【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属基复合材料的增材制造，具体涉及一种3d打印制造兼具高性能和特种功能的钛基复合材料的粉体原材料制备技术，更具体涉及一种碳纳米管包覆功能钛合金复合粉体的制备方法。
技术介绍
1、钛合金是一种重要的工程材料，在汽车、航空航天、生物医疗等领域应用广泛。通过合金成分设计不仅可以提升力学性能，同时赋予钛合金特殊功能。如具有形状记忆功能的tini合金、具有储氢功能的tife合金、在生物医疗领域应用广泛的tico合金等。随着航空航天、国防科技、深海工程等关键工程领域的快速发展，对钛材的性能和功能也提出了更高要求，传统基于合金元素成分设计理念已经难以大幅提升钛合金的综合性能，因而限制了钛在上述国家重大战略领域的应用和发展。针对该问题，研究学者发现在钛合金内引入增强相是获得兼具优异力学性能和功能的有效手段。增强相选择是决定其性能的基础和关键。相比传统tic、tin、sic等颗粒增强相，一维结构的碳纳米管不但具有模量高、强度大、导热导电性能优异等物理特性，其特殊的转移载荷强化方式还能保证在不严重破坏钛合金基体塑性和功能特性的基础上大幅提升力学性能，被认为是功能钛合金理想的增强相。
2、3d打印是一种以数字建模为基础，通过在金属粉末床层进行逐层扫描，直接成型高致密的复杂零部件。具有原料利用率高、生产周期短、复杂结构一次成形等优点，非常适用于具有难加工特点的钛基复合材料零部件的近净成形制造，有望成为碳纳米管增强钛基复合材料的重要生产手段。然而，高品质碳纳米管-钛合金复合粉体制备技术的缺乏却制约着钛基复合材料3d打印技术的发展
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，提供一种高品性的面向3d打印的碳纳米管包覆功能钛合金复合粉体的制备方法，解决传统机械混合技术制备碳纳米管-钛复合粉体存在的球形度低、流动性差、碳纳米管结构损坏和分布不均匀、杂质污染引入等问题。所述粉体可以直接作为3d打印钛基复合材料的粉体原料，但其应用并不仅限于此，也可以用于粉末冶金、磁控溅射、喷涂等
2、为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：
3、一种碳纳米管包覆功能钛合金复合粉体的制备方法，包括如下步骤：
4、(1)将钛合金球形粉体放入流化床反应器中，依次连接气体控制系统、流化床反应器和尾气处理装置，检查装置气密性，通入惰性气体排除反应器内空气，使粉体处于流化状态；
5、(2)粉体表面氧化膜去除及内部合金催化剂活性激活：向流化床反应器内通入高纯惰性气体，将反应器内部工作区温度升高至钛合金表面氧化膜溶解温度，保持流化床内部粉体的流化状态，反应时间为10～30min；
6、(3)催化化学气相沉积碳纳米管：按照预设配比通入惰性气体、辅助气体、碳源气体的混合气，将温度提升反应温度进行催化化学气相沉积，诱发碳纳米管钛合金粉体表面原位沉积，时间为5～120min
7、(4)反应完成后，停止通入碳源和辅助气体并提高惰性气体流量，维持粉体的流化状态，稳定5～10min，通过空冷法将流化床反应器冷却至室温，取出复合粉体进行密封保存。
8、本专利技术以3d打印用球形功能钛合金粉体为基体，表面均匀包覆碳纳米管，包覆量为0.05～10.0wt.％。
9、优选地，所述钛合金粉体为具有储氢、形状记忆、超弹、高阻尼、高生物相容等特殊功能的钛合金3d打印用球形粉体，如以tife成分为主的储氢钛合金粉体、以tini成分为主的形状记忆钛合金粉体、以tico成分为主的生物医疗用钛合金粉体中的一种或者多种混合，粉体纯度≥95％，粒度分布为5～150μm。
10、优选地，步骤(1)中流化床反应器是一种与地面垂直放置且内部设置有分布板的反应装置，气体可以从反应器下端或侧端进入，从上端排出并进入尾气处理装置，流化床反应器内部设置有电炉加热系统，反应器材质为不锈钢或者钨钼合金等耐热金属材料。
11、优选地，步骤(1)中惰性气体为与粉体原料不发生化学反应的气体，如氦气、氖气和氩气中的一种或几种，纯度高于99％。
12、优选地，步骤(1)中通入惰性气体排除反应器内空气过程的时间为10-30min。
13、优选地，步骤(2)中氧化膜的溶解温度为450～650℃。
14、优选地，步骤(2)中惰性气体的气速为300～5000sccm。
15、优选地，步骤(2)中粉体表面氧化膜去除及内部合金催化剂活性激活的处理时间为10～30min。
16、优选地，步骤(3)中能够高温热解的气体，如甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔和丙炔中的一种或几种，纯度高于99％。
