CN111020562B - 一种激光制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法。在TA15钛合金表面制备Co‑Al‑B4C‑CeO2预置层，后激光熔覆处理形成Co基复合材料；后在所形成Co基复合材料表面设置Co‑Al‑B4C‑CeO2‑(MGOSs/CNTs)预置层，再次进行激光熔覆处理形成（MGOSs/CNTs）增强Co基复合材料，且由于激光束能量分布不均，部分未熔MGOSs/CNTs存在于Co‑Al‑B4C‑CeO2‑(MGOSs/CNTs)复合材料中，研究表明MGOSs/CNTs添加可有效增强激光熔覆复合材料的磨损性能。本发明能在TA15钛合金表面获得具有极强耐磨性的复合材料。关键词：氧化石墨烯；复合材料；碳基纳米相；激光加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法，属于材料表面强化技术领域，特别涉及一种在钛合金表面通过激光熔覆（LC）制备单层氧化石墨烯片（MGOSs）与碳纳米管（CNTs）增强Co基复合材料的方法。
背景技术
钛合金由于轻量化及良好的腐蚀性能，在航空航天、增材制造等工业领域得到广泛应用，但其较差的耐磨性限制其应用范围。LC是一种利用高能激光束对合金表面进行强化的技术，具有快速冷却特点，利于形成性能优异的纳米材料，从而强化合金的表面性能，所制备复合材料具有均匀致密组织结构及较低稀释率。Co及其合金具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和高硬度，Co可促使激光熔池中非晶相形成，被广泛应用于表面强化领域。适量稀土氧化物添加可有效细化LC复合材料组织结构，减弱枝晶生长方向性，得到均匀致密的熔覆层组织。碳基纳米材料主要包括：CNTs、碳纳米纤维、MGOSs、碳纳米球等，具有优异的光学、电学、力学特性，在微纳加工、能源及生物医学等方面具有非常重要的应用前景。
发明内容
基于上述科学原理，本发明依据激光束处理钛合金表面形成高温熔池快速冷凝特性，提出一种通过LC制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法。
在TA15钛合金表面制备Co-Al-B4C-CeO2预置层，用LC处理后形成Co基复合材料；后在所形成复合材料表面涂覆Co-Al-B4C-CeO2-(MGOSs/CNTs)预置层，再进行LC处理，形成MGOSs/CNTs增强Co基复合材料。
Co-Al-B4C-CeO2LC复合材料具有无明显缺陷的组织结构（见图1a）；大量具有较高硬度的棒状Ti-B陶瓷相产生于该复合材料中（见图1b）。
图2a所示，高分辨透射电镜（HRTEM）像证实，CNTs存在于Co-Al-B4C-CeO2-(MGOSs/CNTs) LC复合材料中，这主要归因于激光束能量分布不均，导致部分CNTs未完全熔化。此外，由于激光熔池急速冷凝特性，非晶相产生于该复合材料中，还包含部分未熔MGOSs（见图2b）；如图2c所示，该复合材料摩擦体积明显小于Co-Al-B4C-CeO2 LC 复合材料，表明MGOSs/CNTs添加可有效增强其磨损性能。
综合分析，本发明采用LC技术，针对钛合金表面耐磨性较差缺点，在TA15钛合金表面制备Co-Al-B4C-CeO2-(MGOSs/CNTs)复合材料。
具体步骤：
1）在LC之前，将TA15钛合金表面用砂纸打磨平整，后用体积百分比25%硫酸水溶液对该表面进行清洗，酸洗时间5 min；再用清水冲洗，后用酒精将待熔工件表面擦拭干净，再吹干；
2）将一定质量比例Co、Al、B4C、CeO2混合粉末通过水玻璃粘合，在TA15待处理表面制备厚度1 mm的Co-Al-B4C-CeO2预置层，后进行LC处理，形成Co基复合材料，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 5 mm/s，光斑直径4 mm，氩气流速30 L/min，搭接率30%；后在所制备Co基复合材料表面进行超声波清洗和机械抛光，其表面粗糙度约0.05 mm；
3）将一定质量比例Co、Al、B4C、CeO2与含有MGOSs和CNTs为溶质的乙醇溶液混合，制备溶液，后利用超声波分散形成均匀溶液，用滴管将该溶液滴到处理后的Co基复合材料表面，干燥后循环重复涂覆，直至样品预置层厚度达0.7 mm；后用LC处理，形成MGOSs/CNTs增强Co基复合材料，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 5 mm/s，光斑直径4 mm，氩气流速30 L/min，焊道搭接率30%。
