權(quán)利要求

1.納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行： 一、按質(zhì)量百分比稱取0.5％～5％的納米陶瓷顆粒與95％～99.5％的高溫合金粉末，通過(guò)高能球磨，得到初混粉末；其中所述的納米陶瓷顆粒的粒度為1～150nm； 二、將初混粉末放入送粉器后，以0.5～2.5kg/h的送粉速率輸送到等離子體球化處理設(shè)備內(nèi)，在功率為15～50kW的等離子體束中進(jìn)行燒結(jié)球化處理，形成球形微粉； 三、將球形微粉收集、篩分，得到納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟一所述的納米陶瓷顆粒為TiC、WC、SiC、Al 2O 3和Y 2O 3中的一種或幾種的組合納米陶瓷顆粒。 

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟一所述的納米陶瓷顆粒的粒度為15～50nm。 

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟一所述的高溫合金粉末為鎳基高溫合金粉末。 

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟一所述的鎳基高溫合金為GH1015、GH1035、GH1040、GH1131、GH1140、GH2018、GH2036、GH2038、GH2130、GH2132、GH2135、GH2136、GH2302、GH2696、GH3030、GH3039、GH3044、GH3028、GH3128、GH3536、GH605,GH600、GH4033、GH4037、GH4043、GH4049、GH4133、GH4133B、GH4169、GH4145或GH4090。 

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟一所述的高溫合金粉末的粒度為10～120μm。 

7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟一所述的高溫合金粉末的粒度為20～60μm。 

8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟一所述的高能球磨為干法球磨，具體操作是：將稱取的納米陶瓷顆粒與高溫合金粉末按球料比(1～10)：1放入球磨機(jī)中，通入氬氣進(jìn)行氣氛保護(hù)，在球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為150～400r/min的條件下球磨5～15h，得到初混粉末。 

9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟二所述的送粉器為盤式送粉器或活塞式送粉器。 10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，其特征在于步驟三所述的篩分采用震動(dòng)篩分，曬網(wǎng)目數(shù)150～800目，篩分時(shí)間15～30min。

說(shuō)明書

納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及陶瓷增強(qiáng)合金球形微粉的制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。

技術(shù)背景

陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫合金復(fù)合材料以其優(yōu)異的高溫綜合性能，在航空、航天、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。

鎳基復(fù)合材料的制備方法主要有粉末冶金法 ]放電等離子體燒結(jié)法 ]、原位合成法、自蔓延高溫合成燒結(jié)等傳統(tǒng)方法。此外等離子噴涂技術(shù)、等離子體轉(zhuǎn)移弧堆焊技術(shù)和激光熔覆法也被用于制備鎳基涂層復(fù)合材料。但是上述這些方法都不能制備復(fù)雜形狀的零部件。近年來(lái)，增材制造技術(shù)，尤其是采用激光選區(qū)熔化技術(shù)，制備的陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫合金復(fù)合材料，成為研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)有的制備陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫合金復(fù)合材料的方法有簡(jiǎn)單的物理混合或在熔融狀態(tài)下均勻混合。

簡(jiǎn)單的物理混合是采用機(jī)械合金化法將增強(qiáng)體顆粒與基體合金進(jìn)行混合，使得部分增強(qiáng)體顆粒附著于基體合金粉末表面，形成復(fù)合粉末；然后再將復(fù)合粉末用于增材制造成型。但是該方法會(huì)使納米級(jí)陶瓷顆粒發(fā)生剛性團(tuán)聚，造成其在復(fù)合材料內(nèi)分布不均勻，降低復(fù)合材料組織均勻性和力學(xué)性能。另一方面，由于陶瓷顆粒與鎳合金粉末之間的巨大熱物理性能差異，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)增材制造過(guò)程中，界面結(jié)合弱，易形成應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋、變形等缺陷。第三點(diǎn)，高溫合金粉末在機(jī)械合金化過(guò)程中，容易發(fā)生變形、球形度降低；最終影響增材制造原料粉體的流動(dòng)性、堆積密度、導(dǎo)熱性以及對(duì)激光的吸收率等，進(jìn)而導(dǎo)致高溫合金復(fù)合材料的性能不佳。從而限制這種復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展。

