h，球料比设为20:1，转速设为150rpm，整个过程中加入Ar气，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置30h后，在100℃真空条件下，将混合粉末干燥12h，真空度为1×10-2Pa；对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨106h，制备出石墨烯含量为4％的GNP/K418复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对石墨烯含量为4％的GNP/K418复合材料粉末进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在100ppm，成形过程中激光功率为420W，扫描速度为3100mm/s，层厚为45μm，扫描间距为80μm，旋转角67°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
实施例5
(1)以100g K418镍基高温合金材料作为基体，2.5g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/K418)；
(2)将2.5g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.5％悬浊液，超声波震动2.7h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由2.5g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的K418合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨12h，球料比设为18:1，转速设为200rpm，整个过程中加入Ar气，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置30h后，在100℃真空条件下，将混合粉末干燥12h，真空度为1×10-2Pa；对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨0.8h，制备出石墨烯含量为2.5％的GNP/K418复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对GNP/K418复合材料进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在95ppm，成形过程中激光功率为300W，扫描速度为1600mm/s，层厚为25μm，扫描间距为65μm，旋转角66°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
实施例6
(1)以100g铁镍钴合金4J29作为基体，3.5g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/4J29)；
(2)将3.5g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.7％悬浊液，超声波震动2.8h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由3.5g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的4J29合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨12h，球料比设为10:1，转速设为220rpm，整个过程中加入Ar气，避免混合粉末被氧化，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置24h后，在100℃真空条件下，将混合粉末干燥12h，真空度为1×10-2Pa；对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨0.8h，制备出石墨烯含量为3.5％的GNP/4J29复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对石墨烯含量为3.5％的GNP/4J29复合材料粉末进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在95ppm，成形过程中激光功率为270W，扫描速度为2800mm/s，层厚为35μm，扫描间距为70μm，旋转角62°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
实施例7
(1)以100g铁镍合金4J52合金材料作为基体，3.5g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强4J52纳米复合材料(GNPs/4J52)；
(2)将3.5g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.2％悬浊液，超声波震动2.9h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由3.5g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的4J52合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨10h，球料比设为10:1，转速设为220rpm，整个过程中加入Ar气，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置35h后，在110℃真空条件下，将混合粉末干燥30h，真空度为1×10-2Pa，对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨1.5h，制备出石墨烯含量为4％的GNP/4J52复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对石墨烯含量为4％的GNP/4J52复合材料粉末进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在98ppm，成形过程中激光功率为260W，扫描速度为2800mm/s，层厚为40μm，扫描间距为75μm，旋转角65°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
实施例8
(1)以100g K418镍基高温合金材料作为基体，4g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/K418)；
(2)将4g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.1％悬浊液，超声波震动3h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由0.1g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的K418合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨15h，球料比设为8:1，转速设为320rpm，整个过程中加入Ar气，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置30h后，在120℃真空条件下，将混合粉末干燥20h，真空度为1×10-2Pa；对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨1.8h，制备出石墨烯含量为4％的GNP/K418复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对石墨烯含量为4％的GNP/K418复合材料粉末进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在95ppm，成形过程中激光功率为300W，扫描速度为1600mm/s，层厚为25μm，扫描间距为65μm，旋转角66°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
