本發(fā)明涉及一種激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆石墨烯增強(qiáng)Ni₃Ti復(fù)合材料的方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

Ni₃Ti金屬間化合物具有兩種晶體結(jié)構(gòu)：六方晶系DO₂₄型晶體結(jié)構(gòu)與L1₂型面心立方晶體結(jié)構(gòu)，通常被用作鎳基與鐵基高溫合金的沉淀析出強(qiáng)化相，這主要是因?yàn)镹i₃Ti金屬間化合物具有隨溫度增加其強(qiáng)度增加以及優(yōu)異的抗氧化性能。通常制備Ni₃Ti金屬間化合物的方法主要有：自熳燃高溫合成法(self-propagating high-temperature synthesis, SHS)、粉末燒結(jié)法、定向凝固法等。盡管這些方法在某種程度上制備出了小尺寸的Ni₃Ti金屬間化合物材料，但是這些方法均沒有完全克服Ni₃Ti金屬間化合物易碎與加工成形差的難題，其耐磨性能、塑性與韌性都有待進(jìn)一步提高。因此，協(xié)同提高Ni₃Ti金屬間化合物的耐磨與強(qiáng)韌性，成為了拓展Ni₃Ti金屬間化合物應(yīng)用領(lǐng)域的瓶頸。

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體，被認(rèn)為是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度約是鋼的200倍，硬度約是鋼的100倍，甚至超過鉆石。因此，由于石墨烯具有高導(dǎo)性、高強(qiáng)度、超輕薄等特征，作為強(qiáng)化相在復(fù)合材料領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。此外，激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型表面強(qiáng)化與快速制造技術(shù)，可以在高效率條件下，將材料內(nèi)的熱應(yīng)力降低到最小程度，從而制備出高性能的無(wú)裂紋復(fù)合材料（Shengfeng Zhou，Yongjun Huang，Xiaoyan Zeng. Microstructure characteristics of Ni-based WC composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding. Materials Science and Engineering: A，2008，480（1－2）：564－572），受到了研究者的廣泛關(guān)注。但是，采用激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)，將石墨烯均勻鑲嵌于Ni₃Ti金屬間化合物內(nèi)，同步提高Ni₃Ti金屬間化合物的耐磨與強(qiáng)韌性的方法未見文獻(xiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆石墨烯增強(qiáng)Ni₃Ti復(fù)合材料的方法；其方法與步驟為：

（1）石墨烯表面改性，具體為：

1）將石墨烯加入到8%NaOH溶液中，35℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌，完成對(duì)石墨烯的粗化處理；

2）將經(jīng)過粗化處理的石墨烯加入到由50mL/L CH₃COOH和45mL/L C₄H₆O₄Sn組成的混合液中，55℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌，對(duì)石墨烯進(jìn)行活化處理；

3）將經(jīng)過活化處理的石墨烯加入到28g/L的硼氫化鈉溶液中，45℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌至中性，在100℃下真空干燥120分鐘，完成石墨烯的還原處理；

4）將經(jīng)過還原處理的石墨烯加入到由45g/L醋酸鎳、38g/L的氨基乙酸、25g/L焦磷酸鉀、0.05g/L醋酸鈀、25%氨水5~20 ml/L組成的鍍鎳溶液中，在pH值為 11、溫度為 70℃與超聲振動(dòng)的條件下，化學(xué)鍍鎳80min，使石墨烯表面形成鎳包覆層的平均厚度為10μm；

（2）首先，將表面經(jīng)過改性處理的石墨烯加入到純度為99.4%的鈦粉與Ni20Cr合金粉中形成混合粉末，其中，鈦粉與Ni20Cr合金粉的質(zhì)量比為1:8，表面經(jīng)過改性處理的石墨烯在混合粉末中的質(zhì)量百分比3.5%；然后，將混合粉末在充有液氮的球磨機(jī)內(nèi)混合均勻，獲得粒徑范圍為20~60μm的熔覆粉末；球磨工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，時(shí)間2小時(shí)，球磨過程中使用粒徑范圍為3~20mm的不銹鋼球，不銹鋼球與混合粉末的質(zhì)量比為10:1；鈦粉的平均粒徑為90μm；Ni20Cr合金粉末的化學(xué)成分為：Ni 80 wt.%，Cr 20 wt.%，平均粒徑為100μm；

