CN110625124A - 一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，该方法包括：一、将钛基粉末与金属粉末进行高能球磨处理得到金属改性钛基粉末；二、将金属改性钛基粉末与纳米碳材料进行低能混粉处理得到纳米碳‑金属改性钛基粉末；三、将纳米碳‑金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结得到纳米碳增强钛基复合材料。本发明利用片状金属粉末隔离了钛基粉末与纳米碳的接触，避免了损害纳米碳增强钛基复合材料的塑性，同时金属与钛反应生成纳米相颗粒析出并弥散分布在钛基基体中，协同石墨烯耦合强化纳米碳增强钛基复合材料，提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性，得到强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料，适用于航空、航天等领域。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法。
背景技术
随着航空技术的快速发展，钛合金由于具有较高的比强度、良好的耐蚀性，并可在较高的温度下服役，仍然是航天制造用的主要金属基复合材料。例如碳化硅纤维增强钛基复合材料可以用来制造压气机叶片等。但是，钛基复合材料中的增强纤维和基体金属之间容易发生界面反应生成脆性相，缩短了该钛基复合材料制备的构件的使用寿命。尤其是在较高温度下长时间服役，界面反应更为突出。因此，寻求合适的纤维增强体尤为重要。
石墨烯的发现及应用，是材料届的一次技术革新，有望在金属基复合材料中发挥出杀手锏的作用。彻底颠覆以往金属基复合材料的使用极限，打破目前无材可选的窘境。尽管石墨烯可以显著提高基体材料的强度(比已有强化相效果更佳)，但是却牺牲基体材料的部分塑性，并且在高温下与基体材料发生界面反应(详见文献Materials and Design 160(2018)1196–1207，Ceramics International 44(2018)17835–17844，Journal of Alloysand Compounds 695(2017)1637-1646)。目前，主要通过石墨烯表面金属化减缓界面反应(Scientific Reports(2017)7:17836)。尽管石墨烯表面镀覆合适的金属颗粒可以减缓界面反应，但是由于镀覆工艺的局限性很难获得均匀和厚度可控的金属涂层。另一方面由于镀覆金属的不均匀性和废液的处理不当造成严重的污染等问题，这种方法在工业化生产中受到严重限制。因此，寻找通过界面优化方法制备工业化批量生产强塑性匹配的钛基复合材料，将大幅度推进钛合金及其复合材料在航空、航天上的应用。
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，提供一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法。该方法利用片状金属粉末隔离了钛基粉末与纳米碳的接触，避免了损害纳米碳增强钛基复合材料的塑性，同时金属与钛反应生成纳米相颗粒析出并弥散分布在钛基基体中，协同石墨烯耦合强化纳米碳增强钛基复合材料，提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性，得到强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种强塑性匹配的纳米碳增强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、钛基粉末的改性：将钛基粉末与金属粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为200r/min～500r/min，时间为1h～5h，球料比不小于3；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到金属改性钛基粉末与纳米碳材料进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为50r/min～150r/min，时间为3h～10h，球料比不小于1；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为800℃～1300℃，保温时间为3min～8min，烧结压力为50MPa～200MPa。
本发明将钛基粉末与金属粉末进行高能球磨处理，通过高能球磨使金属粉末碾压成片状并间隔性地包裹在钛基粉末的表面，得到金属改性钛基粉末，然后与纳米碳材料进行低能混粉处理，得到成分均匀的纳米碳-金属改性钛基粉末，同时避免高能球磨的破坏，保证了纳米碳材料和金属改性钛基粉末结构的完整性，再对纳米碳-金属改性钛基粉末进行烧结成型，得到纳米碳增强钛基复合材料；由于片状的金属粉末隔离了钛基粉末与纳米碳的接触，从而有效减少了烧结成型过程中纳米碳与钛之间的高温界面反应，避免了高温界面反应生成大量的脆性碳化物损害纳米碳增强钛基复合材料的塑性；而烧结成型过程中包覆在钛基粉末表面的金属与钛反应生成纳米相颗粒析出并弥散分布在钛基基体中，提高了金属与钛基基体的界面结合强度，从而提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性；同时，由于片状金属粉末具有优异的塑性，提高了纳米碳增强钛基复合材料的塑性；另外，烧结成型过程中部分纳米碳材料与片状金属未覆盖到的钛基粉末反应生成少量的碳化钛，起到了颗粒增强作用，同时改善了纳米碳材料与钛基基体的润湿性，进一步提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度；剩余的纳米碳材料残留在钛基基体的晶界处，与周围的钛化钛颗粒/层将晶界两边基体连接起来，起到传递载荷作用，提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性，上述作用协同耦合，大幅度提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性，从而得到强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钛基粉末为纯钛粉末或钛合金粉末，所述钛合金粉末为TC4粉末或Ti-1400粉末，所述钛基粉末的粒径为15μm～325μm。