实施例9
(1)以100g K418镍基高温合金材料作为基体，4.5g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/K418)；
(2)将4.5g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.1％悬浊液，超声波震动2h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由4.5g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的K418合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨18h，球料比设为5:1，转速设为260rpm，整个过程中加入Ar气，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置35h后，在95℃真空条件下，将混合粉末干燥30h，真空度为1×10-2Pa，对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨1.5h，制备出石墨烯含量为4.5％的GNP/K418复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对石墨烯含量为4.5％的GNP/K418复合材料粉末进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在97ppm，成形过程中激光功率为430W，扫描速度为3200mm/s，层厚为40μm，扫描间距为85μm，旋转角70°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
实施例10
(1)以100g K418镍基高温合金材料作为基体，5g石墨烯作为纳米复合增强体，制备石墨烯增强K418纳米复合材料(GNPs/K418)；
(2)将5g石墨烯粉体加入到无水乙醇中，配置成石墨烯粉体质量分数为0.2％悬浊液，超声波震动2h至石墨烯粉体混合均匀至无水乙醇中；将由5g石墨烯粉体与无水乙醇混合成的悬浊液倒入100g的K418合金粉末中，采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨20h，球料比设为1:1，转速设为300rpm，整个过程中加入Ar气，避免混合粉末被氧化，得到混合浆料A；
(3)将混合浆料A中的无水乙醇保护取出：静置48h后，在120℃真空条件下，将混合粉末干燥48h，真空度为1×10-2Pa；对干燥后的粉末进行等离子辅助球磨，球磨2h，制备出石墨烯含量为5％的GNP/K418复合材料粉末；
(4)采用SLM工艺对石墨烯含量为5％的GNP/K418复合材料粉末进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在90ppm，成形过程中激光功率为450W，扫描速度为3500mm/s，层厚为50μm，扫描间距为85μm，旋转角67°，正交扫描，得到成型后的试样，打印成形后的试样进行表征测试。
图6和图7分别为原始K418粉末和本发明实施例1中制备的石墨烯合金纳米复合材料分别采用SLM工艺成形后横截面和纵截面SEM图，可以看出，石墨烯的加入改变了材料的组织形态，SLM工艺成形过程中，石墨烯起到了异质形核剂的作用，增加了凝固结晶过程中的形核率，使得择优生长的柱状晶向等轴晶转变，细化了晶粒，降低了裂纹倾向，提高了材料性能；图8和图9为加入石墨烯前后高温合金粉材料的XRD和TEM测试结果，可以看出，加入石墨烯后，少量的石墨烯与基体中Mo反应生成MoC相，在晶界和晶内弥散分布，剩余的石墨烯来不及反应，在基体中均匀分布；基体中同时存在MoC碳化物和石墨烯，在晶界和晶内弥散分布，起到钉扎作用，依靠界面结合处晶格畸变、钉扎位错、层错、晶粒细化、裂纹扩展受阻，载荷转移等作用，通过载荷强化、位错密度强化、Orowan强化以及细晶强化等机制共同作用起到强韧化效果，提高了GNPs/K418复合材料的性能，如图10所示。

Claims (9)

1.一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将石墨烯粉末和无水乙醇混合均匀得到石墨烯-无水乙醇悬浊液；
b、将得到的石墨烯-无水乙醇悬浊液与高温合金粉末混合得到混合物A，使石墨烯-无水乙醇悬浊液中的石墨烯含量为高温合金粉末质量的0.1-5％；
c、去除混合物A中的无水乙醇得到混合物B；
e、将混合物B采用介质阻挡放电等离子体辅助球磨技术进行等离子辅助球磨，即可得到石墨烯合金纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，其特征在于，石墨烯为少层石墨烯。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，其特征在于，石墨烯纳米粉末中层数≤5的少层石墨烯质量不小于总石墨烯粉末质量的70％，层数≥11的少层石墨烯质量不大于总石墨烯粉末质量的5％。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，其特征在于，石墨烯粉末和无水乙醇按体积比1：(200-2000)混合。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，其特征在于，按体积比将石墨烯粉末置于无水乙醇中，超声振荡不小于2h，配置成石墨烯-无水乙醇悬浊液。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，其特征在于，将混合物A采用机械合金化法将复合合金粉末置于球磨机中湿磨2-20h，球料比设为(30-1):1，转速设为50-300rpm，湿磨过程中加入Ar气，高温合金粉末的粒径15-53μm。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，其特征在于，将湿磨后的混合物A静置后置于真空干燥箱中烘干得到混合物B，干燥箱内真空度不小于1×10- 2Pa，温度为60-120℃，时间为12-48h。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯合金纳米复合材料制备方法，其特征在于，高温合金粉末采用K418镍基高温合金材料、铁镍合金4J52合金材料或铁镍钴合金4J29中的一种。
9.一种基于权利要求1所述石墨烯合金纳米复合材料制备方法得到的石墨烯合金纳米复合材料的SLM成形工艺，其特征在于，将制备的石墨烯合金纳米复合材料采用SLM设备进行3D打印，成形腔体内充入Ar惰性气体，氧含量控制在100ppm以内，成形过程中激光功率为250-450W，扫描速度为1500-3500mm/s，层厚为20-50μm，扫描间距为60-90μm，旋转角60-70°，正交扫描即可得到试样。
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