石墨烯/Ti60復(fù)合材料組織與力學(xué)性能研究

趙會(huì)宇，張 媚，于佳石，孫國(guó)棟

(1. 東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819)(2. 西安稀有金屬材料研究院有限公司, 陜西 西安 710016)(3. 西北有色金屬研究院, 陜西 西安 710016)

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。但隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鈦合金性能的要求越來(lái)越高[4,5]。在鈦基體中加入增強(qiáng)相制備的鈦基復(fù)合材料，可兼具鈦的優(yōu)良塑韌性與增強(qiáng)相的高強(qiáng)度，能夠顯著提高鈦基體的力學(xué)性能[6]。近20年來(lái)，鈦基復(fù)合材料的研究備受關(guān)注[7,8]。

石墨烯是一種二維碳納米材料，具有高楊氏模量、高斷裂強(qiáng)度以及特殊的褶皺結(jié)構(gòu)，可作為增強(qiáng)相用于制備鈦基復(fù)合材料[9,10]。林彰乾等[11]采用放電等離子燒結(jié)法(SPS)制備了0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)石墨烯增強(qiáng)TA15復(fù)合材料，與TA15鈦合金相比，該復(fù)合材料的室溫與高溫壓縮屈服強(qiáng)度及極限抗壓強(qiáng)度得到明顯提高。周海雄等[12]采用SPS技術(shù)制備了石墨烯/TC4復(fù)合材料，其室溫壓縮強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度較TC4鈦合金分別增加了約17.03%、12.5%和18.2%。

Ti60合金是我國(guó)研發(fā)的一種近α型高溫鈦合金，可以用于制造壓氣機(jī)葉片、輪盤(pán)以及整體葉盤(pán)等關(guān)鍵零部件[13-15]。為了進(jìn)一步提高Ti60合金的高溫力學(xué)性能，本研究采用SPS+熱軋技術(shù)制備石墨烯/Ti60復(fù)合材料，研究石墨烯對(duì)Ti60合金微觀組織、室溫及高溫力學(xué)性能的影響，以期為高性能Ti60復(fù)合材料的制備提供借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原材料為T(mén)i60合金粉末和石墨烯納米片。Ti60合金粉末名義成分為T(mén)i-5.8Al-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd，其表面光滑，呈規(guī)則的球形，粒徑為50～100 μm，如圖1所示。石墨烯納米片厚度為1～5 nm。

圖1 Ti60合金粉末的SEM照片

石墨烯/Ti60復(fù)合材料制備過(guò)程：① 將一定量的石墨烯納米片放入乙醇溶液中,采用超聲波進(jìn)行分散；② 在分散液中加入Ti60合金粉末，進(jìn)行水浴旋轉(zhuǎn)攪拌蒸干；③ 對(duì)蒸干后的粉末進(jìn)行低能球磨，轉(zhuǎn)速為200 r/min，時(shí)間為2 h；④ 對(duì)球磨后的粉末進(jìn)行干燥處理；⑤ 將干燥后的石墨烯、Ti60混合粉末裝入直徑為50 mm的石墨模具中，采用80T-20型等離子燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000 ℃，壓力為45 MPa，保溫時(shí)間為5 min，最終得到含有0.1%石墨烯的石墨烯/Ti60復(fù)合材料。圖2為石墨烯/Ti60復(fù)合材料制備工藝流程圖。為了便于比較，采用同樣的燒結(jié)工藝制備Ti60合金樣品。

圖2 石墨烯/Ti60復(fù)合材料制備工藝流程圖

從燒結(jié)樣品上切取8 mm厚圓坯，放入加熱爐中加熱至900 ℃并保溫20 min。采用二輥實(shí)驗(yàn)冷熱軋機(jī)進(jìn)行熱軋，軋制變形率為75%，最終得到厚度為2 mm的樣品。

采用線切割從燒結(jié)樣品和軋制樣品上切取金相試樣與拉伸試樣。金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光后，用混酸腐蝕液(HF、HNO3、H2O體積比為1∶3∶5)腐蝕。采用AxioVert.A1型金相顯微鏡(OM)進(jìn)行微觀組織觀察。采用UTM5105X電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫和600、700 ℃高溫拉伸性能測(cè)試，拉伸速率為0.5 mm/min。采用JEOL JSM-7500F掃描電子顯微鏡(SEM)觀察混合粉末形貌及拉伸試樣斷口形貌，并用其附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉體形貌