本发明方法使用的钛基粉末范围广，提高了本发明方法的实用性。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钛基粉末的粒径为53μm～150μm。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述金属粉末为Cu粉、Ni粉、Cr粉和Ag粉中的一种或两种以上，所述金属粉末的平均粒径为7μm～100μm。上述金属粉末的塑性较好，容易形成片层结构。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的平均粒径为48μm。该金属粉末更易形成大片层状结构包覆在钛基粉末表面，提高了制备效率。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述高能球磨处理采用的转速为300r/min，时间为2h。该工艺参数更容易将金属粉末碾压成片状并间隔性地包裹在钛基粉末的表面，同时避免了对钛基粉末结构的破坏。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述纳米碳材料为氧化石墨烯、碳纳米管和石墨烯纳米片中的一种或两种以上。本发明适用的纳米碳材料种类较多，来源广泛，提高了本发明方法的实用性。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述纳米碳材料为氧化石墨烯。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述低能混粉处理采用的转速为100r/min，时间为3h，球料比为1～4。上述低能混粉处理工艺在得到成分均匀的纳米碳-金属改性钛基粉末的前提下，进一步保证了纳米碳材料和金属改性钛基粉末结构的完整性。
上述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的温度为900℃，保温时间为5min，烧结压力为100MPa。上述放电等离子烧结工艺的温度低，得到的纳米碳增强钛基复合材料中的晶粒尺寸细小，有利于增强纳米碳增强钛基复合材料的强塑性匹配。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用片状金属粉末隔离了钛基粉末与纳米碳的接触，避免了高温界面反应生成大量的脆性碳化物损害纳米碳增强钛基复合材料的塑性，同时金属与钛反应生成纳米相颗粒析出并弥散分布在钛基基体中，协同石墨烯耦合强化纳米碳增强钛基复合材料，提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性，得到强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料。
2、本发明采用高能球磨和低能混粉的两步混粉法，既保证了金属粉末碾压成片状间隔性包裹钛基粉末的表面，也保证了纳米碳材料保持完整的结构并分散在片状金属和钛基粉末上，形成均匀的纳米碳-金属改性钛基粉末，有利于增强协同耦合作用，进一步提高纳米碳增强钛基复合材料的强塑性匹配。
3、本发明的方法简单，环保性强，可用于工业化批量生产。
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制备的纳米碳-金属改性钛基粉末的SEM图。
图2为本发明实施例1制备的纳米碳增强钛基复合材料的SEM图。
图3为本发明实施例1制备的纳米碳增强钛基复合材料的TixCuy纳米相颗粒弥散分布在钛基基体中的SEM图。
图4为本发明实施例1和对比例1制备的纳米碳增强钛基复合材料的力学性能曲线图。
图5为本发明实施例2～实施例4和对比例2制备的纳米碳增强钛基复合材料以及对比例3制备的钛基材料的力学性能曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、钛基粉末的改性：将195g粒径为70μm～150μm的纯钛粉末与5g平均粒径为48μm的Cu粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为500r/min，时间为3h，球料比为3；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到的金属改性钛基粉末与0.6g石墨烯纳米片进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为150r/min，时间为3h，球料比为3；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为900℃，保温时间为5min，烧结压力为200MPa。
步骤一、钛基粉末的改性：将钛基粉末与金属粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为200r/min～500r/min，时间为1h～5h，球料比不小于3；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到金属改性钛基粉末与纳米碳材料进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；
图1为本实施例制备的纳米碳-金属改性钛基粉末的SEM图，从图1可以看出，本实施例制备的纳米碳-金属改性钛基粉末中的片状Cu呈间隔或者间隔性地包裹在球形钛粉表面，同时石墨烯分布在片状Cu表面和钛粉表面。
