CN117626035A - 一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法 - Google Patents
一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117626035A CN117626035A CN202311624849.1A CN202311624849A CN117626035A CN 117626035 A CN117626035 A CN 117626035A CN 202311624849 A CN202311624849 A CN 202311624849A CN 117626035 A CN117626035 A CN 117626035A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- titanium
- based composite
- composite material
- spherical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 157
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 101
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 95
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 93
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 90
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 63
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims abstract description 44
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 claims abstract description 15
- 235000010446 mineral oil Nutrition 0.000 claims abstract description 15
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000012184 mineral wax Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- -1 graphene derivative modified copper Chemical class 0.000 claims description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 12
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 10
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 7
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 claims description 7
- 229940057995 liquid paraffin Drugs 0.000 claims description 6
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 6
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims description 5
- 239000004200 microcrystalline wax Substances 0.000 claims description 5
- 235000019808 microcrystalline wax Nutrition 0.000 claims description 5
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 5
- 229940099259 vaseline Drugs 0.000 claims description 4
- 239000001993 wax Substances 0.000 claims description 4
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 claims description 2
- 229940114937 microcrystalline wax Drugs 0.000 claims description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical class [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 69
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 abstract 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 47
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 16
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 14
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 13
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000007772 electroless plating Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000000713 high-energy ball milling Methods 0.000 description 3
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 3
- 241001391944 Commicarpus scandens Species 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910004353 Ti-Cu Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000002060 nanoflake Substances 0.000 description 2
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010671 solid-state reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 2
- 206010017472 Fumbling Diseases 0.000 description 1
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 238000004573 interface analysis Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- OFNHPGDEEMZPFG-UHFFFAOYSA-N phosphanylidynenickel Chemical compound [P].[Ni] OFNHPGDEEMZPFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 150000003608 titanium Chemical class 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，该方法包括：一、选择球形钛合金粉、矿物油及蜡与球形铜粉；二、将球形铜粉球磨成片状铜粉后与矿物油及蜡搅匀，煅烧得到Gr@Cu复合粉体；三、将增强体前驱体与球形钛合金粉球磨混匀得到钛基复合粉体；四、经放电等离子体烧结成型和热轧制得到Gr@Cu/钛基复合材料。本发明以片状铜粉为载体制备Gr@Cu复合粉体，避免石墨烯衍生物遭到破坏，提高了与钛基体的界面粘合度，Gr@Cu/钛基复合材料中原位生成TiC和CuTi2呈多级多尺度结构分布在晶界和晶内，提高了材料的强度，且尺度分级结构分散基体上的应力集中，避免材料在提升强度时损失塑性，实现了强塑性匹配。
Description
技术领域
本发明属于金属粉体表面原位负载石墨烯衍生物及金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法。
背景技术
钛及钛合金因具有密度低、比强度高、抗蚀性好、耐热性高等优点，广泛应用于航空、航天等领。然而，随着高新技术的快速发展对高强高韧钛合金材料的需求日益增加，传统的钛合金已难满足要求。因此，研究和开发新型钛合金及其复合材料实现良好的强度-塑性匹配是拓展钛材料应用领域和推动其工业高速发展的关键。与传统钛合金相比，钛基复合材料是以钛合金为基体，并引入合适的增强体的一种新型结构材料，它可以突破单一金属或合金基体的限制，获得更为优异的综合性能。目前研究表明，尽管超高强度的石墨烯及衍生物加入钛基体后可以获得良好的强塑性匹配水平，在增强钛基复合材料方面彰显出巨大的优势和潜力。但是，如何改善石墨烯在钛基体中的均匀分散、提升与钛基体的界面结合以及低成本化生产高品质石墨烯等仍是限制石墨烯/钛基复合材料高性能化的瓶颈问题。
目前，现有技术主要通过化学法和物理球磨法提高石墨烯在钛基体中的分散效果。比如：利用电化学沉积法可以实现石墨烯在钛基体中的均匀分散，但其成分难以精确控制(Scientific Reports，4(2014)：4049)；采用气相化学沉积法在钛粉上原位生长石墨烯已成为解决石墨烯团聚的新技术，但在实际应用中由于石墨烯的生长温度较高，钛粉容易黏接在一起，导致石墨烯分布不均匀(Materials Letters，283(2021)：128895)。事实上，目前最常用的机械球磨法可以在一定程度上改善石墨烯的分散性，实现对其成分的精确控制，但往往会对石墨烯的结构造成破坏(Carbon，159(2020)：311-323)。因此，改善石墨烯在钛基体中的均匀分散仍需进一步摸索和解决。
另一方面，为了提升石墨烯与钛基体之间的界面结合强度，现有技术主要根据金属之间的浸润性远大于非金属与金属之间的浸润性原理，利用化学镀法对石墨烯表面进行金属化纳米颗粒改性，并通过纳米复合粉体增强钛合金基体来获得强塑性匹配的钛基复合材料(Journal of Alloys and Compounds，729(2017)：293-302；Carbon，137(2018)：146-155)。由此可见，石墨烯经金属颗粒修饰后可以显著提升其与钛基体之间的界面结合强度。然而，化学镀技术很难实现石墨烯和金属颗粒之间的均匀分散和紧密结合。此外，对于大规模商业生产来说，该技术制备工艺复杂、耗时且昂贵，并涉及有害的添加溶剂，将严重损害复合材料的界面结合效果。因此，现有技术仍未解决通过优化石墨烯与钛基体之间的界面强度来获得钛基复合材料高强高塑水平的问题，仍需进一步探寻一种节能高效的方法。
综上，急需提出一种石墨烯均匀分散于钛基体并与其界面结合度高的策略，优化一种简便高效的石墨烯合成方法，应用于制备具有优异的强塑性匹配水平的钛基复合材料，并推广其工业化应用。