圖3為經(jīng)過(guò)球磨后石墨烯/Ti60混合粉末的SEM照片。從圖3a可以看出，大部分Ti60合金粉末保持球形，僅有少部分發(fā)生局部微變形。從圖3b可以看出，石墨烯納米片緊密貼合在Ti60合金粉末表面。由于石墨烯的添加量?jī)H為0.1%，故未發(fā)現(xiàn)石墨烯有團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 石墨烯/Ti60混合粉末的SEM照片

2.2 顯微組織

圖4為燒結(jié)態(tài)及熱軋態(tài)Ti60合金和石墨烯/Ti60復(fù)合材料的金相組織。從圖4可以看出，燒結(jié)態(tài)下，Ti60合金以針狀α相和β相組成的魏氏組織為主，并有少量的網(wǎng)籃組織，石墨烯/Ti60復(fù)合材料則以網(wǎng)籃組織為主，魏氏組織較少。相比Ti60合金，石墨烯/Ti60復(fù)合材料的原始β相尺寸減小，α相尺寸增大，這主要是因?yàn)樘荚貫棣料喾€(wěn)定元素，加入石墨烯后促進(jìn)了α相的形成[16]。經(jīng)過(guò)熱軋加工后，Ti60合金的針狀α相沿軋制方向被破碎成不連續(xù)的棒狀，而石墨烯/Ti60復(fù)合材料中的α相則沿著軋制方向被拉長(zhǎng)成細(xì)條狀。

圖4 不同狀態(tài)下Ti60合金和石墨烯/Ti60復(fù)合材料的顯微組織

2.3 力學(xué)性能

圖5為熱軋態(tài)Ti60合金和石墨烯/Ti60復(fù)合材料在不同溫度下的拉伸性能。從圖5可以看出，隨著溫度的升高，Ti60合金和石墨烯/Ti60復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，延伸率呈升高趨勢(shì)。石墨烯/Ti60復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度為1353.0 MPa，相比Ti60合金提高了9.24%；延伸率為5.37%，相比Ti60合金略微降低。在600 ℃下，石墨烯/Ti60復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為746.6 MPa，相比Ti60合金提高了9.46%。在700 ℃下，石墨烯/Ti60復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為391.7 MPa，相比Ti60合金僅提升了2.99%。

圖5 熱軋態(tài)Ti60合金和石墨烯/Ti60復(fù)合材料在不同溫度下的拉伸性能

2.4 斷口形貌

圖6為熱軋態(tài)Ti60合金和石墨烯/Ti60復(fù)合材料在不同溫度下的拉伸斷口形貌。室溫下，Ti60合金斷口由較淺的韌窩及少量的撕裂脊組成(圖6a)，斷裂模式為典型的韌脆混合斷裂。高溫下，Ti60合金斷口中韌窩尺寸變小且數(shù)量顯著增加(圖6b)，斷裂模式為典型的韌性斷裂。石墨烯/Ti60復(fù)合材料的室溫拉伸斷口中存在大量撕裂脊(圖6c)，但高溫拉伸斷口中沒(méi)有明顯的撕裂脊，斷口由凹凸不平的韌窩組成(圖6d)，表現(xiàn)出更好的韌性。

圖6 熱軋態(tài)Ti60合金及石墨烯/Ti60復(fù)合材料的拉伸斷口形貌

從圖6c、6d還可以看出，石墨烯/Ti60復(fù)合材料的室溫和高溫?cái)嗫谥写嬖谝恍┘?xì)小的顆粒。對(duì)這些顆粒進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示其主要由Ti和C組成，且Ti和C的原子比約為1∶1，故該顆粒物極可能為T(mén)iC[17]。Huang等[18]研究表明，石墨烯/Ti60復(fù)合材料力學(xué)性能的提升主要?dú)w因于TiC形成的彌散強(qiáng)化。

另外，對(duì)石墨烯/Ti60復(fù)合材料室溫和高溫拉伸斷口的多個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行分析，均未發(fā)現(xiàn)石墨烯，表明所添加的石墨烯與鈦基體反應(yīng)完全。

3 結(jié) 論

(1) 在Ti60合金粉末中添加0.1%的石墨烯，采用放電等離子燒結(jié)法成功制備出石墨烯/Ti60復(fù)合材料。

(2) 石墨烯的加入能夠細(xì)化石墨烯/Ti60復(fù)合材料晶粒，減小原始β相尺寸，增大α相尺寸。

(3) 經(jīng)熱軋加工后，石墨烯/Ti60復(fù)合材料在室溫、600 ℃和700 ℃的抗拉強(qiáng)度分別為1353.0、746.6和391.7 MPa，相比Ti60合金分別提高了9.24%、9.46%和2.99%。