一种基于激光选区熔化成形技术制备石墨烯增强钛合金复合材料的方法与流程

本发明涉及金属基复合材料制备，尤其涉及一种基于激光选区熔化成形技术制备石墨烯增强钛合金复合材料的方法。

背景技术：

1、钛和钛合金作为工程界内一种重要的结构材料，具备密度小、强度高及耐腐蚀良好等特点，在汽车、航空航天、生物医学器械与军事国防等领域具有广泛应用。目前针对改善钛合金材料强度的方法主要是探索与优化热处理工艺制度、改变合金内元素比例及变形加工等方法。然而通过上述方法所优化过的钛合金材料塑性往往受到影响，且由于钛合金机械加工性差所导致的缺陷，使得钛合金材料的应用受到限制。同时，随着工业的不断发展，对钛合金的强度、硬度、耐磨性等性能有着更严苛的要求。因此在钛合金材料中添加少量增强相，使其成为优异强塑性兼容的钛基复合材料在近年来成为研究的焦点。

2、目前的研究中常采用如sic、tic、tib2与tib等硬质增强体来改善钛合金的力学性能，由于tic与钛合金间热膨胀系数差异小，且具备优良的热稳定性、高熔点与高弹性模量等特点，因此常常作为提高钛合金性能的潜在的增强相。上述增强相可通过外界添加或在钛基体中原位生成而引入钛合金中，其中通过在金属基体中原位生成增强相的方式，由于原位生成的增强相与基体间界面结合良好，内部缺陷少的优点，因此原位生成法成为引入钛合金中的主要手段。

3、激光选区熔化(selective laser melting,slm)是一种利用高能激光束对金属粉末按照预设路径熔化，通过循环铺粉进行逐层粉末的叠加成形，制造复杂实体零部件的金属增材制造技术。与传统成形技术(熔铸与粉末冶金等)相比，激光选区熔化成形技术能够制造结构更复杂的零部件，材料循环利用率高，成形件的力学性能更好。因此，其成形技术在国内的零部件结构设计中得到广泛的应用。

4、中国专利cn108465814b“原位合成tic增强钛基复合材料的激光制备装置及方法”，该发明通过高能激光束裂解碳源气体，使之与钛基体在高温条件下原位生成tic增强相，tic增强相在瞬熔即凝的slm成形过程中与钛基体结合，从而制得原位生成tic增强钛基复合材料。然而tic增强相与金属基体的结合情况主要取决于增强相分散在钛基体中的均匀性与湿润性，该发明无法保证增强相均匀分散在钛基体中，且制备工序繁杂生产成本高，难以批量生产。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光选区熔化成形技术制备石墨烯增强钛合金复合材料的方法。本发明通过优化激光条件和混粉工艺，通过球磨将石墨烯均匀分散在钛合金粉末中后，再利用slm技术制得石墨烯增强钛合金复合材料。本发明所采用的slm成形技术由于具有瞬熔即凝的工艺特点，可对成形件起到晶粒细化的作用；另外，此方法工序少，成本低，不需要经过多的机械加工即可成形出石墨烯增强钛合金复合材料。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于激光选区熔化成形技术制备石墨烯增强钛合金复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：

4、(1)将石墨烯和钛合金粉末置入球磨机，在常温下进行球磨；

5、(2)将球磨后的石墨烯和钛合金粉末过筛网，得到石墨烯钛合金复合粉末；

6、(3)将步骤(2)所得的复合粉末置于激光选区熔化成形设备中熔化成形，得到石墨烯增强钛合金复合材料。

7、进一步地，步骤(1)中，所述石墨烯为层片状石墨烯，石墨烯中层数<5的石墨烯占石墨烯总质量80％以上；所述钛合金包括ta1钛合金、tc4钛合金、tc11钛合金中的一种；所述钛合金粉末的粒径为15-53μm。

8、进一步地，步骤(1)中，所述钛合金粉末与石墨烯的质量比为1000：1-3。

9、进一步地，步骤(1)中，所述石墨烯和钛合金粉末的总质量与磨球的质量比为1：1-2。

10、进一步地，步骤(1)中，所述球磨机的球磨罐材质为尼龙；所述球磨使用的磨球为氧化锆磨球，直径为3-12mm；所述球磨的时间为90min，转速为300rpm。

11、进一步地，步骤(2)中，所述筛网的规格为2目，所述石墨烯钛合金复合粉末的粒径为15-53μm。

12、进一步地，步骤(3)中，所述激光选区熔化成形的过程为：将步骤(2)所得的复合粉末倒入激光选区熔化成形设备的供粉缸中，通过三维软件建立成形的复合材料模型，导入到激光选区熔化成形设备的控制系统中进行激光选区熔化成形，制得石墨烯增强钛合金复合材料。