申請(qǐng)?zhí)枮?02010891059.X的中國(guó)專利《一種3D打印制備多尺度陶瓷相增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料的方法》公開(kāi)了一種3D打印制備多尺度陶瓷相增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料的方法，它是以金屬材料為基體，以陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相。采用微米級(jí)TiC、TiB 2、WC、SiC、CrC和A1 2 O 3中的一種或多種陶瓷顆粒作為原料，添加陶瓷顆粒的質(zhì)量百分比為0～10.0％，通過(guò)分批次加入陶瓷顆粒與一定比例的金屬粉末，進(jìn)行特定工藝的球磨、等離子球化、氣流分級(jí)以及篩分，得到球形度高、流動(dòng)性好、粒度范圍窄的多尺度陶瓷相均勻分布的金屬?gòu)?fù)合粉末。所制備的金屬?gòu)?fù)合材料，性能高，材料不開(kāi)裂；但是在金屬?gòu)?fù)合粉末制備時(shí)，陶瓷顆粒需要少量分批次加入，并且需要多次濕磨與干磨結(jié)合，粉末球磨過(guò)程工藝流程復(fù)雜，球磨時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)由于濕磨混粉過(guò)程中，引入的含有碳?xì)浜脱醯臐衲ソ橘|(zhì)，在后續(xù)干磨及等離子體處理過(guò)程中，不能被完全去除，將在高溫作用下將與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將導(dǎo)致金屬?gòu)?fù)合粉末氧含量大幅增加。而此操作的結(jié)果也將導(dǎo)致最終復(fù)合材料中氧含量增加，材料性能受到不利影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是解決現(xiàn)有的方法制備陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫合金復(fù)合材料球形度差、流動(dòng)性能不佳、氧含量高的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法。該方法制備的納米陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫合金球形微粉球形度好、流動(dòng)性佳、粒度分布均勻、氧含量低。

本發(fā)明的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

一、按質(zhì)量百分比稱取0.5％～5％的納米陶瓷顆粒與95％～99.5％的高溫合金粉末，通過(guò)高能球磨，得到初混粉末；其中所述的納米陶瓷顆粒的粒度為1～150nm；通過(guò)高能球磨使得納米陶瓷顆粒與高溫合金粉末形成較弱的機(jī)械結(jié)合界面，此時(shí)初混粉末為不規(guī)則形狀，球形度不足70％，流動(dòng)性不佳；

二、將初混粉末放入送粉器后，以0.5～2.5kg/h的送粉速率輸送到等離子體球化處理設(shè)備內(nèi)，在功率為15～50kW的等離子體束中進(jìn)行燒結(jié)球化處理，形成球形微粉；

三、將球形微粉收集、篩分，得到納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉。

更進(jìn)一步地，步驟一所述的納米陶瓷顆粒為TiC、WC、SiC、Al 2O 3和Y 2O 3中的一種或幾種的組合納米陶瓷顆粒。

更進(jìn)一步地，步驟一所述的納米陶瓷顆粒的粒度為15～50nm。

更進(jìn)一步地，步驟一所述的高溫合金粉末為鎳基高溫合金粉末；

更進(jìn)一步地，步驟一所述的鎳基高溫合金為GH1015、GH1035、GH1040、GH1131、GH1140、GH2018、GH2036、GH2038、GH2130、GH2132、GH2135、GH2136、GH2302、GH2696、GH3030、GH3039、GH3044、GH3028、GH3128、GH3536、GH605,GH600、GH4033、GH4037、GH4043、GH4049、GH4133、GH4133B、GH4169、GH4145或GH4090。

更進(jìn)一步地，步驟一所述的高溫合金粉末的粒度為10～120μm。

更進(jìn)一步地，步驟一所述的高溫合金粉末的粒度為20～60μm。

更進(jìn)一步地，步驟一所述的高能球磨為干法球磨，具體操作是：將稱取的納米陶瓷顆粒與高溫合金粉末按球料比(1～10)：1放入球磨機(jī)中，通入氬氣進(jìn)行氣氛保護(hù)，在球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為150～400r/min的條件下球磨5～15h，得到初混粉末。

