CN103008650A - 碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉及其制备方法。该微纳粉由质量百分比为0.5～1.5%纳米碳黑粉和98.5～99.5%微米金属粉组成，两种组分之和为100%；纳米碳黑粉以镶嵌、粘附或化学键结合中的一种或几种包覆于微米金属粉表面，形成一种以微米金属粉为核、纳米碳黑粉为壳的核壳结构微纳粉；该微纳粉的制备过程，主要包括纳米碳黑悬浮液的制备、微米金属粉的球形化预处理、纳米碳黑悬浮液和预处理后微米金属粉的球磨复合和球磨复合后微纳粉浆料的干燥。本发明所述碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，不仅对激光具有很好的吸收率，而且可满足目前激光成形主流技术--直接送粉式激光成形技术输送粉体的要求，同时所再制造的薄壁件无论是在控形方面还是在控性方面均具有很好的品质。

Description

碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属基微纳粉及其制备方法，尤其是一种激光再制造用金属基微纳粉及其制备方法，具体地说是一种碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉及其制备方法。

背景技术

2010年5月13日，国家***、科技部、工信部等11部委联合发文部署推进再制造产业的发展，将发展再制造工程提升为实现我国可持续发展战略的一项基本国策。作为在我国率先倡导、积极推动再制造工程的中国工程院院士徐滨士教授在其《再制造工程基础及其应用》一书中明确指出：再制造工程发展的核心在于再制造关键技术的发展，而再制造关键技术发展的重心则在于面向高成品附加值对象的再制造关键技术理论和方法的突破。以“严（性能严）、精（精度高）、薄（结构薄）”为特征的薄壁件，就是一类具有极高成品附加值的再制造对象。

相对于其他再制造技术而言，激光再制造技术具有众多优点如再制造界面为冶金结合、组织细小、成分可控、热影响较小等，再加上激光加工的高柔性、高效率、低污染及易于实现计算机控制等光加工特点，使之成为一项备受关注的薄壁件再制造关键技术之一。然而，现有激光再制造用粉多采用微米金属粉，熔烧微米金属粉需要较大的激光能量，造成对基体尤其是再制造对象为薄壁件时的热输入偏大，进而导致薄壁件变形较大、再制造区组织恶化、性能下降等，甚至失去再制造的价值。可见，提高激光再制造用粉对激光的吸收率，是实现解决上述问题的一个重要途径。

近年来，一种构建介观（微纳米级）新物质的技术---微纳米颗粒复合技术，引起了国内外专家学者的重视。微纳米颗粒复合技术，是将纳米颗粒包覆于微米颗粒表面或使其弥散分布在微米颗粒中制备具有微纳协同多功能效应微纳复合粉体的技术。从2006年开始，以王宏宇等为代表的国内外专家学者将微纳粉引入激光再制造技术领域。比如，2007年，王宏宇等公开了一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法(ZL 200710024996.X)，其核心思想是“以纳米悬浮液作为球磨介质引入纳米粉体，基于湿法球磨制备微纳复合粉体”，较好地解决了纳米粉体易团聚造成微纳复合粉体中纳米颗粒的分散性差、进而引起微纳复合粉体实际使用效果不好的问题；2012年，王宏宇等又进一步提出通过“微米原粉球形化预处理+球磨复合过程中附加搅拌”的工艺措施，进一步改善了微纳粉的复合效果及输送性能（申请号：201210 227702.4）。然而，王宏宇等的研究其目的在于通过引入纳米粉体的纳米效应来改善材料表面激光熔覆改性层的组织和服役性能如高温防护性能等，并未充分考虑提高其对激光的吸收率进而降低激光成形过程中对基体的热输入这一问题。尽管纳米效应中的表面效应会一定程度地提高粉体对激光的吸收率，但距离薄壁件再制造的要求尚存在不小的差距。

因此，到目前为止，尚未有一种激光再制造薄壁件用高吸光性粉体材料可供使用，极大地限制了激光再制造技术在再制造高成品附加值薄壁件方面的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有激光再制造用粉对激光的吸收率不高、进而导致激光再制造技术在薄壁件再制造过程中存在诸多局限性的问题，将具有优异光谱吸收性能的纳米碳黑粉引入微米金属粉中，发明一种碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉及其制备方法，通过充分发挥黑色物质的强吸光性和纳米材料的表面效应，实现提高激光再制造用粉体的激光吸收率，进而突破现有激光再制造技术在薄壁件再制造中所存在的诸多局限性。

