【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于金屬基復合材料，具體涉及一種石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料及其制備方法和應用。
技術介紹
1、鈦與鈦合金具有高強度、低密度、耐熱、耐蝕和成形加工性良好的特性。鈦合金是飛機與航天器的主要結構材料，是航空發動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件的首選材料，也已經被應用于戰術導彈、衛星、運載火箭等航天領域。隨著航空航天事業進一步發展，對鈦合金材料綜合性能提出了更高的要求。同時鈦與鈦合金也具有耐磨性差、硬度低、強度也有待于進一步提高等主要問題。急需新的思路和方法來進一步提高鈦合金的強度、彈性模量、服役溫度、耐磨性，并保持較好的塑性、可加工，獲得優異的綜合性能，滿足航空航天材料的要求。
2、為了提高鈦合金的力學性能，有必要尋找新的增強材料。高熵合金的概念高熵合金是具有n(5≤n≤13)個主元素的合金體系，每個元素的原子百分比不超過35％。由于其獨特的元素組成、排列和相互作用勢場，高熵合金產生了一些與傳統合金明顯不同的特性。“四大效應”分別是高熵效應對熱力學的影響、晶格畸變對結構的影響、磁滯擴散效應對動力學的影響和“雞尾酒”效應對性質的影響。與傳統合金相比，高熵合金因其獨特的相結構而具有優異的機械性能、耐腐蝕性能、耐磨性能、抗氧化性能等諸多優點。因此，高熵合金可作為金屬基復合材料的優良增強材料。研究表明，不同的高熵合金被用作金屬基體的增強相，如alcocrfeni、feconicrmn和cocrfenimo0.2。
3、石墨烯納米材料是繼碳納米管之后的非常有發展潛力的新材料，它具有和碳納米管相近
4、目前的高熵合金增強鈦基復合材料面臨的問題是高熵合金/鈦合金的界面無法有效調控高熵合金向鈦合金基體的擴散固溶程度，僅僅能通過制備工藝上如溫度、保溫時間或者3d打印機的激光能量來控制，調控效果不佳，每一批次的性能離散性大、可重復性差，常出現強塑性不匹配的問題，如何有效的調控高熵合金增強鈦基復合材料的界面獲得重復性良好與強塑性匹配的材料成為急需解決的問題。
技術實現思路
1、專利技術目的：針對現有技術存在的問題，本專利技術提出了一種石墨烯修飾高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，本專利技術復合材料以高熵合金作為增強相均勻分布在鈦合金基體內，石墨烯修飾在高熵合金的表面，石墨烯的片層厚度與含量高低可以有效的調控高熵合金元素的擴散及其在鈦合金基體的固溶程度。增強相釘扎在鈦的顆粒界面處，可充分發揮“晶界強化”效應起到加固梁的作用，因此具有較高的強度；高熵合金是有效的晶粒細化劑，因此高熵合金的添加能夠細化晶粒，從而獲得更好的強度與塑性。由于大面積鈦基體區域(貧增強相區)的存在，以及高熵合金與基體間存在硬質擴散層，可以起到承載應變的作用，從而材料具有較好的塑性。因此石墨烯修飾高熵合金顆粒增強鈦基復合材料具有高強度和高塑性結合的優良的綜合力學性能。本專利技術是利用特定的石墨烯修飾高熵合金，控制高熵合金元素的擴散，同時也與基體生成少量tic，不僅提升了塑性同時保證了強度，有效解決了現有技術中高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的力學性能離散性大、常出現強塑性不匹配的問題。
2、本專利技術的另一目的在于提供一種石墨烯修飾高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的方法。通過利用三維旋轉混合法將石墨烯修飾在高熵合金表面，再與鈦或鈦合金粉末混合，最后燒結成型或激光3d打印成型得到上述石墨烯修飾高熵合金顆粒增強鈦基復合材料。
3、本專利技術的另一目的在于提供石墨烯修飾高熵合金顆粒增強鈦基復合材料在應用，主要應用于航空航天、船舶艦艇等國防軍工領域，作為航天器結構部件材料，運載火箭的壓力容器材料、倉體、緊固件、結構件，衛星結構零部件材料、導彈彈體的部件材料材料、飛機航空發動機材料結構材料(風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件)，船舶艦艇耐腐蝕結構材料。