（3）將純鈦板作為基材，將其表面進(jìn)行除油、除銹處理，然后采用激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)將熔覆粉末沉積于純鈦板表面，形成石墨烯增強(qiáng)Ni₃Ti復(fù)合材料；其中，激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率2.5kW，激光掃描速度1500mm/min，基材被感應(yīng)預(yù)熱的溫度為600℃，粉末噴嘴直徑4mm，激光光斑直徑4.5mm，熔覆粉末流量40g/min，粉末噴嘴與純鈦板表面法向間的夾角53°，粉末噴嘴與純鈦板表面垂直距離12mm。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：（1）石墨烯表面經(jīng)過改性處理后，較均勻地分散于熔覆粉末內(nèi)，可以有效地避免激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆過程中的熱損傷，最大程度地保護(hù)其結(jié)構(gòu)與性能的完整性；（2）鈦粉與Ni20Cr合金粉在激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆過程中發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng)，原位析出強(qiáng)韌性優(yōu)異的Ni₃Ti金屬間化合物，較好地協(xié)調(diào)與石墨烯之間的潤(rùn)濕性與相容性；（3）在制備過程中，無(wú)需真空或惰性氣體保護(hù)裝置，經(jīng)測(cè)試復(fù)合材料平均硬度為850HV_0.2，抗拉強(qiáng)度為800MPa，延伸率為20%，具有優(yōu)異的耐蝕與耐磨性能，在形狀記憶合金與生物醫(yī)用材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其方法與步驟為：

（1）對(duì)石墨烯表面首先進(jìn)行粗化、活化與還原處理，然后進(jìn)行化學(xué)鍍鎳處理，改善其均勻分散性能；

（2）將表面經(jīng)過改性處理的石墨烯與鈦粉及Ni20Cr合金粉在球磨機(jī)內(nèi)混合均勻，制備成20~60μm的熔覆粉末；

（3）將純鈦板作為基材，將其表面進(jìn)行除油、除銹處理，然后采用激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)將熔覆粉末沉積于純鈦板表面，形成石墨烯增強(qiáng)Ni₃Ti復(fù)合材料。

本發(fā)明在進(jìn)行所述的步驟（1）時(shí)，具體粗化工藝參數(shù)為：將石墨烯加入到8%NaOH溶液中，35℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌；具體的活化工藝參數(shù)為：將經(jīng)過粗化處理的石墨烯加入到由50mL/L CH₃COOH和45mL/L C₄H₆O₄Sn組成的混合液中，55℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌；具體的還原工藝參數(shù)為：將經(jīng)過活化處理的石墨烯加入到28g/L的硼氫化鈉溶液中，45℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌至中性，在100℃下真空干燥120分鐘。

本發(fā)明在進(jìn)行所述的步驟（1）時(shí)，具體化學(xué)鍍鎳工藝參數(shù)為：將經(jīng)過還原處理的石墨烯加入到由45g/L醋酸鎳、38g/L的氨基乙酸、25g/L焦磷酸鉀、0.05g/L醋酸鈀、25%氨水5~20 ml/L組成的鍍鎳溶液中，在pH值為 11、溫度為 70℃與超聲振動(dòng)的條件下，化學(xué)鍍鎳80min，使石墨烯表面形成鎳包覆層的平均厚度為10μm。

本發(fā)明在進(jìn)行所述的步驟（2）時(shí)，鈦粉與Ni20Cr合金粉的質(zhì)量比為1:8，石墨烯在混合粉末中的質(zhì)量百分含量為3.5%；球磨工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，時(shí)間2小時(shí)，球磨過程中使用粒徑范圍為3~20mm的不銹鋼球，不銹鋼球與混合粉末的質(zhì)量比為10:1；鈦粉的平均粒徑為90μm；Ni20Cr合金粉末的化學(xué)成分為：Ni 80 wt.%，Cr 20 wt.%，平均粒徑為100μm。

