石墨烯增强Ti-6Al-4V复合材料组织和拉伸性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述1石墨烯概述石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢结构的碳纳米材料由于其单层原子层结构,石墨烯具有许多新奇的物理特性其强度达130 GPa热导率约为5000 J/(mKs)禁带宽度几乎为零[1]石墨烯强度高且具有很好的韧性,可以弯曲同时,石墨烯具有非常良好的光学性能量子霍尔效应这些优异的性能使它在材料学微纳加工能源生物医学移动设备和航空航天领域有着广阔的运用前景基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向,其在能量储存液晶器件电子器件生物材料传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能,具有广阔的应用前景目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上,而随着对石墨烯研究的深入,石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视由于石墨烯具有高的强度,其抗拉强度可达1060 GPa,如何利用其来提高复合材料的强度成为研究热点将石墨烯纳米片均匀分散到金属基体中,使石墨烯纳米片与金属基体形成良好的接触界面,同时不破坏石墨烯纳米片的微观组织结构特征,这依然是一个很大的挑战[2]2TC4合金概述2.1钛合金钛是20世纪50年代发展起来的一种重要金属,密度小,比强度高和耐腐蚀性好因此钛及钛合金一直是航空航天工业的脊柱之一近年来,钛在石油化工冶金生物医学和体育用品等领域开始得到应用,并己成为新工艺新技术新设备不可缺少的金属材料,钛工业进入一个新的发展时期钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金钛有两种同质异晶体:882 ℃以下为密排六方结构α钛,882 ℃以上为体心立方的β钛退火状态以α钛为基体的单相固溶体合金为α型钛合金,它主要含AlSn等元素Al能增加合金的抗拉和蠕变强度,减小钛合金的密度,提高比强度,是钛合金中重要的合金元素β稳定元素含量足够高,且固溶处理后快速冷却β相保留至室温得到的合金称为β型钛合金[3]目前,钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上据统计,钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右,包括军用飞机民用飞机航空发动机航天器人造卫星壳体连结座高强螺栓燃料箱导弹尾翼弹头壳体等钛合金在海洋条件下有着极其优良的耐腐蚀性能高的比强度无磁等特点,因而被广泛应用于船舶工业医用钛合金无毒质轻比强度高,具有极好的生物相容性和耐腐蚀性,是较理想的医用金属材料,可用作植入人体的植入物等钛也正在向体育运动器材应用领域进军目前最大的应用领域是全世界都在用钛铸造高尔夫球杆头化工冶金造纸制碱石油和农药工业是使用钛合金较早的行业此外,钛合金在建筑业,军械,汽车工业的应用也越来越广泛[4]2.2TC4合金钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V,属于(α β)型钛合金,具有良好的综合力学机械性能比强度大TC4的强度sb=1.012 GPa,密度g=4.51 g/cm3,比强度sb/g=23.5,而合金钢的比强度sb/g小于18 钛合金热导率低 钛合金的热导率为铁的1/5铝的1/10,TC4的热导率l=7.955 W/mKTC4 (Ti-6Al-4V) 是美国于1954年研制成功的α β两相钛合金,已广泛应用于航空航天兵器汽车能源医疗器械及体育用品等领域,占钛合金总产量的50%以上[5,6]然而,Ti-6Al-4V 钛合金在常温下变形困难,通过热塑性成形可以解决这一难题,同时还可以改善它的组织和性能然而,其居高不下的成本限制了钛合金更加广泛的应用,因而从合金设计和加工工艺优化两个方面降低钛合金成本并得到超高强度合金已成为国内外钛科技工作者的研究热点在以前的研究中,采用陶瓷颗粒[7]碳纳米管[8]碳纤维[9]和SiC纤维[10]等增强材料,采用粉末冶金方法提高了Ti及其合金的强度然而,上述石墨烯增强块体钛基复合材料的方法表现出高强度和低延伸率的结合性能也就是说,硬增强材料的加入增加了抗拉强度和刚度,但降低了其拉伸延性和断裂韧性,导致复合材料的可靠性差[11]与上述填充材料相比,石墨烯纳米片具有更高的强度伸长率和更大的比表面积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,提高弥散度,获得纳米级强韧化效果可以使成型复合材料的强度和延展性达到良好的匹配,是提高钛合金强度难题的较优解决方法3石墨烯金属基复合材料制备方法石墨烯作为金属的增强体有其独特的优势,例如,高温固有稳定性高强度和刚度优越的导电性和电导率然而, 