步骤1）所述TA15钛合金成分（wt%）：6.06Al, 2.08Mo, 1.32V, 1.86Zr, 0.09Fe,0.08Si, 0.05C, 0.07O，余量Ti；
步骤2）所述预置层成分：50Co-33.5Al-15B4C-1.5CeO2（wt%），其中Co（纯度≥99%，150~250 μm），Al（纯度≥99%，50~150 μm），B4C（纯度≥99%，50~100 μm），CeO2（纯度≥99%，50~100 μm）；
步骤3）所述预置层成分：50Co-33.5Al-15B4C-1.5CeO2（wt%）混合粉末与乙醇混合形成溶液，混合粉末与乙醇质量比2:3；含1.58 mg/mL MGOSs及1 mg/mL CNTs的乙醇溶液与含混和粉末溶液质量之比1:15；其中Co（纯度≥99%，150~250 μm），Al（纯度≥99%，50~150 μm），B4C（纯度≥99%，50~100 μm），CeO2（纯度≥99%，1~50 μm）；MGOSs（纯度≥99%，尺寸0.4～2μm，厚度0.8～1.2 nm），CNTs（纯度≥99%，单臂，直径1～10 nm、长度1～10 μm）。
本发明在氩气环境中于钛合金表面进行LC，激光束扫描速度保持不变，熔化沉积后关闭激光，等待2～3秒钟关闭氩气，使保护气对试样进行充分保护。本发明能够获得具有极强耐磨特性的非晶-碳基纳米相增强复合材料，具有工艺简单方便，适于工业推广应用等优点。
具体实施方式
实施例1:
1） 在LC之前，将TA15钛合金待处理表面用120号砂纸打磨平整，使其待处理表面粗糙度约2.5 μm；后用体积百分比25%硫酸水溶液对该表面进行清洗，酸洗时间5 min；后用清水冲洗，再用酒精将待处理表面擦拭干净、吹干；
2） 将一定质量比例Co、Al、B4C、CeO2混合粉末通过水玻璃粘合，在TA15待处理表面制备厚度1 mm，成分50Co-33.5Al-15B4C-1.5CeO2（wt%）的预置层，后进行LC处理，形成Co基复合材料，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 5 mm/s，光斑直径4 mm，氩气流速30L/min，搭接率30%；后将制备Co基复合材料表面进行超声波清洗和机械抛光，其表面粗糙度约0.05mm；
3） 将一定质量比例Co、Al、B4C、CeO2粉末混合，形成成分50Co-33.5Al-15B4C-1.5CeO2（wt.%）混合粉末，后将该混合粉末与含1.58 mg/mL MGOSs和1 mg/mL CNTs乙醇溶液混合制备溶液，后利用超声波分散形成均匀溶液，用滴管将该溶液滴到经过处理的Co基复合材料表面，干燥后循环重复涂覆，直至样品预置层厚度达0.7 mm；后用LC处理形成MGOSs/CNTs增强Co基复合材料，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 5 mm/s，光斑直径4 mm，氩气流速30 L/min，搭接率30%。
附图说明
图1 Co-Al-B4C-CeO2 LC复合材料: (a) 组织结构; (b) 棒状Ti-B陶瓷相；
图2 （MGOSs /CNTs）增强Co基复合材料: (a) CNTs的HRTEM像; (b) 非晶相及未熔MGOSs的SEM像; (c) 摩擦体积测试图。
Claims (1)
1.一种激光制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法，其特征是：
（1）将一定质量比例Co、Al、B4C、CeO2混合粉末通过水玻璃粘合，在TA15表面制备厚度1mm，成分50Co-33.5Al-15B4C-1.5CeO2（wt%）预置层，后进行激光熔覆处理，形成Co基复合材料；后将制备Co基复合材料表面进行超声波清洗和机械抛光，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 5 mm/s，光斑直径4 mm，氩气流速30 L/min，焊道搭接率30%；
（2）将一定质量比例Co、Al、B4C、CeO2粉末混合，形成成分50Co-33.5Al-15B4C-1.5CeO2（wt%）混合粉末，后将该混合粉末与含1.58 mg/mL MGOSs和1 mg/mL CNTs为溶质的乙醇混合制备溶液，混合粉末与乙醇的质量比2:3；后利用超声波分散形成均匀溶液，用滴管将该溶液滴到之前经处理后的Co基复合材料表面，干燥后循环重复涂覆，直至预置层厚度0.7mm；再进行激光熔覆处理后形成MGOSs/CNTs增强Co基复合材料，工艺参数：激光功率900 W，激光束扫描速度 5 mm/s，光斑直径4 mm，氩气流速30 L/min，搭接率30%。
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