【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钒钛，尤其涉及一种纳米增强钛基复合材料的制备方法。
技术介绍
1、钛合金密度为4.51g/cm3，不及钢密度的60％，比强度高，无磁性，透声性能好，抗冲击，在大多数酸、碱和盐溶液中均有优异的耐腐蚀性能，对海水尤其是污染后的海水的耐腐蚀性能极其优越，近年来被称为海洋金属，广泛应用于海洋领域。
2、tc4钛合金是钛合金中运用最广泛的合金，是一种全球通用的钛合金，不仅在室温且在高温下仍具有良好的力学性能、优异的抗疲劳和抗裂纹扩展能力、优异的抗腐蚀性能、具有优异的综合性能和良好的工艺特性。然而，tc4钛合金的硬度较钢等常用材料要低(tc4硬度一般不超过350hv)，耐摩擦磨损性差等缺陷制约了tc4钛合金在一些特殊环境尤其在管道、阀门及配件、动力驱动装置中的推进器和推进器轴、螺旋桨等摩擦磨损环境的使用。提高钛合金的硬度和耐磨性能，才能更好地扩大钛合金应用范围。
3、加入增强相可提高钛合金的硬度和耐磨性能。选择增强相时不仅应该注意具有与钛基体匹配的热膨胀系数，还要保证界面的相容性，不能与基体发生化学反应，并且还要保证增强相分布均匀不团聚。目前增强相分为两种，分别为纤维增强相和颗粒增强相。
4、对于纤维增强相，由于钛合金在高温下和多数增韧纤维容易发生反应生成界面产物而影响材料的性能。因此选择的纤维增强体不能是易熔的物质。可选择的纤维增强体主要有碳化硅、al2o3等陶瓷纤维以及w、mo、ti、nb等难熔的金属纤维。因此对工艺的要求严格且复杂。席少静等以pan基碳纤维和钛粉为原材料，研究出不同碳纤
5、颗粒增强相与纤维增强相相比，颗粒增强相具有制备工艺简单，更容易实现的优势。颗粒增强相的其他优点是其材料性能对增强相和基体的热膨胀系数失配的敏感性较低，还能大幅度降低材料的成本。碳化硅、tic、碳化硼、ti2b、tib和zrb2是目前发现的较为理想的颗粒增强相。s.gorsse等人比较了增强相与钛合金的化学稳定性和力学相容性，研究结果显示：硬度的顺序为tib＞crb＞碳化硼＞碳化硅＞ti5si3(由大到小)；与钛合金结合的化学稳定性顺序为tib＞ti5si3＞crb＞碳化硼＞碳化硅(由大到小)。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，通过在微米级tc4钛合金粉末中加入纳米级石墨烯、碳纳米管、碳化硼、碳化硅颗粒，可以有效提高tc4钛合金的硬度。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
3、一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，基体材料选用tc4钛合金粉末，平均粒径为60～150μm；增强相选用纳米级石墨烯、碳纳米管、碳化硼纳米颗粒、碳化硅纳米颗粒中的一种；
4、制备方法包括如下步骤：
5、1)利用球磨机将实验材料均匀混合在一起，混合物中纳米颗粒的质量分数为0.2～2.0wt％；
6、2)利用环氧树脂和乳白胶作为粘合剂将步骤1)得到的混合粉末凝聚成团状物，然后将团状物置于压片机的工具钢磨具中，通过充填-压制成形-保压-脱模步骤完成复合材料的压片；
7、3)利用氩气保护箱式气氛炉对步骤2)所得的压片进行烧结。
8、所述球磨机公转转速为100～300r/min，自转转速为300～600r/min，频率为30～50hz，所需时间为15～30min，运转模式为单向。
9、所述压片参数为：模具所承受的最大压力为50～450mpa，保压时间为10～60s；
10、所述压片样品质量为6～70g，压片样品形状为圆片状，直径为20～50mm，厚度为5～50mm。
11、所述烧结参数为：烧结加热方式为随炉升温，平均升温速率为5～20℃/min；烧结温度选用1000～1450℃；烧结冷却方式为炉冷。
12、本专利技术中纳米增强相提高复合材料硬度的机制如下：
13、随着石墨烯纳米增强相含量的变化，tc4/石墨烯复合材料的硬度值发生变化。其中，tc4钛合金混入1％石墨烯试样的平均硬度最低；混入2％石墨烯试样的平均硬度最大。说明加入少量石墨烯对tc4的硬度有明显的增强作用。硬度增强的原因是由于石墨烯镶嵌在基体中，使周围基体的晶格常数发生变化，再加上有部分tic生成，与石墨烯一起阻碍位错运动，从而使它们互相接触的部位有大量的位错堆积，因此增加了其硬度。石墨烯含量为1％时，石墨烯在内部发生团聚，造成其硬度降低，但石墨烯含量为2％时，由于内部石墨烯含量较多，团聚达到甚至超过极限值，与ti反应形成tic，而tic的硬度仅次于金刚石，所以在2％时硬度增大。