更進(jìn)一步地，步驟二所述的送粉器為盤式送粉器或活塞式送粉器。

更進(jìn)一步地，步驟三所述的篩分采用震動(dòng)篩分，曬網(wǎng)目數(shù)150～800目，篩分時(shí)間15～30min。

本發(fā)明的利用高能球磨與高溫等離子體流相結(jié)合的方法，將高溫合金粉末與納米級(jí)陶瓷顆粒復(fù)合，制備出納米陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫合金球形微粉。這種微粉為球形微粉，微粉粒度5～105μm，球形度95％以上，流動(dòng)性達(dá)18～19.5s/50g，粉末氧含量0.01％～0.02％。納米陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫合金球形微粉中納米陶瓷顆粒為增強(qiáng)相，高溫合金為基體，納米陶瓷與高溫合金形成復(fù)合材料涂層，包覆于高溫合金粉末表面，這可以降低材料的膨脹系數(shù)，利于后續(xù)材料成型中材料組織設(shè)計(jì)及性能提高，同時(shí)，這種涂層結(jié)構(gòu)也大大降低了金屬粉末對(duì)光的反射作用，有利于在增材制造成型中粉末對(duì)激光等能量源的能量吸收。

本發(fā)明的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉具有納米陶瓷顆粒分布均勻、復(fù)合微粉粒徑可控、粒度分布窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等優(yōu)點(diǎn)。制備時(shí)將原料一次性加入到球磨機(jī)中，操作簡(jiǎn)單方便，效率高。本發(fā)明的納米陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫合金球形微粉可以用于增材制造及傳統(tǒng)粉末冶金領(lǐng)域，在高溫合金復(fù)合材料增材制造成型領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1步驟一得到的初混粉末的掃描電鏡照片。

圖2為實(shí)施例1步驟三得到的納米TiC增強(qiáng)GH3536球形微粉的掃描電鏡照片。

圖3為實(shí)施例1步驟三得到的納米TiC增強(qiáng)GH3536球形微粉的表面能譜分析圖。

圖4為實(shí)施例1步驟三得到的納米TiC增強(qiáng)GH3536球形微粉的橫截面能譜分析圖。

圖5為實(shí)施例3步驟三得到的納米TiC增強(qiáng)GH3536球形微粉的掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

用下面的實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果

實(shí)施例1：本實(shí)施例的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

一、按質(zhì)量百分比稱取2％顆粒粒徑50nm的TiC納米陶瓷顆粒與98％的平均粒度53μm的GH3536高溫合金粉末，將稱取的TiC納米陶瓷顆粒與GH3536高溫合金粉末按球料質(zhì)量比5：1放入球磨機(jī)中，通入氬氣進(jìn)行氣氛保護(hù)，在球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下球磨8h，得到初混粉末；初混粉末的掃描電鏡照片如圖1所示，從圖1可以看出，初混粉末為不規(guī)則形狀，球形度不足70％，流動(dòng)性不佳，同時(shí)納米TiC與GH3536為較弱的機(jī)械結(jié)合，界面結(jié)合力弱；

二、將初混粉末放入送粉器后，以1kg/h的送粉速率輸送到等離子體球化處理設(shè)備內(nèi)，在功率為20kW的等離子體束中進(jìn)行燒結(jié)球化處理，形成球形微粉；

三、將球形微粉收集，在氬氣保護(hù)下，用曬網(wǎng)為200目的振動(dòng)篩進(jìn)行篩分處理20min，得到納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉。

本實(shí)施例得到的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉是納米TiC增強(qiáng)GH3536球形微粉，它的掃描電鏡照片如圖2所示，從圖2可以看出在GH3536表面形成一層均勻的TiC/GH3536復(fù)合材料包裹層，同時(shí)納米TiC與GH3536形成牢固的冶金結(jié)合。

本實(shí)施例制備的納米TiC顆粒增強(qiáng)GH3536球形微粉，平均粒度30μm，球形度95.5％，流動(dòng)性18s/50g，粉末氧含量0.016％。

