面向航空航天：石墨烯核壳结构助力IN718合金性能飞跃

摘要：提出了一种简便的原位方法，通过3D 岩磨和火花等离子烧结（SPS）技术，利用石墨球原位生成石墨烯来增强Inconel 718合金。该过程产生了（Ti,Nb）C/石墨烯核壳结构，显著提高了石墨烯纳米片（GNSs）的均匀性和负载传递效率。试验与模拟双重验证表明，0

导读

提出了一种简便的原位方法，通过3D 岩磨和火花等离子烧结（SPS）技术，利用石墨球原位生成石墨烯来增强Inconel 718合金。该过程产生了（Ti,Nb）C/石墨烯核壳结构，显著提高了石墨烯纳米片（GNSs）的均匀性和负载传递效率。试验与模拟双重验证表明，0.3GNSs-IN718复合材料展现出优异的微观结构和力学性能。石墨烯网络不仅增强了负载传递，还通过晶粒细化和位错强化机制，让材料性能更上一层楼。该研究为航空航天领域金属基复合材料的设计提供了新的方向。

镍基高温合金Inconel 718（IN718）因其在中温范围内（甚至高达650 ℃）稳定的力学性能，被广泛应用于航空航天和汽车工业。然而，苛刻的工作条件对IN718的性能提出了更高要求，提升其力学性能成为近年来的研究热点。石墨烯作为一种碳的同素异形体，因其优异的力学性能被认为是有潜力的金属基复合材料增强相。但石墨烯在复合材料中易团聚，限制了其均匀分散。因此，开发一种能够均匀分散石墨烯的技术对于提高金属基复合材料的性能至关重要。

近日，兰州大学的马栓教授课题组联合西安交通大学的科研团队通过创新的原位生成技术，成功在IN718合金中构建了（Ti,Nb）C/石墨烯核壳结构，显著提升了复合材料的强度和韧性。相关工作以题为“In-situ (Ti,Nb)C/Graphene Synergistic Enhancement of Strength and Toughness in IN718 Composites”发表于期刊《Materials Science & Engineering A》。

原位生成的（Ti,Nb）C/石墨烯核壳结构显著提高了石墨烯在IN718基体中的分散性和界面结合强度。石墨烯网络的形成是复合材料强度和韧性提升的关键因素，通过晶粒细化、位错强化和负载传递机制，0.3GNSs-IN718复合材料展现出优异的力学性能，屈服强度提高了17.27%。通过分子动力学模拟，进一步验证了石墨烯网络在复合材料中的强化和增韧机制。模拟结果表明，石墨烯网络与基体紧密结合，有效促进了负载传递，限制了裂纹扩展，并通过阻碍晶粒生长实现了晶粒细化，这与试验观察一致，为复合材料的设计提供了理论支持。