[發明專利]一種激光增材制造石墨烯增強鎳基復合材料的方法及石墨烯增強鎳基復合材料

在審

• 申請號: 202110554713.2
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113477940A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 胡云龍;胡軍;張強;林鑫;李衛
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: B22F10/25
• 分類號: B22F10/25;B22F9/04;C22C19/05;C23C18/18;C23C18/36;B33Y10/00;B33Y70/10
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳文姬

本發明公開了一種激光增材制造石墨烯增強鎳基復合材料的方法，首先對石墨烯表面進行化學鍍鎳；將表面化學鍍鎳后的石墨烯與鎳基高溫合金粉末進行混合，并在真空環境下進行烘干處理；進行激光增材制造石墨烯增強鎳基復合材料工藝參數優化；在成形工藝參數優化的基礎上，進行石墨烯增強鎳基復合材料構件成形。本發明通過對石墨烯表面進行化學鍍鎳并調控成形工藝參數，使得石墨烯均勻分布在基體中，并可以有效避免成形過程中石墨烯在激光的輻照作用下分解，從而改善復合材料的顯微組織和力學性能。

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料的激光增材制造技術領域，特別涉及一種激光增材制造石墨烯增強鎳基復合材料的方法及石墨烯增強鎳基復合材料。

背景技術

先進航空發動機和燃氣輪機對熱端部件的結構、性能和功能等方面提出了越來越苛刻的要求。傳統材料加工工藝無法實現具有復雜結構的熱端部件功能結構一體化成形。激光增材制造技術以其所具有的自由實體數字化制造特征，以及無模具、短周期、高性能復雜構件一體化成形等優勢，逐漸在航空航天、動力能源等領域復雜構件的制造中展現出廣闊的應用前景。鎳基高溫合金作為熱端部件中應用最廣泛的結構材料，具有良好的室高溫力學性能和優異的抗氧化耐腐蝕性能。利用激光增材制造技術成形的部分鎳基高溫合金熱端部件已成功應用到航空發動機，如Leap發動機的燃油噴嘴等。

然而，受合金成分和激光增材制造工藝特征的影響，高鋁鈦含量的鎳基高溫合金在成形過程中容易形成裂紋，嚴重降低合金成形性能和力學性能；而低鋁鈦含量的鎳基高溫合金雖然成形性能較好但合金強度較低，無法滿足設計要求。通過在激光增材制造鎳基高溫合金中添加納米尺度的增強體，形成鎳基復合材料，在保證合金成形性的同時可以顯著提升強度，為改善激光立體成形鎳基高溫合金力學性能開辟了一條新途徑。與其他陶瓷顆粒類增強體相比，石墨烯具有較高的增強效率，在合金中少量添加就能實現材料強度的顯著提高。這主要得益于石墨烯獨特的優勢：大比表面積使其與金屬間的潤濕性優于碳納米管等其他碳質納米相，有利于提高界面結合強度；成形過程中石墨烯的存在能夠阻礙晶粒長大，提高合金強度；而且石墨烯表面具有特殊的褶皺結構，在受力過程中存在一個展平階段，更利于應力傳遞，起到改善合金韌性的作用。然而，激光增材制造石墨烯增強鎳基高溫合金仍存在以下問題：①石墨烯片層之間具有較強的范德華力，在與鎳基高溫合金粉末混合的時候容易發生團聚現象，無法均勻分散到復合材料粉末中；②激光增材制造過程中，石墨烯在激光的輻照作用下發生分解，其結構完整性將會遭到破環；③熔池中凝固過程中石墨烯在Marangoni對流作用下重新團聚，導致石墨烯不能均勻地分布在基體中。以上存在的問題都會影響石墨烯發揮其在基體中的強韌化作用，制約了激光增材制造石墨烯增強鎳基高溫合金的工業化應用。

發明內容

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種激光增材制造石墨烯增強鎳基復合材料的方法，既解決了石墨烯在鎳基材料中分散不均勻的問題，又有效避免了成形過程中石墨烯在激光的輻照作用下分解。

本發明的另一目的在于提供上述激光增材制造石墨烯增強鎳基復合材料的方法制備得到的石墨烯增強鎳基復合材料。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種激光增材制造石墨烯增強鎳基復合材料的方法，包括以下步驟：

步驟一：在石墨烯表面鍍鎳；

步驟二：將表面鍍鎳的石墨烯與鎳基高溫合金粉末混合，在真空環境下烘干，得到混合粉末；

步驟三：將步驟二中得到的混合粉末在惰性氣體保護加工室內，以激光作為熱源，成形石墨烯增強鎳基復合材料；其中石墨烯增強鎳基復合材料中，石墨烯的質量百分比為0.1～1％。

優選的，步驟三所述激光增材制造的工藝窗口為：

激光功率為1500～2000W，光斑直徑為2～5mm，掃描速度為10～30mm/s，送粉量為8～20g/min，載粉氣流為4～10L/min，搭接率為40％～60％，抬升量為0.4～0.6mm。