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行业动态 | 激光增材技术制备金属基石墨烯复合材料研究进展
发布时间:2022.05.11    新闻来源:南极熊3D打印网   浏览次数:
增材制造技术(3D打印)是先进制造技术的重要发展方向,已经应用到国防、海洋、航空航天等重要领域中。自2004年Geim等剥离出单层石墨烯后,石墨烯等二维晶体材料逐渐成为了研究热点。其表现出的优良力学性能及导电导热性使其更加适用于增强相材料。

石墨烯与金属合金复合,通过调整石墨烯增强相的含量和分布,有望大幅提高金属基体的力学强度、导电导热等性能,获得性能优异的结构功能一体化材料。增材制造技术和石墨烯纳米片高比表面积和各向异性的优点相结合,对石墨烯与金属粉末进一步的加工混合,再逐层打印构造3D结构,已成为一个全新的研究方向,正在引领着第4代工业革命的进展。

本期文章以激光3D打印技术为主体,从3个角度综述激光3D打印技术制备金属基石墨烯复合材料的研究进展,即激光3D打印技术制备石墨烯铝、镍及其他金属基复合材料,对比了这些材料的性能,并分析了今后可能的发展方向。

激光增材制造技术、激光选择性烧结技术、激光选区熔化技术、激光熔化沉积技术是增材技术中最具挑战的技术,是先进制造技术的重要发展方向,已经应用于国防、海洋、航空航天等重要领域中形状复杂、精度高、价格昂贵的零件。

图 1 激光选择性烧结技术工艺过程
图 2 典型的双杠 SLM 工艺过程
图 3 激光熔化沉积的工艺过程以及激光与粉末的相互作用

激光增材技术制备石墨烯铝基复合材料

铝基材料具有良好的延展性和导热性以及耐腐蚀能力,石墨烯的加入有助于材料在原有的基础上使性能更胜一筹。目前激光增材制备石墨烯铝基复合材料的方法主要是激光选区熔化技术。研究激光选区熔化技术制备石墨烯铝基复合材料,重中之重是要克服石墨烯易团聚且和金属材料界面结合差的问题。

图 4 AlSi10Mg 与石墨烯的混合粉末 SEM 照片
图 5 纯铝粉末、0.5%石墨烯与铝粉混合粉末、1%石墨烯与铝粉混合粉末及 2.5%石墨烯与铝粉混合粉末的 SEM 照片

激光增材技术制备石墨烯增强镍基复合材料

镍基复合材料在功能上可分为很多种类,有镍基耐热复合材料、镍基耐腐蚀复合材料、镍基耐磨复合材料等,镍基复合材料制造高温下工作的零部件应用的最广泛。石墨烯作为增强相具有高热稳定性及低的热膨胀系数,对提高镍基复合材料的耐高温强度和耐磨性有一定帮助,研究石墨烯增强镍基高温材料有望制得高性能的耐高温合金。 采用激光增材制备石墨烯镍基复合材料对石墨烯的破坏程度较轻,能最大程度保存石墨烯的片状结构,因此能提升材料的耐磨性和强度。

图 7 激光烧结石墨烯镍基复合材料、蚀刻后的激光烧结石墨烯镍基复合材料、激光烧结纯镍及蚀刻后的激光烧结纯镍的 SEM 照片
图 8 石墨烯镍基粉体的制备过程示意图

激光增材技术制备石墨烯增强其他金属基复合材料

石墨烯增强其他金属基的复合材料研究甚少。钛基材料具有很高的强度、比模量、耐腐蚀性、耐热性,广泛应用于航空航天、化工产业、汽车产业等各个领域。石墨烯的加入,能同时提高钛基复合材料的力学性能和耐腐蚀性能。目前石墨烯增强钛基复合材料的研究寥寥无几。胡增荣等先用磁力搅拌的方法将石墨烯和钛粉混合,再用 SLS 技术制备了石墨烯钛基复合材料,该材料的维氏硬度是 4500 MPa,为纯钛的 1.5 倍。同时,其耐腐蚀性能比纯钛有明显的提高。又如 Li 等用溶剂沉淀法制备氧化石墨烯和钛合金均匀粉体,然后用 SLM 技术制备氧化石墨烯增强钛基复合材料,该材料的硬度和杨氏模量分别提高 1.2 倍和 1.15 倍。

铜合金具有良好的导电性、导热性、延展性和耐腐蚀性。胡增荣等用 SLS 技术制备了石墨烯铜基复合材料,该材料的硬度提高了 22%,耐腐蚀性能也所提高。

此外,石墨烯增强铁基复合材料的研究,更多的是利用石墨烯的吸附性和导电性,因此两者组合可做吸附材料或者电极材料,如电容器、高效电催化剂等。但是目前国内外对于激光增材制造技术制备石墨烯增强铁基复合材料的研究甚少,只有 2019 年 Wu 等采用液相沉积和 SLM 相结合的方法制备了还原氧化石墨烯增强 S136 钢复合材料。该材料的硬度、抗拉强度和屈服强度呈现先增大后减小的趋势。

石墨烯作为增强相加到金属基材料中,能使材料的力学性能得到一定的提升。添加了石墨烯的金属基复合材料的耐磨性也明显提高,这是由于形成了一个相对稳定的硬化层,亚表层裂纹间的纳米石墨烯桥接提高了材料的摩擦学性能,并且由于石墨烯具有自润滑特性,在磨损过程中容易形成层间滑动,有效地降低了摩擦。石墨烯金属基复合材料的总疲劳寿命与激光能量密度两者呈钟形关系,导致激光能量密度较低和较高时的总疲劳寿命较低。在酸性溶液中,石墨烯-镍纳米复合材料表现出长效抗腐蚀性。

激光增材制造技术产品的质量,包括零件普遍存在的缺陷,如气孔、熔合空洞、表面光洁度差、变形和残余应力,还有产品的成本,都由一些科技问题决定。粉末的选择也对零件的成至关重要。粉末的粒度分布和形貌决定了粉末的流动性和堆积密度。这些参数控制粉末的可加工性,包括进料行为、密度、均匀性和粗糙度以及实现致密零件所需的工艺参数。最终,影响材料的力学性能,表面质量和生产率。因此,今后的发展的重点不仅是科技水平的突破和创新,还有工艺参数的优化,并且复合材料的性能研究要从单一化向全面化发展。

图 11 镍 718 合金和石墨烯/镍 718 复合材料的工程应力-应变曲线及抗拉强度和屈服强度与石墨烯含量的关系
图 12 30 μm 和 60 μm 层厚试样的高周疲劳寿命与体积激光能量密度的关系

参考文献

Chen Caiying, Yang Xuanyi, Zhang Shuocheng et al. 激光增材技术制备金属基石墨烯复合材料研究进展[J]. Rare Metal Materials and Engineering[J], 2022, 51(3): 1125~1135 March 2022: Vol. 51, Issue 3
 
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