摘要
钛基复合材料因其高强度、耐高温以及良好的耐腐蚀性在航空航天、生物医疗和军事领域被广泛使用。石墨烯（GNPs）由于其低密度和优异的性能被广泛报道为理想的增强材料，可以实现复合材料的轻量化和高强度要求。本文以Ti6Al4V为基体，通过机械混粉将镀铜后GNPs与基体混合均匀，然后采用真空热压烧结制备了镀铜石墨烯增强钛基（GNPs-Cu/Ti6Al4V）复合材料。探究了热压烧结工艺、GNPs添加量和化学镀铜对复合材料微观组织、力学性能、摩擦磨损性能及耐腐蚀性的影响，并探索复合材料的强韧化机理。此外，通过石墨烯增强钛基复合材料等温压缩实验，探究其热变形行为，推导本构方程并构建加工图，为制定合理的热加工工艺提供指导。 研究结果表明：在烧结过程中，GNPs会与基体钛反应生成TiC和Ti2Cu。通过正交实验得出烧结温度对复合材料的力学性能的影响最为显著，压制压力和保温时间的影响较小。最佳热压烧结工艺为：烧结温度1150℃，压制压力35MPa，保温时间40min，此时其相对密度、显微硬度和抗压强度分别为99.34%、585.4HV0.1和2382MPa。随着GNPs含量的增加，复合材料的相对密度、显微硬度和抗压强度先升高后降低。当GNPs添加量为0.8%时，复合材料的相对密度、力学性能和耐磨性达到最佳，其相对密度、显微硬度和抗压强度分别为99.45%、575.2HV0.1和2169.34MPa，平均摩擦系数为0.336。但是过量的GNPs会导致结构中的GNPs团聚，从而导致力学性能的改善程度降低。 添加GNPs后，GNPs/Ti6Al4V复合材料的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性显著提高，GNPs镀铜后，GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的性能进一步提高。与Ti6Al4V相比，GNPs/Ti6Al4V和GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的显微硬度分别提高14%和21%，室温压缩强度分别提高5.6%和29.6%。GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的耐磨性和耐腐蚀性最佳，其磨损失效形式主要为磨粒磨损，同时伴随着粘着磨损和腐蚀磨损。GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的强化机制主要有GNPs强化、细晶强化和第二相强化。 热变形实验结果表明：GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料是一种负温度敏感和正应变速率敏感的材料，所建立的本构模型能很好地预测复合材料的流变行为，预测值与试验值之间的相关系数为0.97。复合材料在变形过程中，动态回复起主要作用，同时也发生了动态再结晶。结合热加工图和组织分析，复合材料的最优加工条件为900-950℃，0.001-0.1s-1。
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