一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，采用低能量球磨方法将石墨烯和钛粉末均匀混合，将混合后粉末干燥后利用3D打印立体成型。本发明专利技术制备的复合材料具有优良的综合性能，无裂纹开裂倾向。

A preparation method of graphene reinforced titanium matrix composite based on 3D printing

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法
本专利技术属于钛合金材料领域，尤其涉及一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法。
技术介绍
钛合金由于具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，已经在航空航天领域得到广泛的应用，尤其是作为航空发动机材料。石墨具有具有超高的比表面积(约2600m2/g),轻质高强度(约1060GPa)、超高的导热性(3000-5000Wm-1K-1)等性能，是功能复合材料最理想的增强体之一。石墨烯理论上可以进一步提高钛及其合金的强度、导电导热性能、降低密度，但石墨烯与钛之间的表面润湿性和化学兼容性差，制约着二者之间的复合效应；3D打印对粉末流动性的要求，要求粉末具有一定的球形度等问题，主要体现在以下3点：1.石墨烯与钛之间的密度差大以及石墨烯之间较强的范德华力，石墨烯难以在Ti基体中分布均匀。2.石墨烯与钛易反应生成TiC，破坏石墨烯的结构3.碳原子在长时间高温停留易发生扩散，石墨烯缺陷增加中国专利，公开号为CN110405207A，专利技术了一种PE-CVD辅助SPS烧结制备石墨烯增强钛基复合材料的方法。该方法利用PE-CVD原位生长技术使得石墨烯原位生长在Ti粉末颗粒表面，然后将复合粉末高能球磨至薄片状，低温快速放电等离子烧结(SPS)成型，获得石墨烯-钛复合材料。但PE-CVD原位生长耗时长，生长中易引入化合物，且石墨烯的量不易控制；低温放电等离子烧结只能进行简单形状、小试样的成型制备，无法达到近净成型、中大型复杂形状结构件的工业应用要求。中国专利，公开号为CN108251838B，专利技术了一种氩弧熔敷石墨烯增强钛基复合涂层的制备方法，通过超声分散和磁力搅拌等方法将石墨烯分散在钛基体粉末中，然后通过真空电弧熔覆将石墨烯-钛粉末熔覆在基体表面，制备石墨烯-钛复合涂层。但是该工艺仅适用于涂层，无法构建成结构材料。中国专利，公开号为CN107652599A，专利技术钛基石墨烯高强聚合材料的制备方法，该专利技术通过超声分散将石墨烯和钛粉末分散，将聚合物和复合粉末按一定比例注入真空反应炉模具中烧结成型。但该聚合物制备过程十分繁琐，工艺流程复杂，成分组元多，准备时间较长，且难以二次加工为特定外形。中国专利，公开号为CN106756161A，专利技术了一种海绵钛添加石墨烯复合材料及其制备方法，该专利技术利用超声分散石墨烯纳米片分散在海绵钛粉末中，然后冷压固形，真空烧结成型。该专利技术无法保证石墨烯增强钛复合材料的致密度以及石墨烯的分散性。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于现有方法制成的复合材料存在裂纹或裂倾向的问题。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：复合粉末的制备将0.01～10vol.％的石墨烯纳米片层和基体粉末混合，通过低能量球磨的方式进行球磨，球磨转速为100-600r/min，球料比为1：0.5～10，间歇式正反转球磨1～48h，均匀混合后得到复合粉末；步骤2：3D打印成型将复合粉末真空干燥，装入3D打印设备送粉容器，Ar气氛围保护，利用3D打印立体成型技术制备出石墨烯增强钛基复合材料，所述石墨烯增强钛基复合材料在3D打印腔室中炉冷至室温。优选的是：所述步骤1中石墨烯纳米片层的体积百分比是0.01～2vol.％。优选的是：所述步骤1中石墨烯纳米片为单层、少层或多层。优选的是：所述步骤1中基体粉末为纯钛或钛合金粉末。优选的是：所述步骤1中低能量球磨的能量密度小于0.09J/cm3，采用ZrO2研磨球进行研磨，气氛采用氩气保护。优选的是：所述步骤2中真空干燥的温度为50～200℃，真空干燥时间为1～4h。优选的是：激光体能量密度在50J/mm3～100J/mm3。优选的是：所述步骤2中3D打印立体成型技术步骤中：光扫描速度<800mm/s时，采用条带式扫描策略，并加热基底；当扫描速度>800mm/s时，采用棋盘式扫描策略，棋盘单元格<5mm，棋盘单元格尺寸随扫描速度增加而减小。