[发明专利]一种碳纳米管包覆钛球形复合粉体及其制备方法

说明书

本发明涉及钛基复合材料原料制备技术领域，涉及一种碳纳米管包覆钛球形复合粉体及其制备方法。所述复合粉体以钛或钛合金为基体，包覆层包括碳纳米管，所述碳纳米管占复合粉体总重量的0.1％～5.0％。本本发明主要通过粉体表面处理结合流化床化学气相沉积技术实现，相比传统机械混合技术，该技术工艺简单、生产流程短、成本低以及容易实现规模化生产，产业化前景良好。

技术领域

本发明涉及钛基复合材料原料制备技术领域，具体地涉及一种碳纳米管包覆钛球形复合粉体及其制备方法。

背景技术

长期以来，钛及钛合金在航空航天、军工等重要领域的关键零部件上发挥着巨大作用。然而，随着我国在航空航天工业和国防技术的飞速发展，对材料结构件在轻质、高强、耐热和高效成形等方面提出了更高的要求。例如，航空发动机叶盘中的环体、风扇及高压压气机等航天、军工类产品中的材料结构件需要兼具优异的高温强度、耐磨性能以及高导热率的综合性能，而钛合金的本征特性决定其综合性能的整体优化已接近调控上限。对此，在高强度钛合金基体中引入具有相应功能特性的第二相已成为综合提升钛材高温强度、耐磨性能以及导热性能的有效途径。因此，高性能钛基复合材料已成为现代航空航天技术、空间技术、能源发展及国防技术等若干高端技术领域中不可替代的共性关键材料。《中国制造2025》行动纲领提出将钛基复合材料列为我国新材料领域的重点发展方向之一。

与其他传统材料完全不同，钛材普遍存在机械加工难、加工精度差、生产成本高等问题。对于当前的铸锻工艺而言，原材料经过加工得到最终零部件的有效使用率不到12％，钛零部件制造商往往不得不购买8倍于所需零部件重量的原料用于加工制造。经过几十年的发展，尽管钛材加工行业在材料利用率上得到一定程度的提升，但其有效利用比例仍不足20％，且几近极限。粉末冶金技术虽然能够在一定程度上缩短零部件的加工流程进而减少成本，然而大量孔隙缺陷的形成使烧结制件的致密度、力学性能、热电性能均难以满足当前航空航天、国防科技等高端技术领域对结构材料综合性能的苛刻要求。因此，铸造和粉末冶金工艺均难以从根本上实现高性能钛基复合材料零部件的低成本制造。

3D打印增材制造技术具有原料利用率高、生产周期短、复杂结构一体化成形等优点，非常适用于难加工材料复杂结构零部件的近净成形制造。除此以外，3D打印增材制造技术具有熔体温度高、凝固速度快以及熔池尺寸小等特点，可有效避免基体组织与增强相的粗化，从而保证材料成形后的高性能，而3D打印过程中产生的微小尺寸熔池则有助于降低表面粗糙度，实现零部件尺寸精度的精准控制。因此，3D打印增材制造技术为高端技术领域重大装备中难加工零部件提供了一条“材料制备-零件成形-性能调控一体化技术”的新途径。

增强相的类型是决定钛基复合材料各个性能指标的最重要因素。相比TiC和TiB₂而言，碳纳米管具有密度小、强度高、热导率高以及摩擦系数极低等诸多优点，是目前钛基复合材料公认最理想的增强相。然而，目前仍然缺乏一种高品质碳纳米管-钛复合粉体的生产技术，这也成为了制约碳纳米管增强钛基复合材料3D打印制备发展及应用的主要技术瓶颈。对于常规雾化制粉技术而言，由于增强相与钛基体之间存在较大的密度、润湿性等物性差异，导致复合粉体中增强相与钛基体容易发生相分离，同时增强相的引入恶化了熔体的黏性，造成喷口堵塞，因此，高体积分数的第二相难以引入。而采用机械混合法虽然能够成功制备碳纳米管-钛复合粉体，并且可以定量控制碳纳米管增强相的质量分数，但是仍然存在以下严重缺陷而导致其无法得到广泛应用：(1)粉体球形度和流动性遭受严重破坏；(2)碳纳米管分散不均匀；(3)碳纳米管的成分和结构完整性遭到破坏；(4)机械混合过程中引入大量氧、氮等杂质。

发明内容