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，提供一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法。该方法以片状铜粉为载体与矿物油及蜡煅烧制备Gr@Cu复合粉体，避免石墨烯衍生物遭到破坏，结合高能球磨使得石墨烯均匀包覆在钛基体上得到Gr@Cu/钛基复合粉体，提高了与钛基体的界面粘合度，再经烧结和热变形加工得到Gr@Cu/钛基复合材料，该过程中原位固态反应生成的TiC和CuTi2呈多级多尺度结构分布在晶界和晶内，提高了Gr@Cu/钛基复合材料的强度，且尺度分级结构分散基体上的应力集中，避免材料在提升强度时损失塑性，从而实现了强塑性匹配。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高强高塑钛基复合粉体及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、原材料的选择：选择旋转电极法制备的球形钛合金粉为基体材料，选择矿物油及蜡与球形铜粉为增强体前驱体的制备原料；
步骤二、增强体前驱体的制备：将步骤一中选择的球形铜粉放置于行星式球磨机中球磨成片状铜粉，然后将矿物油及蜡与片状铜粉机械搅拌均匀，再在氩气氛围下进行煅烧，得到增强体前驱体，即原位石墨烯衍生物改性铜复合粉体，记为Gr@Cu复合粉体；
步骤三、钛基复合粉体的制备：将步骤二中得到的增强体前驱体与步骤一中选择的球形钛合金粉放置于行星式球磨机中球磨混合均匀，得到钛基复合粉体，即原位石墨烯衍生物改性铜/钛基复合粉体，记为Gr@Cu/钛基复合粉体；
步骤四、钛基复合材料的制备：将步骤三中制备的钛基复合粉体进行放电等离子体烧结成型，经热轧制得到钛基复合材料，即Gr@Cu/钛基复合材料。
本发明将矿物油及蜡与片状铜粉混匀后煅烧原位形成石墨烯衍生物改性铜复合粉体，然后将其与钛合金粉高能球磨，制备出石墨烯衍生物改性铜/钛基复合粉体，并经固相烧结结合变形加工，得到一种高强高塑的多级结构钛基复合材料。
首先，本发明的制备过程中通过球磨工艺将球形铜粉调控成具有适当片径和厚度的片状铜粉，再向片状铜粉中滴加矿物油及蜡充分机械混合，最后进行短时间煅烧，通过调控球形铜粉的球磨工艺参数以及矿物油及蜡的含量，获得具有高比表面积的石墨烯衍生物改性铜复合粉体，同时精确控制了石墨烯衍生物含量和铜片厚度及尺寸。基于片状铜粉合适的片径尺寸和层厚，该石墨烯衍生物改性铜复合粉体相较于同样具备高比表面积的传统石墨烯而言，提高了后续高能球磨混合过程中与球形钛合金粉的实质接触面积，增加了石墨烯衍生物包覆量。同时，由于铜元素与钛元素之间的浸润性远高于碳元素与钛元素之间的浸润性，石墨烯衍生物原位生长在片状铜粉上并以片状铜粉作为其与球形钛合金粉之间的接触媒介，有效避免了传统石墨烯在球形钛合金粉表面易团聚和完整的片层尺度易破碎现象的发生，解决了传统石墨烯与钛基粉末混合后分散性差和石墨烯二维片层尺寸易遭破坏的难题。
其次，本发明制备的原位石墨烯衍生物改性铜/钛基复合粉体的形成特征为多级多尺度的原位混杂强化钛基复合材料的强度和塑性提供了先决条件，其强韧化原理为：基于固态扩散反应以及Ti-C和Ti-Cu的溶解析出机制，经固相烧结后，原位析出并钉扎在晶界处的增强体TiC起着抑制晶粒粗化、阻碍位错运动和提供载荷传递的作用；而固溶进晶粒内部的铜可有效细化基体中的β相组织，后经共析反应在β相上析出纳米尺寸CuTi2，两者始终在晶内保持低能界面且相互牵制，使晶内组织结构处于相对稳定的状态；经热变形加工后，过饱和的铜在基体晶内α相上也析出呈弥散分布的纳米尺寸CuTi2颗粒，这些纳米颗粒阻碍了晶内的位错运动。因此，晶界处的TiC和弥散在晶内α相上的CuTi2提高了钛基复合材料的强度，而与β相相互相依附的CuTi2稳定了晶内结构，整体呈多级多尺度结构的钛基复合材料能有效分散位于各个增强体上的应力集中，避免材料在提升强度时损失塑性，从而达到强塑性匹配的最终目的。
上述的一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述球形钛合金粉为TA19、TC4或Ti-1300，粒径为15μm～53μm，所述矿物油及蜡为凡士林、液体石蜡或微晶蜡，主成分为C16-C21的正构烷烃，所述球形铜粉的粒径为1μm～5μm。
上述的一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述球形铜粉球磨的球料比为15～25:1，球磨转速为400rpm～450rpm，球磨时间为4h～6h，所述片状铜粉的片径为20μm～30μm，厚度为10μm～20μm；所述矿物油及蜡与片状铜粉的体积比为5～16:40，机械搅拌均匀的时间为15min～20min；所述煅烧的温度为750℃～900℃，煅烧时间为0.5h～1.5h。
上述的一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述增强体前驱体与球形钛合金粉的质量比为11～50:550，所述球磨的球料比为3～6:1，球磨转速为150rpm～250rpm，球磨时间为8h～12h。
上述的一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述放电等离子体烧结成型的烧结温度为900℃～1100℃，保温时间为3min～6min；所述热轧制的温度为800℃～1000℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、针对现有金属纳米颗粒修饰石墨烯制备技术如化学镀法存在成本高、过程繁琐的劣势，以及化学镀易造成金属纳米颗粒在石墨烯上严重团聚和脱落的问题，本发明以球磨制备的片径和层厚可控的片状铜粉为载体，采用绿色无毒的廉价矿物油及蜡与片状铜粉进行短时间煅烧，从而在片状铜粉上原位生成大量的石墨烯衍生物，制备得到原位石墨烯衍生物改性铜复合粉体，不仅易于调控石墨烯衍生物的含量，而且提高了石墨烯衍生物在片状铜粉上的均匀分散度和紧密结合度；同时，该制备过程易于实现，适用于工业化大批量生产。