图2为本实施例制备的纳米碳增强钛基复合材料的SEM图，从图2可以看出，本实施例制备的纳米碳增强钛基复合材料中剩余的石墨烯分布在基体的三叉晶界处，与周围的钛化钛颗粒/层将晶界两边基体连接起来，起到传递载荷作用，提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性。
图3为本实施例制备的纳米碳增强钛基复合材料的TixCuy纳米相颗粒弥散分布在钛基基体中的SEM图，从图3可以看出，本实施例制备的纳米碳增强钛基复合材料中金属Cu与钛反应生成尺寸为40nm的TixCuy纳米相颗粒并均匀弥散分布在钛基基体中，协同提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性。
对比例1
本对比例包括以下步骤：
步骤一、纳米碳-钛基粉末的制备：将195g粒径为70μm～150μm的纯钛粉末与5g石墨烯纳米片进行低能混粉处理，得到纳米碳-钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为150r/min，时间为3h，球料比为3；
步骤二、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤一中得到的纳米碳-钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为900℃，保温时间为5min，烧结压力为200MPa。
图4为本发明实施例1和对比例1制备的纳米碳增强钛基复合材料的力学性能曲线图，从图4可以看出，对比例1采用现有技术制备的纳米碳增强钛基复合材料的强度只有460MPa，延伸率不到2.5％，而实施例1采用Cu改性纯钛粉末制备的纳米碳增强钛基复合材料的强度提升到600MPa，延伸率升高到19％，其强度和塑性同时大幅度提高且强塑性匹配良好。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、钛基粉末的改性：将198g粒径为53μm～150μm的TC4钛合金粉末与2g粒径为75μm的Ni粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为200r/min，时间为5h，球料比为3；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到的金属改性钛基粉末与0.6g氧化石墨烯进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为50r/min，时间为10h，球料比为4；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为950℃，保温时间为5min，烧结压力为100MPa。
对比例2
本对例包括以下步骤：
步骤一、纳米碳-钛基粉末的制备：将200g粒径为53μm～150μm的TC4钛合金粉末与0.6g氧化石墨烯进行低能混粉处理，得到纳米碳-钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为50r/min，时间为10h，球料比为4；
步骤二、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为950℃，保温时间为5min，烧结压力为100MPa。
对比例3
本对例包括以下步骤：将200g粒径为53μm～150μm的TC4钛合金粉末进行放电等离子烧结，得到钛基材料；所述放电等离子烧结的温度为950℃，保温时间为5min，烧结压力为100MPa。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、钛基粉末的改性：将198g粒径为53μm～150μm的TC4钛合金粉末与2g粒径为100μm的Cr粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为300r/min，时间为2h，球料比为4；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到的金属改性钛基粉末与0.6g石墨烯纳米片进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为100r/min，时间为8h，球料比为2；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为1300℃，保温时间为3min，烧结压力为50MPa。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、钛基粉末的改性：将198g粒径为53μm～150μm的TC4钛合金粉末与2g粒径为48μm的Cu粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为350r/min，时间为1h，球料比为3；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到的金属改性钛基粉末与0.6g氧化石墨烯进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为150r/min，时间为5h，球料比为2；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为800℃，保温时间为8min，烧结压力为80MPa。