由于石墨烯密度小分散性差熔态下与熔融金属界面张力不同及界面反应问题,很难把石墨烯融入金属中石墨烯金属基复合材料的制备方法,如粉末冶金化学沉积水热合成溶胶-凝胶等[12],不同制备方法的探索和尝试主要集中在石墨烯与基体材料的界面润湿性改善制备材料中石墨烯均匀分散性与基体材料结合度问题[13]3.1粉末冶金粉末冶金是一种以金属粉末为原料,经压制和烧结制成制品的加工方法[14]其具有工艺简单灵活,能达到近净成形,材料利用率高的特点,在石墨烯金属基复合材料制备中应用较为广泛但其参数变量多模具单一,烧结块体金属形状具有局限性一般需经机械合金化强化或热处理强化适用于金属粉末,或金属与非金属粉末的混合物一般用来制备合金陶瓷复合材料3.2化学沉积化学沉积是利用一种合适的还原剂使镀液中的金属离子还原并沉积在基体表面上的化学还原过程传统的镀层一般为硬度大和润滑性好的颗粒,以提高材料的耐磨性和自润滑性化学沉积工艺过程操作简单,灵活方便[13,15]但复合材料镀层较薄,基体材料选择有相对局限性,一般用来生产金属薄膜材料3.3水热法水热法是在高温高压密封的压力容器中,以水为溶剂进行化学反应此方法在制备石墨烯复合材料的方面应用较为广泛采用水热法制备石墨烯金属基复合材料,石墨烯在基体中分散性好晶形好且可控制生产成本低;最重要的是经水热法制备的粉体一般无需烧结,从而避免了晶体在烧结过程中的长大,也避免了杂质的混入,可以制备纯度较高的材料[16]但其设备要求高,技术难度大,安全性能差3.4溶胶-凝胶法反应物种多,产物颗粒均一,过程易控制,反应易进行溶胶-凝胶过程所需时间长,所得材料有微型气孔,干燥后易收缩一般用于电解质材料金属陶瓷涂层隔热材料等[13]其中粉末冶金技术具备显著节能省材性能优异产品精度高且稳定性好等一系列优点,被广泛应用粉末冶金技术包括机械合金化与烧结粉末热挤压放电等离子烧结法等4石墨烯增强TC4复合材料组织和拉伸性能周等人[17] 采用干法球磨将石墨烯与TC4预合金粉末混合,通过放电等离子烧结工艺在1200 ℃ 制备了石墨烯/TC4复合材料采用扫描电子显微镜X射线衍射仪等[18]研究了复合粉末混合前后的形貌和物相结构; 采用显微硬度计Gleeble-3800D热模拟试验机等分析了复合材料的显微硬度和压缩性能 图1 烧结后石墨烯/TC4 复合材料和 TC4 钛合金的 SEM 照片TC4钛合金(a,b)和石墨烯/TC4复合材料(c,d) [17]由烧结后的石墨烯/TC4复合材料的SEM图像（图1）可以看出烧结石墨烯/TC4复合材料组织致密,无孔洞等缺陷另外,石墨烯/TC4 复合材料的晶粒明显比 TC4 钛合金的晶粒小,与XRD结果一致,证明了TiC可以阻碍晶粒生长,细化晶粒[19]由复合材料元素面分布图可看出,石墨烯与基体生成的TiC分布在晶界处,对晶界产生钉扎作用使得晶粒细化[20]石墨烯/TC4复合材料硬度相比TC4钛合金提高了18.2% ,说明添加少量的石墨烯(0.4%) 能够对材料起到明显的增强作用硬度提高主要是由于原位生成的TiC与石墨烯一起阻碍了位错运动,使得在石墨烯分布的晶界处产生了大量的位错堆积,因而提高了基体的硬度添加石墨烯后,压缩强度和屈服强度分别为1345.3 MPa 和1139.2 MPa,相对于TC4钛合金提高了17.03%和12.5%[13]Cao等人[11]采用粉末冶金方法成功地制备了石墨烯增强块体钛基复合材料采用湿法制备了0.5 wt%石墨烯纳米片和Ti-6Al-4V混合粉末然后在压力为150 MPa,700 ℃用热等静压(HIP)对复合材料进行固结,再在970 ℃进行等温锻造,锻造比为3采用光学显微镜扫描电镜透射电镜和静态拉伸试验等方法研究了复合材料的显微组织和力学性能图2显示该复合材料的显微组织由等轴光亮α-Ti相晶粒和晶间灰色β-Ti相组成,这是经过退火处理的β-钛基合金的典型组织条带状或颗粒状的β-Ti相位于晶内和晶界位置 图2等温锻造后0.5 wt% GNFs增强Ti/GNFs复合材料的光学显微镜(a)和扫描电镜(b) [11]微观结构观察表明,石墨烯在复合材料中分布均匀,在钛基体与石墨烯的冶金界面处形成TiC颗粒,TiC可以作为一种增强材料,并且可以极大地强化界面强大的界面交互作用可以有效地将负载从钛转移到石墨烯上,这可能是Ti/GNFs复合材料的主要强化机理[21]Ti/0.5 wt% GNFs复合材料的抗拉强度为1058 MPa,屈服强度为1021 MPa,杨氏模量为125 GPa,分别比纯钛基体高12.3 .1%和14.6%与未增强的钛基体相比,0.5 wt% GNFs增强复合材料在不失去延展性的情况下能够显著地提高强度,这表明GNFs实际上可以作为TMCs的优良增强材料[11]5论文研究目的与研究意义Ti-6Al-4V(TC4)钛合金具有中等强度,且具有良好的塑性成形性,更兼具耐腐蚀性耐热性以及优良的生物相容性目前航空航天用结构材料的要求更为突出地集中于轻质高强高韧及高刚度等方面,为适应这一发展趋势,将钛合金的性能优化成为当今的研究热门,常用的方法是通过加入增强体来优化性能石墨烯凭借优异的光学性能导热性能电荷传输性能透气性能以及柔性,被广泛应用于半导体能源复合材料等石墨烯独特的二维结构使得它具有许多特性,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,提高弥散度,获得纳米级强韧化效果 本课题以石墨烯为增强体,从复合材料制备技术,增强体分布设计,构型设计,设计出几种金属基复合材料的制备方法,并对设计出的方法进行比较,选择性能优异的的最佳方法并通过热处理工艺,观察微观组织,研究力学性能等方面获取复合材料组织结构特征参数通过石墨烯加入量的不同,仔细认真观察性能结构的变化,经过参数的对比,选出加入的最合适量,以此达到性能最优化参考文献[1] 匡达,胡文彬.石墨烯复合材料的研究进展[J].无机材料学报,2013,28(03):235-246.[2] 燕绍九,杨程,洪起虎,陈军洲,刘大博,戴圣龙.石墨烯增强铝基纳米复合材料的研究[J].材料工程,2014(04):1-6. [3] 宁聪琴,周玉.医用钛合金的发展及研究现状[J].材料科学与工艺,2002(01):100-106. [4] 李梁,孙健科,孟祥军.钛合金的应用现状及发展前景[J].钛工业进展,2004(05):19-24.[5] 刘建强.TC4钛合金的显微组织及其抗冲击韧性[J].热加工工艺,2013,42(12):63-66.[6] 刘莹,曲周德,王本贤.