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【6h】

TC4钛合金及其石墨烯增强复合材料选择性激光熔化成形

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目录

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1. 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 石墨烯增强金属基复合材料研究现状

1.2.1 石墨烯增强其他金属基复合材料

1.2.2 石墨烯增强钛基复合材料

1.3选择性激光熔化(SLM)技术研究现状

1.3.1选择性激光熔化技术的发展

1.3.2 选择性激光熔化钛合金研究现状

1.3.3 选择性激光熔化钛基复合材料研究现状

1.4 课题研究意义及内容

1.4.1本课题的研究意义

1.4.2 主要研究内容

2. 实验材料及设备

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.2.1球磨设备

2.2.2 成形设备

2.2.3 热处理设备

2.2.4 动力学模拟软件

2.3 样品表征

2.3.1金相显微镜

2.3.2 扫描电子显微镜

2.3.3 透射电子显微镜

2.3.4 X射线衍射仪

2.4 性能测试

2.4.1显微硬度测试

2.4.2 磨损性能测试

3. TC4钛合金SLM成形及其热处理

3.1 TC4钛合金SLM成形

3.1.1 激光功率对组织的影响

3.1.2 扫描点间距对组织的影响

3.1.3 曝光时间对组织的影响

3.2 热处理对微观组织及性能的影响

3.2.1 SLM成形TC4钛合金微观组织

3.2.2 退火温度对微观组织的影响

3.2.3 保温时间对微观组织的影响

3.2.4 不同热处理制度对硬度的影响

3.3 本章小结

4. 镀铝石墨烯界面结合机理动力学模拟

4.1. 镀铝石墨烯微观形貌

4.2. 单个Al原子在石墨烯表面吸附机理

4.2.1 模型与参数设定

4.2.2 吸附位与吸附能

4.3 吸附界面的动力学模拟

4.3.1 界面模型的建立

4.3.2 单界面模型径向分布函数

4.3.3 单界面模型的热稳定性

4.3.4 双界面模型径向分布函数

4.3.5 双界面模型的热稳定性

4.4 本章小节

5. 真空球磨石墨烯钛基复合粉末工艺优化

5.1 球磨时间对石墨烯分散性的影响

5.2 球磨球料比对石墨烯分散性的影响

5.3 球磨转速对石墨烯分散性的影响

5.4 本章小结

6.石墨烯钛基复合材料SLM成形

6.1 石墨烯钛基复合材料SLM成形

6.1.1 激光功率对组织的影响

6.1.2 扫描点间距对组织的影响

6.1.3 曝光时间对组织的影响

6.2 石墨烯钛基复合材料微观组织及性能

6.2.1微观组织分析

6.2.2 显微硬度

6.2.3 摩擦磨损性能

6.3 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢

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摘要

TC4(Ti6Al4V)具有比强度高、耐高温、耐腐蚀、生物相容性好等特点,被广泛应用于航天航空、医疗卫生、军工业等领域。然而,TC4由于耐磨性、传热性差限制了其应用,因此将石墨烯作为增强相制备钛基复合材料有望提高其耐磨性。本文通过真空球磨法和选择性激光熔化(Selective Laser Melt,SLM)技术制备了TC4钛合金及石墨烯钛基复合材料;为了解决石墨烯在TC4基体中分散不均匀的难题,采用有机铝化学还原法在石墨烯表面镀铝。研究了SLM及热处理工艺参数对TC4钛合金组织性能的影响,进行了镀铝石墨烯界面模型的分子动力学模拟,对石墨烯和TC4钛合金粉末的真空球磨工艺参数进行了优化,最后研究了SLM工艺参数对石墨烯钛基复合材料组织的影响及石墨烯对复合材料的强化机理。结果如下: (1)研究了TC4钛合金SLM成形工艺和热处理工艺对组织性能的影响。SLM成形TC4钛合金组织特征是外延生长的粗大柱状晶,柱状晶由SLM工艺过程中快冷急凝形成的针状马氏体α’相填充;升高激光功率、缩小扫描点间距、增加曝光时间,均使得单位激光能量密度增高,出现过熔引起的孔隙裂纹等缺陷,影响柱状晶的含量。当热处理温度低于临界温度T0(872℃,TC4开始在快速冷却期间形成α’相的温度),针状马氏体α’相转变为α相形成α+β相混合的板条状组织,随着热处理温度的升高板条状组织的尺寸增加,降低了试样的显微硬度;当热处理温度超过T0,保温时形成的β相在随后的水冷过程中转变为马氏体α相,并出现网篮结构,提高了钛合金的显微硬度;此外,保温时间对组织和性能影响很小。 (2)通过分子动力学模拟研究了镀铝石墨烯Al元素与石墨烯界面结合机理。石墨烯表面Al的最佳吸附位为六边形蜂窝晶格中心H点位,因为此处吸附能最高。建立了Al元素吸附在石墨烯表面的Al/Gr单界面模型和Al/Gr/Al双界面模型,Al原子与石墨烯层均表现强相互作用,界面结合紧密;虽然两种模型的热稳定性都有所提高,但Al/Gr单界面模型表现出热收缩性,而Al/Gr/Al双界面模型表现出热膨胀性;随着温度的升高,Al原子接近石墨烯,石墨烯层对温度不敏感,只有很小的波动。 (3)获得了石墨烯分布均匀的石墨烯钛基复合粉末。随着球磨时间、球料比、转速的增加,球磨能量提高,使得石墨烯分散越发均匀的同时,复合粉末颗粒球形度越差,不利于复合粉末的流动性。综合考虑,最优工艺参数为球磨时间3h,球料比8∶1,球磨转速240r/min,制备的石墨烯钛基复合粉末符合SLM工艺要求。 (4)研究了石墨烯钛基复合材料SLM成形。相比SLM成形的TC4钛合金,可观察到明显的熔池形貌,微观组织仍主要为针状马氏体α’相。适当的激光功率、扫描点间距和曝光时间能够成形致密的石墨烯钛基复合材料。在复合材料中石墨烯分布均匀,结合微观组织分析和XRD检测结果表明复合材料内部发生了晶格畸变,造成晶粒细化,石墨烯与钛基体界面结合紧密,经过界面反应原位生成了面心立方结构的Ti C。石墨烯对复合材料的强化机理主要有细晶强化和Orowan强化,复合材料的硬度和耐磨性均高于TC4钛合金。

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