本發(fā)明在進(jìn)行所述的步驟（3）時(shí)：激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率2.5kW，基材被感應(yīng)預(yù)熱的溫度為600℃，激光掃描速度1500mm/min，粉末噴嘴直徑4mm，激光光斑直徑4.5mm，熔覆粉末流量40g/min，粉末噴嘴與純鈦板表面法向間的夾角53°，粉末噴嘴與純鈦板表面垂直距離12mm。

選用純鈦板作為基材，其尺寸為200mm×150mm×10mm（長(zhǎng)×寬×高），將經(jīng)過化學(xué)鍍鎳處理的石墨烯均勻分散于鈦粉、Ni20Cr合金粉內(nèi)，在球磨機(jī)內(nèi)混合均勻形成熔覆材料；然后，采用激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)將熔覆材料沉積于基材表面，形成石墨烯增強(qiáng)Ni₃Ti復(fù)合材料，經(jīng)檢測(cè)：平均硬度為850HV_0.2，抗拉強(qiáng)度為800MPa，延伸率為20%，抗電化學(xué)腐蝕性能約是Ti6Al4V的5倍，耐磨性能約是Ti6Al4V的10倍。具體實(shí)施過程如下：

（1）石墨烯表面改性，具體為：

1）將石墨烯加入到8%NaOH溶液中，35℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌，完成對(duì)石墨烯的粗化處理；

2）將經(jīng)過粗化處理的石墨烯加入到由50mL/L CH₃COOH和45mL/L C₄H₆O₄Sn組成的混合液中，55℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌，完成對(duì)石墨烯進(jìn)行活化處理；

3）將經(jīng)過活化處理的石墨烯加入到28g/L的硼氫化鈉溶液中，45℃下超聲分散60分鐘，分離、用去離子洗滌至中性，在100℃下真空干燥120分鐘，完成對(duì)石墨烯的還原處理；

4）將經(jīng)過還原處理的石墨烯加入到由45g/L醋酸鎳、38g/L的氨基乙酸、25g/L焦磷酸鉀、0.05g/L醋酸鈀、25%氨水5~20 ml/L組成的鍍鎳溶液中，在pH值為 11、溫度為 70℃與超聲振動(dòng)的條件下，化學(xué)鍍鎳80min，使石墨烯表面形成鎳包覆層的平均厚度為10μm。

（2）首先，將表面經(jīng)過改性處理的石墨烯加入到純度為99.4%的鈦粉與Ni20Cr合金粉中形成混合粉末，其中，鈦粉與Ni20Cr合金粉的質(zhì)量比為1:8，表面經(jīng)過改性處理的石墨烯在混合粉末中的質(zhì)量百分含量3.5%；然后，將混合粉末在充有液氮的球磨機(jī)內(nèi)混合均勻，獲得粒徑范圍為20~60μm的熔覆粉末；球磨工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分，時(shí)間2小時(shí)，球磨過程中使用粒徑范圍為3~20mm的不銹鋼球，不銹鋼球與混合粉末的質(zhì)量比為10:1；鈦粉的平均粒徑為90μm；Ni20Cr合金粉末的化學(xué)成分為：Ni 80 wt.%，Cr 20 wt.%，平均粒徑為100μm；

（3）將純鈦板作為基材，將其表面進(jìn)行除油、除銹處理，然后采用激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)將熔覆粉末沉積于純鈦板表面，形成石墨烯增強(qiáng)Ni₃Ti復(fù)合材料；其中，激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆工藝參數(shù)為：激光功率2.5kW，激光掃描速度1500mm/min，基材被感應(yīng)預(yù)熱的溫度為600℃，粉末噴嘴直徑4mm，激光光斑直徑4.5mm，熔覆粉末流量40g/min，粉末噴嘴與純鈦板表面法向間的夾角53°，粉末噴嘴與純鈦板表面垂直距離12mm。