本发明的技术方案之一是：

一种碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，其特征是：它由质量百分比为0.5~1.5%纳米碳黑粉和98.5~99.5%微米金属粉组成，两种组分之和为100%；纳米碳黑粉以镶嵌、粘附或化学键结合中的一种或几种包覆于微米金属粉表面，形成一种以微米金属粉为核、纳米碳黑粉为壳的核壳结构微纳粉。

所述纳米碳黑粉的平均粒径为14~28nm，所述的微米金属粉平均粒径为50~75μm。

所述纳米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003标准检测的着色强度不低于100%。

所述的微米金属粉为与激光融覆用微米金属粉中的铝基、镍基、铁基或钛基金属粉。

本发明的技术方案之二是：

一种碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉的制备方法，其特征是它主要包括如下步骤：

首先，将市购纳米碳黑粉分散在乙醇或乙醇与水的混合介质中，制成分散稳定的纳米碳黑悬浮液；

其次，将市购微米金属原粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米金属粉；

再次，按照所需配比称量纳米碳黑悬浮液和预处理后的微米金属粉，将两者混合后进行球磨复合，获得纳米碳黑和微米金属复合的微纳粉浆料；

最后，将纳米碳黑和微米金属复合的微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉。

所述球磨复合参数为球磨转速为100-300转/分钟、球料比5:1-10:1、球磨时间为0.5-1.5小时。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉对激光具有很好的吸收性。例如，在其他激光再制造参数不变的情况下，采用本发明所述微纳粉获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度较同体系微米粉可提高50%及以上；换言之，由于激光作用时间的大幅缩短，其对基体的热输入将大幅下降。

（2）本发明所述碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉具有典型的核壳结构，纳米碳黑粉以镶嵌、粘附或化学键结合中的一种或几种包覆于微米金属粉表面，微纳粉中不存在其他细微颗粒，可满足目前激光成形主流技术--直接送粉式激光成形技术输送粉体的要求，具有很强的工程实用性和很好的应用前景。

（3）本发明从提高激光再制造薄壁件用粉对激光的吸收率角度，实现突破现有激光再制造技术在薄壁件再制造中所存在的热输入偏大等诸多局限性，有助于推动再制造关键技术之一的激光再制造技术的发展，从而为实现我国可持续发展战略提供技术支持。

（4）采用本发明所述碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉所再制造的薄壁件变形小、热影响区窄、组织致密、且部分地打断了激光高能快冷所形成的枝晶组织，具有较微米粉再制造更好的力学性能。

附图说明

图1 是本发明所述微纳粉低倍SEM形貌。

图2 是本发明所述微纳粉表面高倍SEM形貌。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图1、2所示。

    一种碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，它由质量百分比为0.5~1.5%纳米碳黑粉和98.5~99.5%微米金属粉组成，两种组分之和为100%；纳米碳黑粉以镶嵌、粘附或化学键结合中的一种或几种包覆于微米金属粉表面，形成一种以微米金属粉为核、纳米碳黑粉为壳的核壳结构微纳粉。它可采用以下方法步骤制备而成：

首先，从市场购置普通袋装纳米碳黑粉体进行干法球磨预处理，以打破其中原有大团聚体颗粒，从而保证碳黑粉体在乙醇或醇水混合溶液中具有良好分散性；所购纳米碳黑粉的平均粒径为14~28nm且按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003标准检测的着色强度不低于100%；

其次，按照碳黑粉体占以乙醇或醇水混合溶液为介质的碳黑浆料质量分数的0.05%~0.15%称取纳米碳黑粉，加入乙醇或醇水混合溶液（醇水混合溶液中乙醇占混合溶液体积的30~70%），将两者混合并搅拌至得到无明显固液分层的碳黑浆料半成品；

第三，将搅拌后的碳黑浆料半成品置于超声设备中进行恒温超声分散，控制恒温温度为20±5℃，分散时间为30~60分钟，即可得到分散稳定的纳米碳黑悬浮液成品；

第四，从市场购置微米金属原粉，并对所购的微米金属原粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米金属粉；微米金属粉平均粒径为50~75μm，微米金属粉可为铝基、镍基、铁基和钛基金属粉；

