摘要
多孔钛材料具有导电、导热、塑性、焊接等特性，同时由于孔隙结构的存在，具有相对轻、高强度、高比刚度、大比表面积、隔声、减震、保温、透气性好等优点，被广泛应用于生物医疗、航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域。但当前的多孔钛主要是Ti-Al-V钛合金，影响因素较多，特别是一些含有对人体有害的钒、铝元素；再者，多孔钛的制备通常采用粉末冶金、浆料发泡等方法，难以精确控制多孔材料的结构与形状。为此，本文采用增材制造3D打印技术制备多孔钛，解决多孔钛的骨架与孔型分布等结构问题，同时针对纯钛强度偏低的窘境，希望通过石墨烯加以调控。具体是首先把石墨烯纳米片与球形钛粉经球磨混合后通过选区激光熔化技术获得孔形状、结构不同的高孔隙率多孔钛，然后系统研究其物理力学性能，并就石墨烯与钛的作用机制进行剖析，得到的主要成果有： 1、将价格低廉的20%异型钛粉与平均粒径75μm球形钛粉球磨后，以激光扫描速度550mm/s、扫描间距60μm、光斑直径45μm、铺粉层厚25μm、能量密度121J/mm3来打印的块体纯钛材料致密度为98.7%。添加1%石墨烯纳米片与平均粒径30μm球形钛粉球磨后，在激光扫描速度600mm/s、扫描间距60μm、光斑直径45μm、铺粉层厚25μm、能量密度78J/mm3工艺条件下得到的石墨烯增强块体钛，其致密度为99.38%，抗压屈服强度是955MPa；相同激光工艺下，平均粒径30μm球形钛粉成型的纯钛块体材料致密度为98.62%，抗压屈服强度为597MPa。 2、把预设孔隙率为81.2%的蜂窝状多孔钛模型运用选区激光熔化技术分别打印出添加石墨烯前后的多孔钛，呈现为α-Ti。未添加石墨烯的多孔钛，其孔隙率为57.87%，显微维氏硬度为236HV，弹性模量为34.317GPa，抗压强度为277.58MPa。添加1%石墨烯的多孔钛，其孔隙率为58.9%，显微维氏硬度为503HV，弹性模量为36.151GPa，抗压强度为316.38MPa。添加1%石墨烯的多孔钛腐蚀电位由-0.412V提升到-0.325V，腐蚀速率由4.32×10-7A/cm2降低到3.28×10-7A/cm2，耐腐蚀性能优于未添加石墨烯的多孔钛。 3、将含1%石墨烯的多孔钛加热到500℃保温0.5h热处理后，与未热处理的相比，其显微维氏硬度为430HV，降低了14.5%，弹性模量为34.457GPa，降低了4.7%，抗压强度为345MPa，提高了9.2%。多孔钛的耐腐蚀性能降低，腐蚀电位降低到-0.392V，腐蚀速率升高到3.87×10-7A/cm2。热处理后多孔体的硬度降低但强度提高，这是由于热处理过程中发生回复再结晶，同时消除了多孔基体中的残余应力，避免了多孔体的骨架在压缩过程中因残余应力引起的微裂纹而造成的破坏。 4、在选区激光熔化过程中，石墨烯部分与钛在界面处发生扩散反应，形成碳化钛，生成的碳化钛弥散分布于多孔钛的基体中。而热处理后，由于热处理温度较低，且选区激光熔化过程中石墨烯片层周围已包袱有碳化钛层，石墨烯与钛未进一步发生反应，多孔钛基体中仍存在片状的石墨烯。
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