[发明专利]一种激光制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种激光制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法。在TA15钛合金表面制备Co‑Al‑B₄C‑CeO₂预置层，后激光熔覆处理形成Co基复合材料；后在所形成Co基复合材料表面设置Co‑Al‑B₄C‑CeO₂‑(MGOSs/CNTs)预置层，再次进行激光熔覆处理形成（MGOSs/CNTs）增强Co基复合材料，且由于激光束能量分布不均，部分未熔MGOSs/CNTs存在于Co‑Al‑B₄C‑CeO₂‑(MGOSs/CNTs)复合材料中，研究表明MGOSs/CNTs添加可有效增强激光熔覆复合材料的磨损性能。本发明能在TA15钛合金表面获得具有极强耐磨性的复合材料。关键词：氧化石墨烯；复合材料；碳基纳米相；激光加工。

技术领域

本发明涉及一种激光制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法，属于材料表面强化技术领域，特别涉及一种在钛合金表面通过激光熔覆（LC）制备单层氧化石墨烯片（MGOSs）与碳纳米管（CNTs）增强Co基复合材料的方法。

背景技术

钛合金由于轻量化及良好的腐蚀性能，在航空航天、增材制造等工业领域得到广泛应用，但其较差的耐磨性限制其应用范围。LC是一种利用高能激光束对合金表面进行强化的技术，具有快速冷却特点，利于形成性能优异的纳米材料，从而强化合金的表面性能，所制备复合材料具有均匀致密组织结构及较低稀释率。Co及其合金具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和高硬度，Co可促使激光熔池中非晶相形成，被广泛应用于表面强化领域。适量稀土氧化物添加可有效细化LC复合材料组织结构，减弱枝晶生长方向性，得到均匀致密的熔覆层组织。碳基纳米材料主要包括：CNTs、碳纳米纤维、MGOSs、碳纳米球等，具有优异的光学、电学、力学特性，在微纳加工、能源及生物医学等方面具有非常重要的应用前景。

发明内容

基于上述科学原理，本发明依据激光束处理钛合金表面形成高温熔池快速冷凝特性，提出一种通过LC制备非晶与碳基纳米相增强复合材料的方法。

在TA15钛合金表面制备Co-Al-B₄C-CeO₂预置层，用LC处理后形成Co基复合材料；后在所形成复合材料表面涂覆Co-Al-B₄C-CeO₂-(MGOSs/CNTs)预置层，再进行LC处理，形成MGOSs/CNTs增强Co基复合材料。

Co-Al-B₄C-CeO₂LC复合材料具有无明显缺陷的组织结构（见图1a）；大量具有较高硬度的棒状Ti-B陶瓷相产生于该复合材料中（见图1b）。

图2a所示，高分辨透射电镜（HRTEM）像证实，CNTs存在于Co-Al-B₄C-CeO₂-(MGOSs/CNTs) LC复合材料中，这主要归因于激光束能量分布不均，导致部分CNTs未完全熔化。此外，由于激光熔池急速冷凝特性，非晶相产生于该复合材料中，还包含部分未熔MGOSs（见图2b）；如图2c所示，该复合材料摩擦体积明显小于Co-Al-B₄C-CeO₂ LC 复合材料，表明MGOSs/CNTs添加可有效增强其磨损性能。

综合分析，本发明采用LC技术，针对钛合金表面耐磨性较差缺点，在TA15钛合金表面制备Co-Al-B₄C-CeO₂-(MGOSs/CNTs)复合材料。

具体步骤：

1）在LC之前，将TA15钛合金表面用砂纸打磨平整，后用体积百分比25%硫酸水溶液对该表面进行清洗，酸洗时间5 min；再用清水冲洗，后用酒精将待熔工件表面擦拭干净，再吹干；