13、进一步地，所述激光选区熔化成形的参数为：激光功率280-300w,扫描速度800-1200mm/s，扫描间距为0.06-0.1mm，铺粉层厚0.02-0.04mm。

14、进一步地，激光选区熔化成形的过程中成形室含氧量<50ppm。

15、一种权利要求所述方法制备的石墨烯增强钛合金复合材料，所述石墨烯增强钛合金复合材料的相对致密度为99.1-99.4％，抗拉强度为1295-1384mpa。

16、本发明有益的技术效果在于：

17、(1)本发明通过激光选区熔化技术熔化原料粉末，相较于传统的熔铸法、粉末冶金法，由于slm成形技术具有瞬熔即凝的工艺特点，因此采用激光选区熔化技术能够对成形件起到晶粒细化的作用，制备的钛合金致密度高，力学性能强，且不受限于传统机械加工限制的影响，工序少，成本低，可便捷地制备结构复杂的钛合金零件，同时，本发明通过优化激光选区熔化成形过程中的激光参数，包括激光功率、激光扫描速度和激光扫描间距，得到最佳的激光条件，进而提升石墨烯增强钛合金复合材料成形质量。

18、(2)本发明通过加入石墨烯，复合粉末在slm成形过程中，石墨烯在高能激光束的作用下，以两种形式存在于成形试样的基体晶粒内部或晶界处：一是在slm成形过程中与钛基体反应原位生成两者的衍生物，生成增强相；二是完整保留在钛合金基体中不发生任何反应。前者可改善钛基体与增强相间的界面结合情况与湿润性，后者则不仅可以在复合材料内起到异质形核的作用细化晶粒，还能够起到载荷传递作用，这两种形式均能提高钛合金的力学性能。

19、(3)本发明通过优化石墨烯含量，防止石墨烯含量过多导致石墨烯团聚降低异质形核率从而不能起到细化晶粒的作用。

技术特征：

1.一种基于激光选区熔化成形技术制备石墨烯增强钛合金复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述石墨烯为层片状石墨烯，石墨烯中层数<5的石墨烯占石墨烯总质量80％以上；所述钛合金包括ta1钛合金、tc4钛合金、tc11钛合金中的一种；所述钛合金粉末的粒径为15-53μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钛合金粉末与石墨烯的质量比为1000：1-3。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述石墨烯和钛合金粉末的总质量与磨球的质量比为1：1-2。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨机的球磨罐材质为尼龙；所述球磨使用的磨球为氧化锆磨球，直径为3-12mm；所述球磨的时间为90min，转速为300rpm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述筛网的规格为2目，所述石墨烯钛合金复合粉末的粒径为15-53μm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述激光选区熔化成形的过程为：将步骤(2)所得的复合粉末倒入激光选区熔化成形设备的供粉缸中，通过三维软件建立成形的复合材料模型，导入到激光选区熔化成形设备的控制系统中进行激光选区熔化成形，制得石墨烯增强钛合金复合材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光选区熔化成形的参数为：激光功率280-300w,扫描速度800-1200mm/s，扫描间距为0.06-0.1mm，铺粉层厚0.02-0.04mm。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，激光选区熔化成形的过程中成形室含氧量<50ppm。

10.一种权利要求1-9任一项所述方法制备的石墨烯增强钛合金复合材料，其特征在于，所述石墨烯增强钛合金复合材料的相对致密度为99.1-99.4％，抗拉强度为1295-1384mpa。

技术总结本发明公开了一种基于激光选区熔化成形技术制备石墨烯增强钛合金复合材料的方法。本发明所述方法包括：将石墨烯和钛合金粉末置入球磨机进行球磨；将球磨后的石墨烯和钛合金粉末过筛网，得到石墨烯钛合金复合粉末；将所得的复合粉末置于激光选区熔化成形设备中熔化成形，得到石墨烯增强钛合金复合材料。本发明所述制备石墨烯增强钛合金复合材料方法操作简单，所采用的SLM成形技术由于具有瞬熔即凝的工艺特点，可对成形件起到晶粒细化的作用；另外，本发明所述方法工序少，成本低，不需要经过多的机械加工即可成形出石墨烯增强钛合金复合材料。技术研发人员：区炳显,杨永强,刘峥,刘文俊,王群,熊立斌,孟祥伟,贺庆受保护的技术使用者：江苏省特种设备安全监督检验研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/5