一種雷射－感應複合熔覆石墨烯增強Ni3Ti複合材料的方法與流程
2023-05-28 08:20:51 6
本發明涉及一種雷射－感應複合熔覆石墨烯增強Ni3Ti複合材料的方法，屬於雷射加工技術領域。
背景技術：
Ni3Ti金屬間化合物具有兩種晶體結構：六方晶系DO24型晶體結構與L12型面心立方晶體結構，通常被用作鎳基與鐵基高溫合金的沉澱析出強化相，這主要是因為Ni3Ti金屬間化合物具有隨溫度增加其強度增加以及優異的抗氧化性能。通常製備Ni3Ti金屬間化合物的方法主要有：自熳燃高溫合成法(self-propagating high-temperature synthesis, SHS)、粉末燒結法、定向凝固法等。儘管這些方法在某種程度上製備出了小尺寸的Ni3Ti金屬間化合物材料，但是這些方法均沒有完全克服Ni3Ti金屬間化合物易碎與加工成形差的難題，其耐磨性能、塑性與韌性都有待進一步提高。因此，協同提高Ni3Ti金屬間化合物的耐磨與強韌性，成為了拓展Ni3Ti金屬間化合物應用領域的瓶頸。
石墨烯是由碳原子構成的只有一層原子厚度的二維晶體，被認為是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度約是鋼的200倍，硬度約是鋼的100倍，甚至超過鑽石。因此，由於石墨烯具有高導性、高強度、超輕薄等特徵，作為強化相在複合材料領域具有十分廣闊的應用前景。此外，雷射－感應複合熔覆作為近年來發展起來的一種新型表面強化與快速製造技術，可以在高效率條件下，將材料內的熱應力降低到最小程度，從而製備出高性能的無裂紋複合材料（Shengfeng Zhou，Yongjun Huang，Xiaoyan Zeng. Microstructure characteristics of Ni-based WC composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding. Materials Science and Engineering: A，2008，480（1－2）：564－572），受到了研究者的廣泛關注。但是，採用雷射－感應複合熔覆技術，將石墨烯均勻鑲嵌於Ni3Ti金屬間化合物內，同步提高Ni3Ti金屬間化合物的耐磨與強韌性的方法未見文獻報導。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種雷射－感應複合熔覆石墨烯增強Ni3Ti複合材料的方法；其方法與步驟為：
（1）石墨烯表面改性，具體為：
1）將石墨烯加入到8%NaOH溶液中，35℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌，完成對石墨烯的粗化處理；
2）將經過粗化處理的石墨烯加入到由50mL/L CH3COOH和45mL/L C4H6O4Sn組成的混合液中，55℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌，對石墨烯進行活化處理；
3）將經過活化處理的石墨烯加入到28g/L的硼氫化鈉溶液中，45℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌至中性，在100℃下真空乾燥120分鐘，完成石墨烯的還原處理；
4）將經過還原處理的石墨烯加入到由45g/L醋酸鎳、38g/L的氨基乙酸、25g/L焦磷酸鉀、0.05g/L醋酸鈀、25%氨水5~20 ml/L組成的鍍鎳溶液中，在pH值為 11、溫度為 70℃與超聲振動的條件下，化學鍍鎳80min，使石墨烯表面形成鎳包覆層的平均厚度為10μm；
（2）首先，將表面經過改性處理的石墨烯加入到純度為99.4%的鈦粉與Ni20Cr合金粉中形成混合粉末，其中，鈦粉與Ni20Cr合金粉的質量比為1:8，表面經過改性處理的石墨烯在混合粉末中的質量百分比3.5%；然後，將混合粉末在充有液氮的球磨機內混合均勻，獲得粒徑範圍為20~60μm的熔覆粉末；球磨工藝參數為：轉速200轉/分，時間2小時，球磨過程中使用粒徑範圍為3~20mm的不鏽鋼球，不鏽鋼球與混合粉末的質量比為10:1；鈦粉的平均粒徑為90μm；Ni20Cr合金粉末的化學成分為：Ni 80 wt.%，Cr 20 wt.%，平均粒徑為100μm；
（3）將純鈦板作為基材，將其表面進行除油、除鏽處理，然後採用雷射－感應複合熔覆技術將熔覆粉末沉積於純鈦板表面，形成石墨烯增強Ni3Ti複合材料；其中，雷射－感應複合熔覆的工藝參數為：雷射功率2.5kW，雷射掃描速度1500mm/min，基材被感應預熱的溫度為600℃，粉末噴嘴直徑4mm，雷射光斑直徑4.5mm，熔覆粉末流量40g/min，粉末噴嘴與純鈦板表面法向間的夾角53°，粉末噴嘴與純鈦板表面垂直距離12mm。
本發明的優點是：（1）石墨烯表面經過改性處理後，較均勻地分散於熔覆粉末內，可以有效地避免雷射－感應複合熔覆過程中的熱損傷，最大程度地保護其結構與性能的完整性；（2）鈦粉與Ni20Cr合金粉在雷射－感應複合熔覆過程中發生冶金化學反應，原位析出強韌性優異的Ni3Ti金屬間化合物，較好地協調與石墨烯之間的潤溼性與相容性；（3）在製備過程中，無需真空或惰性氣體保護裝置，經測試複合材料平均硬度為850HV0.2，抗拉強度為800MPa，延伸率為20%，具有優異的耐蝕與耐磨性能，在形狀記憶合金與生物醫用材料領域具有廣闊的應用前景。