17、优选地，步骤(3)中辅助气体为能够调控化学气相沉积反应速率且不参与反应的气体，如氢气、二氧化碳等，纯度高于99％。
18、优选地，步骤(3)中混合气体的气速为300～5000sccm，其中碳源气体：辅助气体：惰性气体体积比为1：(0～10)：(1～100)。
19、优选地，步骤(3)中反应温度为450～850℃，沉积时间为5～120min。
20、优选地，步骤(4)中停止通碳源和辅助气体后，提高惰性气体流量至混合气体流量。
21、优选地，步骤(4)中所述复合粉体为碳纳米管包覆功能钛合金球形复合粉体，碳纳米管在复合粉体中的质量分数和长径比随着反应时间的延长而提高，包覆层的组成、厚度、结构也随反应时间的改变而发生变化。
22、优选地，该复合粉体可以直接作为3d打印钛基复合材料的粉体原料，但其应用并不仅限于此，也可以用于粉末冶金、磁控溅射、喷涂等
23、本专利技术复合粉体以具有特殊功能的钛合金的球形合金粉体为基体，表面均匀包覆碳纳米管，具有球形度高、流动性好、杂质含量低、碳纳米管在粉体表面分布均匀，包覆含量可以在0.05～10.0wt.％区间精准调控。
24、本专利技术构建一种具有核壳结构的包覆型复合粉体，在保持原始钛合金粉体的高球形度和流动性的基础上，均匀引入高结构完整性的碳纳米管。具体地，基于氧化膜在钛合金中的高温溶解特性，通过流态化高温处理暴露功能钛合金粉体内部fe、ni、co等过渡金属元素，利用流化床高传热传导特性，激活上述元素的催化特性，通过化学气相沉积在粉体表面原位生长碳纳米管。同时，流化床内部粉体的动态流动特性也可以保证碳纳米管的均匀沉积，避免金属粉体之间的烧结粘接，制备得到可用于3d打印的包覆型碳纳米管-钛复合材料粉体，为发展高性能、多功能的钛基复合材料的3d打印技术提供本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碳纳米管包覆功能钛合金复合粉体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能钛合金粉体为TiFe合金粉体、TiNi合金粉体、TiCo合金粉体中的一种或者多种混合，粉体纯度≥95％，粒度分布为5～150μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气、氖气和氩气中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能钛合金粉体表面氧化膜溶解温度为450～650℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔和丙炔中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述辅助气体为氢气和/或二氧化碳。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合气体的总气速为300～5000sccm，其中碳源气体：辅助气体：惰性气体体积比为1：(0～10)：(1～100)。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化化学气相沉积的反应温度为
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，复合粉体表面均匀包覆碳纳米管，碳纳米管包覆量为0.05～10.0wt.％。
...【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管包覆功能钛合金复合粉体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能钛合金粉体为tife合金粉体、tini合金粉体、tico合金粉体中的一种或者多种混合，粉体纯度≥95％，粒度分布为5～150μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气、氖气和氩气中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能钛合金粉体表面氧化膜溶解温度为450～650℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源气体为甲烷...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨亚锋，李少夫，叶栋，肖顺远，郑闰，甘雪猛，王淑欣，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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