2、相较于通过分步低能球磨法在钛基体上分散石墨烯，本发明中石墨烯衍生物以片状铜粉为载体并在片状铜粉中原位生长，片状铜粉优异的延展性保证了二维大片层尺寸的石墨烯衍生物不会因球磨转速高而被破坏，从而通过一步高能球磨实现了石墨烯均匀包覆在钛基体上的效果；相较于现有技术采用金属纳米颗粒修饰石墨烯以提高石墨烯与钛基体的界面粘合强度，并通过调控界面保留石墨烯以获得增强钛基复合材料，本发明制备的Gr@Cu复合粉体凭借铜元素与钛元素之间的强亲和性，直接获得与基体之间的高界面粘合度，且在烧结和轧制过程中原位石墨烯衍生物改性铜与钛基体发生原位固态反应生成的TiC和CuTi2呈多级多尺度结构分布在晶界和晶内，相较于现有技术中设法抑制石墨烯与钛合金基体强烈的界面反应以保留石墨烯后仅构筑的表界面结构策略，本发明制备的Gr@Cu/钛基复合材料不仅能够依靠共存的析出相实现高的室温抗拉强度，而且可以凭借多尺度分级结构分散基体上的应力集中，克服材料在高抗拉强度下塑性低的不匹配问题。
3、本发明制备的Gr@Cu/钛基复合材料的室温力学性能为：抗拉强度1490MPa～1510MPa，断后延伸率为5％～8％，远高于现有报道的石墨烯/钛基复合材料或金属纳米颗粒修饰石墨烯/钛基复合材料的强塑性匹配水平。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的Gr@Cu复合粉体的微观组织形貌图。
图2为本发明实施例1中制备的Gr@Cu复合粉体的拉曼图谱。
图3为本发明实施例1中制备的Gr@Cu/TC4复合粉体的微观组织形貌图。
图4为本发明实施例1中制备的Gr@Cu/TC4复合材料的低倍微观组织形貌图。
图5为本发明实施例1中制备的Gr@Cu/TC4复合材料的高倍微观组织形貌图。
图6为本发明实施例1～实施例3中制备的Gr@Cu/TC4复合材料和对比例1中制备的TC4材料、对比例2中制备的Cu/TC4复合材料在室温下的工程应力-应变曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、原材料的选择：选择旋转电极法制备的粒径为15μm～53μm的球形TC4钛合金粉为基体材料，选择主成分为C16-C21的正构烷烃的液体石蜡与粒径为1μm～5μm的球形铜粉为增强体前驱体的制备原料；
步骤二、增强体前驱体的制备：将步骤一中选择的球形铜粉放置于行星式球磨机中球磨，球料比为20:1，球磨转速为425rpm，球磨时间为5h，得到片径为25μm、厚度为15μm的片状铜粉，然后将液体石蜡与片状铜粉按照5:30的体积比，量取0.5mL液体石蜡与片状铜粉机械搅拌均匀18min，再放入管式炉中在氩气氛围、800℃下进行煅烧1h，得到增强体前驱体，即原位石墨烯衍生物改性铜复合粉体，记为Gr@Cu复合粉体；
步骤三、钛基复合粉体的制备：将步骤二中得到的6g增强体前驱体与114g步骤一中选择的球形TC4钛合金粉装入不锈钢球磨关中，放置于行星式球磨机中球磨混合均匀，球磨的球料比为5:1，球磨转速为200rpm，球磨时间为10h，得到钛基复合粉体，即原位石墨烯衍生物改性铜/钛基复合粉体，记为Gr@Cu/TC4复合粉体；
步骤四、钛基复合材料的制备：将步骤三中制备的钛基复合粉体进行放电等离子体烧结成型，烧结温度为1000℃，保温时间为5min，经900℃热轧制得到钛基复合材料，即Gr@Cu/TC4复合材料。
采用万能试验机测试室温力学性能，经检测，本实施例制备的Gr@Cu/TC4复合材料的抗拉强度为1504MPa，断后延伸率为6.04％。
表1Gr@Cu/TC4与现有报道的石墨烯/钛基复合材料或X@Gr(X＝金属纳米颗粒)/钛基复合材料的力学性能对比
参考文献：[1]Q.Yan,et al.,Improved mechanical properties intitaniummatrix composites reinforced with quasi-continuously networkedgraphene nanosheets and in-situ formed carbides[J].Journal of MaterialsScience&Technology,96(2022)85-93；[2]B.Zhang,et al.,Graphene-TiC hybridreinforced titanium matrix composites with 3D network architecture:fabrication,microstructure and mechanical properties[J].Journal of Alloys andCompounds,859(2021)157777；[3]H.Zhang,et al.,Uniform dispersion and interfaceanalysis of nickel coated graphene nanoflakes/pure titaniummatrix composites[J].Carbon,137(2018)146-155；[4]L.Dong,et al.,Reduced graphene oxidenanosheets decorated with copper and silver nanoparticles for achievingsuperior strength and ductility in titanium composites[J].ACS AppliedMaterials&Interfaces,13(2021)43197-43208；[5]H.Xue,et al.,In-situ synthesis ofreduced graphene oxide/aluminium oxide nanopowders for reinforcing Ti-6Al-4Vcomposites[J].Journal of Alloys and Compounds,905(2022)164198；[6]Y.Guo,etal.,Role of powder metallurgical processing on mechanical response of nickel-phosphorus-coated graphene nanoflakes/titanium matrix composites[J].AdvancedEngineering Materials,25(2023)2201002.