钛合金TC4的研究开发与应用[J].兵器材料科学与工程,2005(01):47-50. [7] Poletti C , Balog M , Schubert T , et al. Production of titanium matrix composites reinforced with SiC particles[J]. Composites Science and Technology, 2008, 68(9):2171-2177. [8] Tang C Y , Wong C T , Zhang L N , et al. In situ formation of Ti alloy/TiC porous composites by rapid microwave sintering of Ti6Al4V/MWCNTs powder[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2013, 557:67-72.[9] Even C , Arvieu C , Quenisset J M . Powder route processing of carbon fibres reinforced titanium matrix composites[J]. Composites Science and Technology, 2008, 68(6):1273-1281.[10] Luo X , Ji X , Yang Y , et al. Microstructure evolution of C/Mo double-coated SiC fiber reinforced Ti6Al4V composites[J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 597:95-101.[11] Zhen, Cao, Xudong, et al. Reinforcement with graphene nanoflakes in titanium matrix composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017. [12] Bakshi, S R, Lahiri, D, Agarwal, A. Carbon nanotube reinforced metal matrix composites - a review[J]. Metallurgical Reviews, 55(1):41-64. [13] 凌自成, 闫翠霞, 史庆南, et al. 石墨烯增强金属基复合材料的制备方法研究进展[J]. 材料导报, 2015, 29(7):143-149.[14] Jingyue, Wang, and, et al. Reinforcement with graphene nanosheets in aluminum matrix composites[J]. Scripta Materialia, 2012.[15] 匡达. 石墨烯/镍基复合材料的制备和性能研究[D]. 上海交通大学, 2012. [16] Kumara S V , Huanga N M , Limb H N , et al. Preparation of highly water dispersible functional graphene/silver nanocomposite for the detection of melamine[J]. Sensors and Actuators B Chemical, 2013, 181(5):885 893. [17] 周海雄,王庆娟,王伟,韩子茹,侯婷丽.石墨烯增强TC4复合材料的微观组织及力学性能[J].钛工业进展,2019,36(06):7-12.[18] Mu, X.N, Zhang, H.M, Cai, H.N,等. Microstructure evolution and superior tensile properties of low content graphene nanoplatelets reinforced pure Ti matrix composites[J]. Materials Science Engineering A, 687(Complete):164-174.[19] Pande C S , Cooper K P . Nanomechanics of HallPetch relationship in nanocrystalline materials[J]. Progress in Materials Science, 2009, 54(6):689-706. [20] 韩远飞,段宏强,吕维洁,王立强,张荻.非连续增强金属基复合材料剧烈塑性变形行为研究进展[J].复合材料学报,2015,32(01):1-12.[21] 梁倍铭, 罗茂源, 张正杰, et al. 石墨烯金属基复合材料石墨烯原料制备与强化机制研究进展[J]. 轻工科技, 2017(08):28-31 35.[22] 张宇, 王小美, 葛禹锡, et al. 原位合成技术制备金属基复合材料的研究进展[J]. 热加工工艺, 2014(24):23-26.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、需要研究或解决的问题：1.比较不同的石墨烯含量对ti-6al-4v合金的组织的影响。

2.比较不同的石墨烯含量对ti-6al-4v合金的拉伸性能的影响。

二、研究手段：1.金相组织观察将烧结好的复合材料将烧结好的复合材料用镶嵌机镶嵌制成金相试样，依次用的不同规格的砂纸逐次打磨，随后在金相试样抛光机上抛光。