4、技術方案：為了實現上述目的，本專利技術所述一種石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，所述石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料其主要由鈦或鈦合金作為鈦基體，石墨烯修飾在高熵合金表面與高熵合金一起作為增強相分布在鈦基體晶界處。
5、其中，在復合材料的微觀結構中，所述石墨烯修飾在高熵合金表面，調控高熵合金與鈦基體的界面，并與基體反應生成碳化鈦與高熵合金共同增強鈦合金基體。
6、其中，所述石墨烯為片狀石墨烯，片厚0.1-10nm，片徑0.1-20μm，所述高熵合金為球形或者不規則的粉末顆粒，顆粒尺寸為0.01-15μm，15-53μm，45-105μm或45-150μm；所述鈦基體為球形或者不規則粉末顆粒，顆粒尺寸為1-15μm，15-53μm，45-105μm或45-150μm。
7、作為優選，所述石墨烯為片狀石墨烯，片厚1-5nm，片徑5-10μm；所述高熵合金為球形粉末顆粒，顆粒尺寸為15-53μm；所述鈦基體為球形粉末顆粒，顆粒尺寸為15-53μm。
8、其中，所述鈦基體為純鈦，或ti6al4v或鈦與其它合金化元素為al、fe、nb、v、ta、zr、sn、mo、cr、w、ni、b或si元素中的一種或者多種組成的合金；所述高熵合金為fe、co、ni、cr、mo、mn、al、nb、v、w及ta中的任意四種以及以上組成的高熵合金。
9、作為優選，所述高熵合金為feconicrmn。
10、本專利技術所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的制備方法，包括以下步驟：
11、(1)石墨烯修飾高熵合金：取石墨烯粉末，和高熵合金粉末進行混合；
12、(2)復合粉末混合：取步驟(1)所得產品混合粉末，與純鈦或鈦合金粉末進行混合；
13、(3)干燥：將步驟(2)混合好的粉末，真空干燥，完全干燥后，過篩；
14、(4)燒結成型：取步驟(3)所得產物，進行燒結或者激光3d打印成型，即得所述石墨烯修飾高熵合金顆粒增強鈦基復合材料。
15、其中，以質量比計，所述石墨烯的添加比例為高熵合金質量的0.05％-0.25％，石墨烯修飾的高熵合金的添加比例為鈦基體質量的1.5％-6.0％。
16、作為優選，其中，以質量比計，所述石墨烯的添加比例為高熵合金質量的0.05％-0.1％，石墨烯修飾的高熵合金的添加比例為鈦基體質量的3％。
17、其中，步驟(1)中石墨烯修飾在高熵合金顆粒的表面的方法為：采用球磨機或三維混粉機在常溫狀態下，放入磨球，球料比為0.5-3:1，轉速為50-200r/min，混料時間為：5-32h；步驟(2)中復合粉末混合的方法為：采用球磨機或三維混粉機在常溫狀態下，放入磨球，球料比為0.5-3:1，轉速為50-200r/min，混料時間為：5-32h。
18、其中，步驟(4)所述燒結包括放電等離子燒結或者熱壓燒結，所述放電等離子燒結的條件為：壓力為20-80mpa、溫度為900-1200℃，保溫時間為1-60min，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，其特征在于，所述石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料其主要由鈦或鈦合金作為鈦基體，石墨烯修飾在高熵合金表面與高熵合金一起作為增強相分布在鈦基體晶界處。
2.根據權利要求1所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，其特征在于，所述石墨烯修飾在高熵合金表面，調控高熵合金與鈦基體的界面及高熵合金在鈦合金基體中的固溶程度，并與基體反應生成碳化鈦與高熵合金共同增強鈦合金基體。
3.根據權利要求1所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，其特征在于，所述石墨烯為片狀石墨烯，片厚0.1-10nm，片徑0.1-20μm，所述高熵合金為球形或者不規則的粉末顆粒，顆粒尺寸為0.01-15μm、15-53μm、45-105μm或者45-150μm；所述鈦基體為球形或者不規則粉末顆粒，顆粒尺寸為1-15μm，15-53μm、45-105μm或者45-150μm。