第五，按核壳结构微纳粉中纳米碳黑质量百分比为0.5~1.5%的比例称量纳米碳黑悬浮液（可按常规计算方法进行质量换算后获取悬浮液的容积）和质量分数为98.5~99.5%的比例称量预处理后的微米金属粉，将两者混合后进行球磨复合，球磨复合参数为球磨转速为100-300转/分钟、球料比5:1-10:1、球磨时间为0.5-1.5小时；获得纳米碳黑和微米金属复合的微纳粉浆料；

最后，将纳米碳黑和微米金属复合的微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉；纳米碳黑粉呈高分散性特征包覆于微米金属颗粒表面，形成本发明所述的核壳结构。

    实例一。

本实施例所用材料：纳米碳黑粉的平均粒径为14nm，着色强度为140%，质量分数为1%；微米金属粉为Al-Si合金粉，平均粒径为50μm，质量分数为99%；采用上述方法步骤制备碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，其球磨复合参数为球磨转速为200转/分钟、球料比10:1、球磨时间为1小时。

经扫描电镜观察，所制备的微纳粉保持微米粉的球状特征（图1），其表面上包覆有大量呈高分散性特征的纳米碳黑粉（图2），形成本发明所述的核壳结构。采用该微纳粉进行激光焊接再制造存在贯穿性裂纹的0.6mm厚薄壁件，在其他工艺参数不变的情况，获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度为3mm/s，而采用同体系微米粉的则仅为2mm/s；可见，本发明所述微纳粉具有较同体系微米粉更好的吸光性。采用该微纳粉所再制造薄壁件变形很小、热影响区宽度仅为采用同体系微米粉的50%左右。

    实例二。

本实施例所用材料：纳米碳黑粉平均粒径为28nm，着色强度为100%，质量分数为1.5%；微米金属粉为Ni60合金粉，平均粒径为75μm，质量分数为98.5%；采用上述方法步骤制备碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，其球磨复合参数为球磨转速为300转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1.5小时，所制备的微纳粉具有本发明所述的核壳结构特征，其实际使用效果也达到了本发明所述目的。

实例三。

本实施例所用材料：纳米碳黑粉平均粒径为22nm，着色强度为125%，质量分数为0.5%；微米金属粉为铁基F103合金粉，平均粒径为60μm，质量分数为99.5%；采用上述方法步骤制备碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，其球磨复合参数为球磨转速为100转/分钟、球料比8:1、球磨时间为0.5小时，所制备的微纳粉具有本发明所述的核壳结构特征，其实际使用效果也达到了本发明所述目的。

上述仅列出几种常见的碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，本领域的技术人员可根据再制造薄壁件材料选用不同的微米金属粉，再按照本发明所述配比及制备方法，均可获得理想的适合于不同材料薄壁件激光再制造用碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，其特征是：它由质量百分比为0.5~1.5%纳米碳黑粉和98.5~99.5%微米金属粉组成，两种组分之和为100%；纳米碳黑粉以镶嵌、粘附或化学键结合中的一种或几种包覆于微米金属粉表面，形成一种以微米金属粉为核、纳米碳黑粉为壳的核壳结构微纳粉。

2.根据权利要求1所述的碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，其特征是所述的纳米碳黑粉的平均粒径为14~28nm，所述的微米金属粉平均粒径为50~75μm。

3.根据权利要求1所述的碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，其特征是所述的纳米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T7046-2003标准检测的着色强度不低于100%。

4.根据权利要求1所述的碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉，其特征是所述的微米金属粉为铝基、镍基、铁基和钛基金属粉。

5.一种碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉的制备方法，其特征是它主要包括如下步骤：

首先，将市购纳米碳黑粉分散在乙醇或乙醇与水的混合介质中，制成分散稳定的纳米碳黑悬浮液；

其次，将市购微米金属原粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米金属粉；

再次，按照所需配比称量纳米碳黑悬浮液和预处理后的微米金属粉，将两者混合后进行球磨复合，获得纳米碳黑和微米金属复合的微纳粉浆料；

最后，将纳米碳黑和微米金属复合的微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得碳黑增强的高吸光性金属基微纳粉。

6.根据权利要求5所述球磨复合参数为球磨转速为100-300转/分钟、球料比5:1-10:1、球磨时间为0.5-1.5小时。

Images