[发明专利]一种激光增材制造石墨烯增强镍基复合材料的方法及石墨烯增强镍基复合材料

说明书

本发明公开了一种激光增材制造石墨烯增强镍基复合材料的方法，首先对石墨烯表面进行化学镀镍；将表面化学镀镍后的石墨烯与镍基高温合金粉末进行混合，并在真空环境下进行烘干处理；进行激光增材制造石墨烯增强镍基复合材料工艺参数优化；在成形工艺参数优化的基础上，进行石墨烯增强镍基复合材料构件成形。本发明通过对石墨烯表面进行化学镀镍并调控成形工艺参数，使得石墨烯均匀分布在基体中，并可以有效避免成形过程中石墨烯在激光的辐照作用下分解，从而改善复合材料的显微组织和力学性能。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的激光增材制造技术领域，特别涉及一种激光增材制造石墨烯增强镍基复合材料的方法及石墨烯增强镍基复合材料。

背景技术

先进航空发动机和燃气轮机对热端部件的结构、性能和功能等方面提出了越来越苛刻的要求。传统材料加工工艺无法实现具有复杂结构的热端部件功能结构一体化成形。激光增材制造技术以其所具有的自由实体数字化制造特征，以及无模具、短周期、高性能复杂构件一体化成形等优势，逐渐在航空航天、动力能源等领域复杂构件的制造中展现出广阔的应用前景。镍基高温合金作为热端部件中应用最广泛的结构材料，具有良好的室高温力学性能和优异的抗氧化耐腐蚀性能。利用激光增材制造技术成形的部分镍基高温合金热端部件已成功应用到航空发动机，如Leap发动机的燃油喷嘴等。

然而，受合金成分和激光增材制造工艺特征的影响，高铝钛含量的镍基高温合金在成形过程中容易形成裂纹，严重降低合金成形性能和力学性能；而低铝钛含量的镍基高温合金虽然成形性能较好但合金强度较低，无法满足设计要求。通过在激光增材制造镍基高温合金中添加纳米尺度的增强体，形成镍基复合材料，在保证合金成形性的同时可以显著提升强度，为改善激光立体成形镍基高温合金力学性能开辟了一条新途径。与其他陶瓷颗粒类增强体相比，石墨烯具有较高的增强效率，在合金中少量添加就能实现材料强度的显著提高。这主要得益于石墨烯独特的优势：大比表面积使其与金属间的润湿性优于碳纳米管等其他碳质纳米相，有利于提高界面结合强度；成形过程中石墨烯的存在能够阻碍晶粒长大，提高合金强度；而且石墨烯表面具有特殊的褶皱结构，在受力过程中存在一个展平阶段，更利于应力传递，起到改善合金韧性的作用。然而，激光增材制造石墨烯增强镍基高温合金仍存在以下问题：①石墨烯片层之间具有较强的范德华力，在与镍基高温合金粉末混合的时候容易发生团聚现象，无法均匀分散到复合材料粉末中；②激光增材制造过程中，石墨烯在激光的辐照作用下发生分解，其结构完整性将会遭到破环；③熔池中凝固过程中石墨烯在Marangoni对流作用下重新团聚，导致石墨烯不能均匀地分布在基体中。以上存在的问题都会影响石墨烯发挥其在基体中的强韧化作用，制约了激光增材制造石墨烯增强镍基高温合金的工业化应用。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种激光增材制造石墨烯增强镍基复合材料的方法，既解决了石墨烯在镍基材料中分散不均匀的问题，又有效避免了成形过程中石墨烯在激光的辐照作用下分解。

本发明的另一目的在于提供上述激光增材制造石墨烯增强镍基复合材料的方法制备得到的石墨烯增强镍基复合材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种激光增材制造石墨烯增强镍基复合材料的方法，包括以下步骤：

步骤一：在石墨烯表面镀镍；

步骤二：将表面镀镍的石墨烯与镍基高温合金粉末混合，在真空环境下烘干，得到混合粉末；

步骤三：将步骤二中得到的混合粉末在惰性气体保护加工室内，以激光作为热源，成形石墨烯增强镍基复合材料；其中石墨烯增强镍基复合材料中，石墨烯的质量百分比为0.1～1％。

优选的，步骤三所述激光增材制造的工艺窗口为：

激光功率为1500～2000W，光斑直径为2～5mm，扫描速度为10～30mm/s，送粉量为8～20g/min，载粉气流为4～10L/min，搭接率为40％～60％，抬升量为0.4～0.6mm。