[发明专利]一种高强钛合金-石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种高强钛合金‑石墨烯复合材料的制备方法，包括：步骤一，取适量钛合金粉体和石墨烯组成的混合粉体、磨球和分散剂置于球磨机中，进行低温球磨处理；步骤二，将步骤一所制得的材料装入包套内依次进行脱气保温处理和热等静压处理，最终得到所述高强钛合金‑石墨烯复合材料。本申请通过低温球磨得到的石墨烯包覆钛合金粉末在高温高压的热等静压的特殊环境下，能够实现完全致密，制备的高强钛合金‑石墨烯复合材料显微组织均匀、晶粒细小、无织构，各向同性，同时力学性能优异：拉伸强度可达1016MPa，屈服强度可达998MPa，远高于飞机用钛合金锻件国家标准(HB5432‑1989)。

技术领域

本发明涉及一种高强钛合金-石墨烯复合材料及其制备方法，属于航空航天材料的制备技术领域。

背景技术

钛及其合金材料由于具有高的比强度、优异的抗腐蚀性能、良好的耐高温性能以及与非金属复合材料之间理想的装配相容性等优点，使其成为当前航空航天、舰船制造、核能、武器、能源、化工等领域广泛使用的金属结构材料，也已成为无可替代的战略金属材料。

但是，近年来为了大幅度降低航空航天飞行器的结构重量，减轻整弹质量、增加战斗部装药量(提高装填系数)、加强毁伤能力以及满足超音速飞行带来的高温效应，增加航空航天飞行器航射程、降低燃料消耗等，对目前的钛合金材料性能和成分设计提出了更高的要求。例如，航天飞行器结构设计与制造中考虑最多的就是减重问题(纯净的钛金属呈银白色，密度为4.51g/cm³)

然而当前，通常钛合金的加工制备方法是通过模锻的方式，把钛合金毛坯锻造成大致形状，最后通过机加工获得最终产品。这种方法缺点主要表现在需要大规格加工锻坯及锻造模具、重型液压锻造装备，机加工余量大，材料利用率低，生产周期长，制造成本高。最近发展起来的3D打印技术具有制造周期短、原材料利用率高的优势，但原料价格高，设备昂贵，激光成形件组织不均匀，易变形开裂，内部缺陷难以控制，受设备影响难以制备大型部件等缺点，制约了该项技术在航空航天等领域的应用。也就是说通过这些方法制备的钛合金材料存在着缺点，比如高的生产成本、过低的产量、制备工艺比较复杂，这些缺点极大的限制着其应用。

石墨烯是典型的二维纳米材料，其力学性能突出表现为高强度、高模量。石墨烯的强度达130GPa，是普通钢材料的100倍左右。同时，其抗拉强度高达125GPa，弹性模量达1.1TPa，并且质量轻，比表面积理论值为2630m²/g，杨氏模量达1.0TPa。石墨烯硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，但还具有很好的韧性，且可以弯曲，延展性优异。另外，其电阻率仅为0.01μΩ·m，热导率可达5×103W/(m·K)，与金属材料复合不仅能够获得良好的导热和导电性能，而且能够大大减小增强体尺度，获得强韧化效果。但由于钛合金与石墨烯密度相差较大，很难实现钛合金与石墨烯均匀混合；另外，由于石墨烯比表面积大容易团聚，降低复合材料的性能，很难最大限度发挥出石墨烯的应有作用。因此，需要对如何制备出性能优良的钛合金-石墨烯复合材料做更多的探索。

发明内容

为了提高航空航天等领域用钛合金的材料性能和生产效率，降低生产成本，减轻钛合金自身重量，本发明提供了一种高强钛合金-石墨烯复合材料及其制备方法。该制备方法加工余量小，原料利用率高，生产周期短，性价比高，制得的高强钛合金-石墨烯复合材料显微组织均匀，晶粒细小，无织构，各向同性，力学性能优良，可以应用于航空航天、武器装备等领域。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高强钛合金-石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，取适量钛合金粉体和石墨烯组成的混合粉体、磨球和分散剂置于球磨机中，进行低温球磨处理；

步骤二，将步骤一所制得的材料装入包套内依次进行脱气保温处理和热等静压处理，最终得到所述高强钛合金-石墨烯复合材料。