从表1可知，本发明制备的Gr@Cu/钛基复合材料的室温力学性能的强度较高，且塑性损失较小，远高于现有报道的石墨烯/钛基复合材料或金属纳米颗粒修饰石墨烯/钛基复合材料的强塑性匹配水平。
图1为本实施例中制备的Gr@Cu复合粉体的微观组织形貌图，从图1看出，铜片上出现了大量的褶皱，结合图2可知，该褶皱为原位生成的石墨烯衍生物，且为了降低其表面能，石墨烯衍生物的形貌由二维向三维转变，故片状铜粉表面的褶皱明显增多。
图2为本实施例中制备的Gr@Cu复合粉体的拉曼图谱，从图2看出，在1330cm-1和1590cm-1处有两个明显的碳信号特征峰，与现有文献报道([1]Separation andPurification Technology，267(2021)：118680；[2]Composites Part B,234(2022)：109731)的典型石墨烯D峰和G峰所处位置一致，说明石墨烯衍生物成功地原位生长在了尺寸和厚度可控的片状铜片表面。
图3为本实施例中制备的Gr@Cu/TC4复合粉体的微观组织形貌图，从图3可看出，Gr@Cu复合粉体均匀分布在球形TC4钛合金粉末表面。
图4为本发明实施例1中制备的Gr@Cu/TC4复合材料的低倍微观组织形貌图，从图4可看出，Gr@Cu/TC4复合粉末通过烧结和热变形加工后，原位生成的呈网状分布的析出相分布在被拉长的TC4晶粒的晶界处。
图5为本实施例中制备的Gr@Cu/TC4复合材料的高倍微观组织形貌图，从图5可看出，CuTi2依次分布在晶内β-Ti和α-Ti上。
对比例1
本对比例的过程为：将旋转电极法制备的粒径为15μm～53μm的球形TC4钛合金粉直接进行放电等离子体烧结成型，烧结温度为1000℃，保温时间为5min，经900℃热轧制得到TC4材料。
采用万能试验机测试室温力学性能，经检测，本对比例制备的TC4材料的抗拉强度为1194MPa，断后延伸率为8.34％。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处为：省略了步骤二中将片状铜粉与液体石蜡混合、煅烧制备原位石墨烯衍生物改性铜复合粉体的过程，即直接将片状铜粉与球形TC4钛合金粉球磨后经放电等离子体烧结成型、热轧制得到Cu/TC4复合材料。
采用万能试验机测试室温力学性能，经检测，本对比例制备的Cu/TC4复合材料的抗拉强度为1392MPa，断后延伸率为1.82％。
图6为本发明实施例1～实施例3中制备的Gr@Cu/TC4复合材料和对比例1中制备的TC4材料、对比例2中制备的Cu/TC4复合材料在室温下的工程应力-应变曲线，从图6可以看出，对比例1制备的TC4材料的抗拉强度为1194MPa，断后延伸率为8.34％，对比例2制备的Cu/TC4复合材料的抗拉强度为1392MPa，断后延伸率为1.82％，相较于对比例1的TC4材料，对比例2中增强体CuTi2在Cu/TC4复合材料晶粒内聚集了大量位错，贡献了额外的强度；但由于在晶内分布的增强体与基体之间的应变不相容性，所以增强体附近存在明显的应力集中，而且Cu/TC4复合材料没有析出钉扎在晶界处的沉淀相，会导致材料整体晶粒粗化，从而断后延伸率下降。而实施例1制备的Gr@Cu/TC4复合材料的抗拉强度为1504MPa，断后延伸率为6.04％，较TC4材料的强度明显提升且塑性几乎不变，较Cu/TC4复合材料的强塑性均显著提升。由于Gr@Cu/TC4复合材料兼具碳源和铜源的特性，基于固态扩散反应，Ti-C和Ti-Cu的溶解析出机制，原位生成分布在晶界的TiC和晶内的CuTi2混杂强化相，本发明制备的Gr@Cu/钛基复合材料不仅能够依靠共存的TiC和CuTi2析出相实现高的室温抗拉强度，而且可以凭借多尺度分级结构分散基体上的应力集中，克服材料在高抗拉强度下塑性低的不匹配问题。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处为：步骤三中采用2g增强体前驱体。
采用万能试验机测试室温力学性能，经检测，本实施例制备的Gr@Cu/TC4复合材料的抗拉强度为1250MPa，断后延伸率为9.65％。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处为：步骤三中采用10g增强体前驱体。
采用万能试验机测试室温力学性能，经检测，本实施例制备的Gr@Cu/TC4复合材料的抗拉强度为1513MPa，断后延伸率为2.11％。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、原材料的选择：选择旋转电极法制备的粒径为15μm～53μm的球形TA19钛合金粉为基体材料，选择主成分为C16-C21的正构烷烃的凡士林与粒径为1μm～5μm的球形铜粉为增强体前驱体的制备原料；
步骤二、增强体前驱体的制备：将步骤一中选择的球形铜粉放置于行星式球磨机中球磨，球料比为15:1，球磨转速为400rpm，球磨时间为4h，得到片径为30μm、厚度为20μm的片状铜粉，然后将凡士林与片状铜粉按照5:40的体积比，量取0.4mL凡士林与片状铜粉机械搅拌均匀15min，再放入管式炉中在氩气氛围、750℃下进行煅烧0.5h，得到增强体前驱体，即原位石墨烯衍生物改性铜复合粉体，记为Gr@Cu复合粉体；