4.根據權利要求1所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，其特征在于，所述鈦基體優選為純鈦，或Ti6Al4V或鈦與其它合金化元素為Al
5.一種權利要求1所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的制備方法，其特征在于，以質量比計，所述石墨烯的添加比例為高熵合金的0.05％-0.25％，石墨烯修飾的高熵合金的添加比例為鈦基體質量的1.5％-6.0％。
7.根據權利要求5所述墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中石墨烯修飾在高熵合金顆粒的表面的方法為：采用球磨機或三維混粉機在常溫狀態下，放入磨球，球料比為0.5-3:1，轉速為50-200r/min，混料時間為：5-32h；步驟(2)中復合粉末混合的方法為：采用球磨機或三維混粉機在常溫狀態下，放入磨球，球料比為0.5-3:1，轉速為50-200r/min，混料時間為：5-32h。
8.根據權利要求5所述石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述燒結包括放電等離子燒結或者熱壓燒結，所述放電等離子燒結的條件為：壓力為20-80MPa、溫度為900-1200℃，保溫時間為1-60min，燒結氣氛為惰性氣氛或者真空；所述熱壓燒結的條件為：在真空或者惰性氣氛保護下、壓力為10-50MPa、溫度為1100-1400℃，升溫速度為10-100℃/min，保溫時間為10-180min；步驟(4)所述的激光3D打印的條件為：采用激光3D打印機在抽真空后通入高純Ar氣惰性氣體保護，掃描間距：50-200μm，掃描速度：500-3500mm/s，激光功率或電子束功率：100-300W。
9.一種權利要求1所述的石墨烯修飾高熵合金顆粒增強鈦基復合材料作為航空航天或船舶艦艇部件材料中的應用。
10.根據權利要求9所述的應用，其特征在于，所述航空航天或船舶艦艇部件材料包括航天器結構部件材料、運載火箭的壓力容器材料、衛星結構零部件材料、導彈彈體的部件材料、飛機航空發動機材料結構材料或船舶艦艇耐腐蝕結構材料。
...【技術特征摘要】
1.一種石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，其特征在于，所述石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料其主要由鈦或鈦合金作為鈦基體，石墨烯修飾在高熵合金表面與高熵合金一起作為增強相分布在鈦基體晶界處。
2.根據權利要求1所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，其特征在于，所述石墨烯修飾在高熵合金表面，調控高熵合金與鈦基體的界面及高熵合金在鈦合金基體中的固溶程度，并與基體反應生成碳化鈦與高熵合金共同增強鈦合金基體。
3.根據權利要求1所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，其特征在于，所述石墨烯為片狀石墨烯，片厚0.1-10nm，片徑0.1-20μm，所述高熵合金為球形或者不規則的粉末顆粒，顆粒尺寸為0.01-15μm、15-53μm、45-105μm或者45-150μm；所述鈦基體為球形或者不規則粉末顆粒，顆粒尺寸為1-15μm，15-53μm、45-105μm或者45-150μm。
4.根據權利要求1所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料，其特征在于，所述鈦基體優選為純鈦，或ti6al4v或鈦與其它合金化元素為al、fe、nb、v、ta、zr、sn、mo、cr、w、ni、b或si元素中的一種或者多種組成的合金；所述高熵合金為fe、co、ni、cr、mo、mn、al、nb、v、w及ta中的任意三種以及以上組成的高熵合金。
5.一種權利要求1所述的石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述石墨烯修飾的高熵合金顆粒增強鈦基復合材料的制備方法，其特征在于，以質量比計，所述石墨烯的添加比例為高熵合金的0.05％-0.25％，...
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