分享：石墨烯对热压烧结TiC/Ti复合材料组织和性能的影响

颗粒增强钛基复合材料具有低密度、高比强度和比刚度及优异的耐热性能，在航空航天领域具有广泛的应用前景[1-2]。粉末冶金原位生成颗粒增强钛基复合材料具有各向同性,且易于成型,成本低廉,应用比较广泛。在钛基复合材料中，能稳定存在的增强体主要为TiC和TiB。但在满足增强颗粒基本要求的前提下，TiC与钛的热膨胀系数、密度、泊松比更为相近，且热胀系数与钛合金相差在30%以内，密度比钛合金仅高出0.43 g/cm3，再加之工业使用TiC成本较TiB低，因此TiC是钛基复合材料中应用较广泛的增强体[2]。而石墨烯作为一种新型碳材料，因其极高的导电导热性能和优异的力学性能被认为是理想的金属基复合材料增强体[3]。本文在粉末冶金制备过程中将石墨烯添加到TiC/Ti复合材料中，探索石墨烯的分散、混粉及烧结工艺对显微组织和力学性能的影响，并优化复合材料成分和制备工艺以期提高复合材料的力学性能。

1.   实验材料与方法

1.1   复合材料制备

实验选用400目钛粉，多层石墨烯（5~10层）和碳粉为碳源材料，利用真空热压烧结炉原位合成了TiC/Ti复合材料，TiC体积比按占复合材料的10%计算，碳源材料分别为碳粉、石墨烯、碳粉和石墨烯各占50%的混合粉。

粉料称量计算好后放入不锈钢球磨罐，加少量酒精，密封好后利用行星式球磨机混粉，球料比5:1，转速60 r/min，时长为6 h。混制好的粉末装入模具，在压片机上压制成?60 mm×10 mm的圆饼，烘干后放入ZT-40-20Y型真空热压烧结炉石墨模具中进行热压烧结，烧结温度为1200 ℃，保温30 min，持续施加的压力为20 MPa，真空度为4.0×10−3 kPa。烧制完成后，随炉冷却至室温，取出样品进行测试分析。

1.2   测试分析方法

采用DM400M型数字显微镜观察钛基复合材料的显微组织，腐蚀剂为Kroll腐蚀剂（HF、HNO3和H2O体积比为2:1:8）, 腐蚀时间10~15 s。采用VEGA3扫描电镜及能谱仪观察微观组织及成分。物相分析在D8 Ddvance型X射线衍射仪上进行。室温拉伸性能在INSTRON5582型万能拉伸实验机上进行，拉伸速率为0.5 mm/min，拉伸试样尺寸见图1，标距25 mm。

2.   结果及分析

2.1   XRD物相分析

图2为真空热压烧结TiC/Ti复合材料的XRD图谱。从图中看出，复合材料均由TiC相和α-Ti相组成，但在加入石墨烯为碳源时，TiC相的衍射峰强度较低。同时还发现，α-Ti相衍射峰与标准Ti相衍射峰相比，峰位向左偏移，尤其是加入碳粉峰位偏移角度大，大约为0.329º~0.524º；加石墨烯α-Ti相衍射峰位偏移角度最小，约为0.07º~0.285º，两者都加时偏移角度在0.113º~0.406º。根据衍射布拉格方程（1）和晶格常数计算公式（2）可知，峰位向左偏移，表明晶格常数变大，分析认为这是碳原子固溶到α-Ti相中所致，而碳粉作碳源材料固溶度更大一些，石墨烯作碳源固溶度相对较小。

式中，d为晶面间距；θ为入射光与晶面的夹角；n为反射级数；λ为入射X射线波长；a,c为六方晶格的晶格常数；h，k，l为晶面指数。

2.2   显微组织

图3（a）为加入碳粉制备的TiC/Ti复合材料的显微组织，钛基体上分布有一些较大尺寸的TiC相；图3（b）为加入石墨烯复合材料的显微组织，生成的TiC数量较少；图3（c）显示碳源材料为石墨粉和石墨烯各占50%的混合粉时，生成TiC数量介于两者之间，且尺寸细小。这可能是以石墨烯作为碳源材料时，在混粉过程中团聚严重，阻碍了Ti和C生成TiC反应的发生，导致中间相数量形成较少。