本實(shí)施例制備的納米TiC顆粒增強(qiáng)GH3536球形微粉的表面能譜分析圖如圖3所示，從圖3可以看出，納米TiC與原始GH3536形成Ti/GH3536復(fù)合材料層，均勻分布于基體合金界面，結(jié)合良好。

本實(shí)施例制備的納米TiC顆粒增強(qiáng)GH3536球形微粉的橫截面能譜分析圖如圖4所示，從圖4可以看出，納米TiC增強(qiáng)GH3536球形微粉的內(nèi)部不含有TiC，納米陶瓷與高溫合金形成復(fù)合材料涂層僅包覆于粉末表面，這可以降低材料的膨脹系數(shù)，利于后續(xù)材料成型中材料組織設(shè)計(jì)及性能提高。同時(shí)，這種涂層結(jié)構(gòu)也大大降低了金屬粉末對(duì)光的反射作用，有利于在增材制造成型中粉末對(duì)激光等能量源的能量吸收。

實(shí)施例2：本實(shí)施例的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

一、按質(zhì)量百分比稱取0.5％顆粒粒徑15nm的TiC納米陶瓷顆粒與99.5％的平均粒度25μm的GH4169高溫合金粉末，將稱取的TiC納米陶瓷顆粒與GH4169高溫合金粉末按球料質(zhì)量比5：1放入球磨機(jī)中，通入氬氣進(jìn)行氣氛保護(hù)，在球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下球磨8h，得到初混粉末；通過(guò)高能球磨使得納米陶瓷顆粒與高溫合金粉末形成較弱的機(jī)械結(jié)合界面，界面結(jié)合力弱；形成的初混粉末為不規(guī)則形狀，球形度不足70％，流動(dòng)性不佳。

二、將初混粉末放入送粉器后，以0.5kg/h的送粉速率輸送到等離子體球化處理設(shè)備內(nèi)，在功率為15.5kW的等離子體束中進(jìn)行燒結(jié)球化處理，形成球形微粉；

三、將球形微粉收集，在氬氣保護(hù)下，用曬網(wǎng)為600目的振動(dòng)篩進(jìn)行篩分處理20min，得到納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉。

本實(shí)施例制備的納米TiC顆粒增強(qiáng)GH4169球形微粉，平均粒度14μm，球形度95.8％，流動(dòng)性19.1s/50g，粉末氧含量0.012％。

實(shí)施例3：本實(shí)施例的納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

按質(zhì)量百分比稱取2％顆粒粒徑50nm的TiC納米陶瓷顆粒與98％的平均粒度53μm的GH3536高溫合金粉末，將稱取的TiC納米陶瓷顆粒與GH3536高溫合金粉末按球料質(zhì)量比5：1放入球磨機(jī)中，再加入1,3-丁二醇，其中1,3-丁二醇的加入量為TiC納米陶瓷顆粒與GH3536高溫合金粉末質(zhì)量和的5％；通入氬氣進(jìn)行氣氛保護(hù)，在球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下球磨8h，得到初混粉末；

二、將初混粉末放入送粉器后，以1kg/h的送粉速率輸送到等離子體球化處理設(shè)備內(nèi)，在功率為20kW的等離子體束中進(jìn)行燒結(jié)球化處理，形成球形微粉；

三、將球形微粉收集，在氬氣保護(hù)下，用曬網(wǎng)為200目的振動(dòng)篩進(jìn)行篩分處理20min，得到納米陶瓷增強(qiáng)高溫合金球形微粉。

本實(shí)施例制備的納米TiC顆粒增強(qiáng)GH3536球形微粉的掃描電鏡照片如圖5所示，該微粉的平均粒度30μm，球形度90％，流動(dòng)性20.1s/50g，粉末氧含量0.311％。相對(duì)來(lái)比，濕法球磨由于引入含氧介質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致最終制備的球形微粉氧含量大幅升高，會(huì)降低實(shí)際應(yīng)用時(shí)材料的力學(xué)性能。

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