图5为本发明实施例2～实施例4和对比例2制备的纳米碳增强钛基复合材料以及对比例3制备的钛基材料的力学性能曲线，从图5可以看出，实施例2～实施例4和对比例2制备的纳米碳增强钛基复合材料的强度和延伸率均大于对比例3制备的钛基材料820MPa的强度和9％的延伸率，且实施例2采用Ni改性TC4钛合金粉末制备的纳米碳增强钛基复合材料的强度可达980MPa，延伸率可达13.5％，大于对比例2制备的纳米碳增强钛基复合材料的900MPa的强度和12％的延伸率，说明本发明采用金属粉末改性的方法提高了纳米碳增强钛基复合材料的强度和塑性，得到强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、钛基粉末的改性：将98g粒径为15μm～53μm的TC4钛合金粉末与1g平均粒径为100μm的Ag粉末、1g平均粒径为48μm的Cu粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为400r/min，时间为1h，球料比为1；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到的金属改性钛基粉末与0.2g氧化石墨烯、0.3g碳纳米管进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为120r/min，时间为3.5h，球料比为1；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为1100℃，保温时间为5min，烧结压力为60MPa。
实施例6
本实施例包括以下步骤：
步骤一、钛基粉末的改性：将95g粒径为15μm～53μm的Ti-1400合金粉末与平均粒径均为48μm的2g的Cu粉末、1g的Ni粉末和2g的Ag粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为300r/min，时间为3h，球料比为3；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到的金属改性钛基粉末与0.1g氧化石墨烯、0.3g石墨烯纳米片和0.1g碳纳米管进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为100r/min，时间为4h，球料比为3；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为1200℃，保温时间为5min，烧结压力为50MPa。
实施例7
本实施例包括以下步骤：
步骤一、钛基粉末的改性：将90g粒径为53μm～75μm的TC4粉末与平均粒径均为10μm的5g的Cu粉末、2g的Ni粉末、2g的Ag粉末和1g的Cr粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为250r/min，时间为3h，球料比为3；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到的金属改性钛基粉末与0.3g氧化石墨烯进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为150r/min，时间为3h，球料比为3；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为1000℃，保温时间为5min，烧结压力为60MPa。
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 (10)
1.一种强塑性匹配的纳米碳增强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、钛基粉末的改性：将钛基粉末与金属粉末进行高能球磨处理，得到金属改性钛基粉末；所述高能球磨处理采用的转速为200r/min～500r/min，时间为1h～5h，球料比不小于3；
步骤二、纳米碳-金属改性钛基粉末的制备：将步骤一中得到的金属改性钛基粉末与纳米碳材料进行低能混粉处理，得到纳米碳-金属改性钛基粉末；所述低能混粉处理采用的转速为50r/min～150r/min，时间为3h～10h，球料比不小于1；
步骤三、纳米碳增强钛基复合材料的制备：将步骤二中得到的纳米碳-金属改性钛基粉末进行放电等离子烧结，得到纳米碳增强钛基复合材料；所述放电等离子烧结的温度为800℃～1300℃，保温时间为3min～8min，烧结压力为50MPa～200MPa。
2.根据权利要求1所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钛基粉末为纯钛粉末或钛合金粉末，所述钛合金粉末为TC4粉末或Ti-1400粉末，所述钛基粉末的粒径为15μm～325μm。
3.根据权利要求2所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钛基粉末的粒径为53μm～150μm。
4.根据权利要求1所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述金属粉末为Cu粉、Ni粉、Cr粉和Ag粉中的一种或两种以上，所述金属粉末的平均粒径为7μm～100μm。
5.根据权利要求4所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的平均粒径为48μm。
6.根据权利要求1所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述高能球磨处理采用的转速为300r/min，时间为2h。
7.根据权利要求1所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述纳米碳材料为氧化石墨烯、碳纳米管和石墨烯纳米片中的一种或两种以上。
8.根据权利要求7所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述纳米碳材料为氧化石墨烯。
9.根据权利要求1所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述低能混粉处理采用的转速为100r/min，时间为3h，球料比为1～4。
10.根据权利要求1所述的一种强塑性匹配的纳米碳增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的温度为900℃，保温时间为5min，烧结压力为100MPa。
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