具體實施方式
本發明是這樣來實現的，其方法與步驟為：
（1）對石墨烯表面首先進行粗化、活化與還原處理，然後進行化學鍍鎳處理，改善其均勻分散性能；
（2）將表面經過改性處理的石墨烯與鈦粉及Ni20Cr合金粉在球磨機內混合均勻，製備成20~60μm的熔覆粉末；
（3）將純鈦板作為基材，將其表面進行除油、除鏽處理，然後採用雷射－感應複合熔覆技術將熔覆粉末沉積於純鈦板表面，形成石墨烯增強Ni3Ti複合材料。
本發明在進行所述的步驟（1）時，具體粗化工藝參數為：將石墨烯加入到8%NaOH溶液中，35℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌；具體的活化工藝參數為：將經過粗化處理的石墨烯加入到由50mL/L CH3COOH和45mL/L C4H6O4Sn組成的混合液中，55℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌；具體的還原工藝參數為：將經過活化處理的石墨烯加入到28g/L的硼氫化鈉溶液中，45℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌至中性，在100℃下真空乾燥120分鐘。
本發明在進行所述的步驟（1）時，具體化學鍍鎳工藝參數為：將經過還原處理的石墨烯加入到由45g/L醋酸鎳、38g/L的氨基乙酸、25g/L焦磷酸鉀、0.05g/L醋酸鈀、25%氨水5~20 ml/L組成的鍍鎳溶液中，在pH值為 11、溫度為 70℃與超聲振動的條件下，化學鍍鎳80min，使石墨烯表面形成鎳包覆層的平均厚度為10μm。
本發明在進行所述的步驟（2）時，鈦粉與Ni20Cr合金粉的質量比為1:8，石墨烯在混合粉末中的質量百分含量為3.5%；球磨工藝參數為：轉速200轉/分，時間2小時，球磨過程中使用粒徑範圍為3~20mm的不鏽鋼球，不鏽鋼球與混合粉末的質量比為10:1；鈦粉的平均粒徑為90μm；Ni20Cr合金粉末的化學成分為：Ni 80 wt.%，Cr 20 wt.%，平均粒徑為100μm。
本發明在進行所述的步驟（3）時：雷射－感應複合熔覆的工藝參數為：雷射功率2.5kW，基材被感應預熱的溫度為600℃，雷射掃描速度1500mm/min，粉末噴嘴直徑4mm，雷射光斑直徑4.5mm，熔覆粉末流量40g/min，粉末噴嘴與純鈦板表面法向間的夾角53°，粉末噴嘴與純鈦板表面垂直距離12mm。
選用純鈦板作為基材，其尺寸為200mm×150mm×10mm（長×寬×高），將經過化學鍍鎳處理的石墨烯均勻分散於鈦粉、Ni20Cr合金粉內，在球磨機內混合均勻形成熔覆材料；然後，採用雷射－感應複合熔覆技術將熔覆材料沉積於基材表面，形成石墨烯增強Ni3Ti複合材料，經檢測：平均硬度為850HV0.2，抗拉強度為800MPa，延伸率為20%，抗電化學腐蝕性能約是Ti6Al4V的5倍，耐磨性能約是Ti6Al4V的10倍。具體實施過程如下：
（1）石墨烯表面改性，具體為：
1）將石墨烯加入到8%NaOH溶液中，35℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌，完成對石墨烯的粗化處理；
2）將經過粗化處理的石墨烯加入到由50mL/L CH3COOH和45mL/L C4H6O4Sn組成的混合液中，55℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌，完成對石墨烯進行活化處理；
3）將經過活化處理的石墨烯加入到28g/L的硼氫化鈉溶液中，45℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌至中性，在100℃下真空乾燥120分鐘，完成對石墨烯的還原處理；
4）將經過還原處理的石墨烯加入到由45g/L醋酸鎳、38g/L的氨基乙酸、25g/L焦磷酸鉀、0.05g/L醋酸鈀、25%氨水5~20 ml/L組成的鍍鎳溶液中，在pH值為 11、溫度為 70℃與超聲振動的條件下，化學鍍鎳80min，使石墨烯表面形成鎳包覆層的平均厚度為10μm。
（2）首先，將表面經過改性處理的石墨烯加入到純度為99.4%的鈦粉與Ni20Cr合金粉中形成混合粉末，其中，鈦粉與Ni20Cr合金粉的質量比為1:8，表面經過改性處理的石墨烯在混合粉末中的質量百分含量3.5%；然後，將混合粉末在充有液氮的球磨機內混合均勻，獲得粒徑範圍為20~60μm的熔覆粉末；球磨工藝參數為：轉速200轉/分，時間2小時，球磨過程中使用粒徑範圍為3~20mm的不鏽鋼球，不鏽鋼球與混合粉末的質量比為10:1；鈦粉的平均粒徑為90μm；Ni20Cr合金粉末的化學成分為：Ni 80 wt.%，Cr 20 wt.%，平均粒徑為100μm；
（3）將純鈦板作為基材，將其表面進行除油、除鏽處理，然後採用雷射－感應複合熔覆技術將熔覆粉末沉積於純鈦板表面，形成石墨烯增強Ni3Ti複合材料；其中，雷射－感應複合熔覆工藝參數為：雷射功率2.5kW，雷射掃描速度1500mm/min，基材被感應預熱的溫度為600℃，粉末噴嘴直徑4mm，雷射光斑直徑4.5mm，熔覆粉末流量40g/min，粉末噴嘴與純鈦板表面法向間的夾角53°，粉末噴嘴與純鈦板表面垂直距離12mm。