14、当tc4钛合金中混入0.5％的碳纳米管，硬度值达到最高，说明加入一定量的碳纳米管对tc4钛合金的硬度有明显的增强作用。硬度增强的原因是由于碳纳米管中的c原子镶嵌在基体中，使周围的基体的晶格常数发生变化，再加上有部分tic生成，与碳纳米管一起阻碍位错的运动，从而使它们互相接触的部位有大量的位错堆积，因此增加了其硬度。而随着碳纳米管含量从0.5％增加至2％，复合材料的硬度逐渐减小，是因为碳纳米管发生了团聚，从而导致其硬度降低。由于碳纳米管比表面积大于石墨烯，所以在碳纳米管含量为2％时团聚量仍未达到最大值，所以硬度值一直降低。但随着碳纳米管含量的继续增多，硬度可能会出现逐渐增强的趋势，因为碳纳米管团聚量肯定会达到极限值，甚至超过极限值。此时会有tic大量生成，再加上碳纳米管本身具有很高的硬度，所以会出现硬度增强的现象。
15、同理，在tc4钛合金中混入碳化硼和碳化硅纳米增强相时，复合材料的硬度也表现出先增加后减小再增加的趋势。
16、在1250℃条件下烧结得到的复合材料硬度比在1200℃条件下烧结得到的复合材料硬度要大。因为tc4钛合金和纳米增强相在1200℃时，纳米增强相并没有完全嵌入到tc4钛合金中，而且还存在许多空位，影响其结合，所以相比之下硬度要低。而在1250℃条件下，大部分纳米增强相已镶入到tc4钛合金中，而且由于温度的升高，晶粒之间结合较好，存在的空位较少。因此用1250℃烧结的试样比用1200℃烧结的试样硬度要大。
17、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
18、1)传统tc4钛合金的硬度低，导致其耐磨性低，限制了tc4钛合金的应用。本专利技术在微米级tc4钛合金粉末中加入纳米级石墨烯、碳纳米管、碳化硼、碳化硅颗粒，可以有效提高tc4钛合金的硬度。
19、2)本专利技术复合材料中tc4钛合金和纳米增强相在高温下发生相变，生成弥散分布的tic硬质相，可有效提高复合材料的硬度。针本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，基体材料选用TC4钛合金粉末，平均粒径为60～150μm；增强相选用纳米级石墨烯、碳纳米管、碳化硼纳米颗粒、碳化硅纳米颗粒中的一种；
2.根据权利要求1所述的一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨机公转转速为100～300r/min，自转转速为300～600r/min，频率为30～50Hz，所需时间为15～30min，运转模式为单向。
3.根据权利要求1所述的一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述压片参数为：模具所承受的最大压力为50～450MPa，保压时间为10～60s。
4.根据权利要求1或3所述的一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述压片样品质量为6～7g，压片样品形状为圆片状，直径为20～50mm，厚度为5～50mm。
5.根据权利要求1所述的一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述烧结参数为：烧结加热方式为随炉升温，平均升温速率为5～20℃/min；烧结温度选用1000～1450℃；烧结冷却方式为炉冷。
【技术特征摘要】
1.一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，基体材料选用tc4钛合金粉末，平均粒径为60～150μm；增强相选用纳米级石墨烯、碳纳米管、碳化硼纳米颗粒、碳化硅纳米颗粒中的一种；
2.根据权利要求1所述的一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨机公转转速为100～300r/min，自转转速为300～600r/min，频率为30～50hz，所需时间为15～30min，运转模式为单向。
3.根据权利要求1所述的一种纳米增强钛基复合材料的制备方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵佳莉，信瑞山，滕艾均，苑子凯，
申请(专利权)人：鞍钢集团北京研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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