步骤三、钛基复合粉体的制备：将步骤二中得到的6g增强体前驱体与114g步骤一中选择的球形TA19钛合金粉装入不锈钢球磨关中，放置于行星式球磨机中球磨混合均匀，球磨的球料比为3:1，球磨转速为150rpm，球磨时间为8h，得到钛基复合粉体，即原位石墨烯衍生物改性铜/钛基复合粉体，记为Gr@Cu/TA19复合粉体；
步骤四、钛基复合材料的制备：将步骤三中制备的钛基复合粉体进行放电等离子体烧结成型，烧结温度为900℃，保温时间为3min，经800℃热轧制得到钛基复合材料，即Gr@Cu/TA19复合材料。
采用万能试验机测试室温力学性能，经检测，本实施例制备的Gr@Cu/TA19复合材料的抗拉强度为1435MPa，断后延伸率为6.2％。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、原材料的选择：选择旋转电极法制备的粒径为15μm～53μm的球形Ti-1300钛合金粉为基体材料，选择主成分为C16-C21的正构烷烃的微晶蜡与粒径为1μm～5μm的球形铜粉为增强体前驱体的制备原料；
步骤二、增强体前驱体的制备：将步骤一中选择的球形铜粉放置于行星式球磨机中球磨，球料比为25:1，球磨转速为450rpm，球磨时间为6h，得到片径为20μm、厚度为10μm的片状铜粉，然后将微晶蜡与片状铜粉按照16:40的体积比，量取0.5mL微晶蜡与片状铜粉机械搅拌均匀20min，再放入管式炉中在氩气氛围、900℃下进行煅烧1.5h，得到增强体前驱体，即原位石墨烯衍生物改性铜复合粉体，记为Gr@Cu复合粉体；
步骤三、钛基复合粉体的制备：将步骤二中得到的6g增强体前驱体与114g步骤一中选择的球形Ti-1300钛合金粉装入不锈钢球磨关中，放置于行星式球磨机中球磨混合均匀，球磨的球料比为6:1，球磨转速为250rpm，球磨时间为12h，得到钛基复合粉体，即原位石墨烯衍生物改性铜/钛基复合粉体，记为Gr@Cu/Ti-1300复合粉体；
步骤四、钛基复合材料的制备：将步骤三中制备的钛基复合粉体进行放电等离子体烧结成型，烧结温度为1100℃，保温时间为6min，经1000℃热轧制得到钛基复合材料，即Gr@Cu/Ti-1300复合材料。
采用万能试验机测试室温力学性能，经检测，本实施例制备的Gr@Cu/Ti-1300复合材料的抗拉强度为1481MPa，断后延伸率为4.3％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种高强高塑钛基复合粉体及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、原材料的选择：选择旋转电极法制备的球形钛合金粉为基体材料，选择矿物油及蜡与球形铜粉为增强体前驱体的制备原料；
步骤二、增强体前驱体的制备：将步骤一中选择的球形铜粉放置于行星式球磨机中球磨成片状铜粉，然后将矿物油及蜡与片状铜粉机械搅拌均匀，再在氩气氛围下进行煅烧，得到增强体前驱体，即原位石墨烯衍生物改性铜复合粉体，记为Gr@Cu复合粉体；
步骤三、钛基复合粉体的制备：将步骤二中得到的增强体前驱体与步骤一中选择的球形钛合金粉放置于行星式球磨机中球磨混合均匀，得到钛基复合粉体，即原位石墨烯衍生物改性铜/钛基复合粉体，记为Gr@Cu/钛基复合粉体；
步骤四、钛基复合材料的制备：将步骤三中制备的钛基复合粉体进行放电等离子体烧结成型，经热轧制得到钛基复合材料，即Gr@Cu/钛基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述球形钛合金粉为TA19、TC4或Ti-1300，粒径为15μm～53μm，所述矿物油及蜡为凡士林、液体石蜡或微晶蜡，主成分为C16-C21的正构烷烃，所述球形铜粉的粒径为1μm～5μm。
3.根据权利要求1所述的一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述球形铜粉球磨的球料比为15～25:1，球磨转速为400rpm～450rpm，球磨时间为4h～6h，所述片状铜粉的片径为20μm～30μm，厚度为10μm～20μm；所述矿物油及蜡与片状铜粉的体积比为5～16:40，机械搅拌均匀的时间为15min～20min；所述煅烧的温度为750℃～900℃，煅烧时间为0.5h～1.5h。
4.根据权利要求1所述的一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述增强体前驱体与球形钛合金粉的质量比为11～50:550，所述球磨的球料比为3～6:1，球磨转速为150rpm～250rpm，球磨时间为8h～12h。