优选的是：所述步骤2中3D打印立体成型技术步骤包括采用铺粉式粉末床选择激光沉积，激光功率为50J/mm3～100J/mm3，定点熔覆，近净成型。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：石墨烯和钛粉末均匀混合，粉末无较大变形，3D打印制备近净成型后，该复合材料具有优良的综合性能，无裂纹开裂倾向，成型后的石墨烯增强钛基复合材料的强度大幅度提高。本专利技术采用低能量球磨，不仅将石墨烯均匀的分布在钛合金基体粉末中，而且保证了粉末的球形度，且所制备的粉末适用于3D打印工艺，流程简单；石墨烯和钛粉末容易发生反应，选用3D打印激光热输入能够控制石墨烯和钛的反应，激光体能量密度在50J/mm3～100J/mm3，石墨烯与基体结合紧密，基体致密度高且无严重反应。附图说明图1是本专利技术工艺示意图；图2是石墨烯-Ti-6Al-V合金复合材料的初始粉末表征示意图；图3为低能量球磨后，复合粉末中石墨烯依附在粉末颗粒表面的示意图；图4为1vol.％石墨烯-Ti-6Al-V合金复合材料成型后的组织，其中a为所制备试样3D组织，b-e为X-Y平面的组织形貌图及对应的EDS能谱线扫，f-i为Z-Y平面的组织形貌图；图5为1vol.％石墨烯增强钛基复合材料试样的拉伸力学性能图。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1：一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，本方法采用行星式球磨，球磨包括低能量球磨和高能量球磨，高能量球磨在分散石墨烯时，球磨过程中粉末变形严重，石墨烯的缺陷增加，粉末的流动性变差，最终影响到复合材料的成型性因此本专利技术选用低能量球磨，低能量球磨和高能球磨的区别在于能量密度的不同，低能量球磨能量密度的范围计算方式如下所示：低能量球磨在球磨时产生的能量和能量密度可分别由式(1)和(2)表示:其中mb为磨球的总质量；vb为磨球的速度，可近似约球磨机瞬时切向速度：vB＝2πRΩ(其中R为行星式球磨机轮盘的直径)，Ω为球磨罐角速度。Vp为粉末的体积，可表示为结合(1)和(2)式可以计算出能量密度ρE<0.09J/cm3。石墨烯增强钛基复合材料的制备方法包括以下步骤：步骤1，复合粉末的制备：不同体积分数(0.01～10vol.％)含量单层、少层或多层石本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：复合粉末的制备/n将0.01～10vol.％的石墨烯纳米片层和基体粉末混合，通过低能量球磨的方式进行球磨，球磨转速为100-600r/min，球料比为1：0.5～10，间歇式正反转球磨1～48h，均匀混合后得到复合粉末；/n步骤2：3D打印成型/n将复合粉末真空干燥，装入3D打印设备送粉容器，Ar气氛围保护，利用3D打印立体成型技术制备出石墨烯增强钛基复合材料，石墨烯增强钛基复合材料在3D打印腔室中炉冷至室温。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：复合粉末的制备
将0.01～10vol.％的石墨烯纳米片层和基体粉末混合，通过低能量球磨的方式进行球磨，球磨转速为100-600r/min，球料比为1：0.5～10，间歇式正反转球磨1～48h，均匀混合后得到复合粉末；
步骤2：3D打印成型
将复合粉末真空干燥，装入3D打印设备送粉容器，Ar气氛围保护，利用3D打印立体成型技术制备出石墨烯增强钛基复合材料，石墨烯增强钛基复合材料在3D打印腔室中炉冷至室温。


2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中石墨烯纳米片层的体积百分比是0.01～2vol.％。


3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中石墨烯纳米片为单层、少层或多层。


4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中基体粉末为纯钛或钛合金粉末。


5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印石墨烯增强钛基复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金山，陈彪，晏琪，寇宏超，薛祥义，王军，唐斌，王毅，樊江昆，赖敏杰，赵瑞峰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61