5.根据权利要求1所述的一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述放电等离子体烧结成型的烧结温度为900℃～1100℃，保温时间为3min～6min；所述热轧制的温度为800℃～1000℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311624849.1A CN117626035A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311624849.1A CN117626035A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117626035A true CN117626035A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90033400
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311624849.1A Pending CN117626035A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117626035A (zh) |
-
2023
- 2023-11-30 CN CN202311624849.1A patent/CN117626035A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7164906B2 (ja) | 金属材料又は金属複合材料の調製方法 | |
| CN106077695B (zh) | 一种高铜钨铜纳米复合粉末的制备方法 | |
| CN109554565B (zh) | 一种碳纳米管增强铝基复合材料的界面优化方法 | |
| CN109338172A (zh) | 一种高熵合金增强的2024铝基复合材料及其制备方法 | |
| CN111270101B (zh) | 微合金化协同强化的石墨烯钛基复合材料及其制备方法 | |
| CN111408714B (zh) | 双尺度结构原位生长石墨烯增强铜基复合材料的制备方法 | |
| CN109576545B (zh) | 一种具有混晶结构的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法 | |
| CN112030025B (zh) | W/wc复合晶粒增强钨铜复合材料及其制备方法 | |
| CN109338168B (zh) | 一种复相增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN114318039B (zh) | 三峰晶粒结构金属基复合材料的元素合金化制备方法 | |
| CN109554564B (zh) | 一种非晶合金颗粒与碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN113005320B (zh) | 一种通过界面调控制备碳纳米管/铜复合材料的方法 | |
| CN112410601B (zh) | 一种石墨烯-硼异质结构钛基复合材料的制备方法 | |
| Wu et al. | Ultrafine/nano WC-Co cemented carbide: Overview of preparation and key technologies | |
| CN114054762A (zh) | 基于石墨烯缺陷调控的石墨烯/金属基复合材料制备方法 | |
| CN115747552B (zh) | 一种纳米铜修饰碳纳米管增强钛基复合材料的制备方法 | |
| CN111057896B (zh) | 真空电弧熔炼制备FeCoNiCu高熵合金与TiC颗粒复合增强铜基复合材料的方法 | |
| CN117626035A (zh) | 一种高强高塑钛基复合粉体及复合材料的制备方法 | |
| CN115070042A (zh) | 一种稀土氧化物改性硬质合金车刀片及其制备方法 | |
| CN110218901B (zh) | 双晶碳化钨协同增强铜基复合材料及其制备方法 | |
| CN117226086B (zh) | 一种高强塑多相异构钛基复合材料及其制备方法 | |
| CN113414394B (zh) | 一种螺旋结构石墨烯钛基复合材料的制备方法 | |
| CN115815595B (zh) | 壳核结构钛基复合粉体及网状结构钛基复合材料制备方法 | |
| CN109439937B (zh) | 一种镀镍非晶合金颗粒增强铝基复合材料的制备方法 | |
| Zhang et al. | Designing TiC@ GNPs reinforced pure Ti matrix composites by mechanochemical ball milling and semi-solid sintering |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |