CN107262729A - 一种增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法 - Google Patents

一种增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，该方法采用金属粉末与增强相粉末进行机械混合后，通过粉末冶金技术进行成型并烧结制成复合棒材，复合棒材利用无坩埚熔炼气雾化技术制得增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料，该方法制备的复合粉末杂质少、强化相均匀分布、粉末为球形或近球形，具有优异的流动性和高松装密度，将其作为粉末冶金、注射成型、3D打印等技术的原材料，具有独特的优势与不可替代性，能获得综合性能优异的器件。

Description

一种增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的 制备方法
技术领域
本发明涉及金属粉体材料的制备，特别涉及一种具有球形或近球形形状的增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合粉体材料的制备方法，属于粉末冶金技术领域。
背景技术
金属基复合材料与传统金属材料相比，可克服单一材料的某些局限，实现协同效应，具有更高的比强度、比模量和耐热性等优点。由于增强颗粒具有来源广泛、价格低廉和制备工艺相对简单等优点，因此颗粒增强金属基复合材料的使用最为广泛，被应用于航空航天、军事国防以及核工业等领域。目前已获得工业应用的颗粒增强金属复合材料有碳化钛增强钛合金，碳化硅增强铝合金等。
颗粒增强金属基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、铸造法和原位复合法等。近年来，增材制造技术成为制备复合材料的研究热点。金属增材制造技术是基于分层制造原理，通过逐层制备，累积叠加成型样品，具有可成型复杂零部件、设计到生产周期短和无需模具等独特优点。众所周知，金属增材制造技术均需粉末具有一定的流动性，以保证送粉/铺粉均匀性以及铺装粉层的高密度。当采用混合粉末作为原料时，因金属粉末与增强相粉末粒径与密度相差较大而产生分层等不均匀现象，导致增强相分布不均或增强相加入量无法准确调控，并且增强相颗粒形状一般为不规则状，且粒度细小，会导致混合粉末的流动性较差。
中国专利CN105583401A公开了一种用于3D打印的复合粉末的制备方法、产品及应用，将金属粉末与陶瓷粉末进行高能球磨，利用高能球磨将增强相与基体金属混合均匀，从而制备复合粉末，可用于金属增材制造。尽管这一方法可以得到混合均匀的复合粉末，但高能球磨将改变粉末的形貌，得不到球形粉末，因而粉末的流动性会丧失，而且高能球磨还会引入球磨介质的污染，粉末的纯度得不到保证。中国专利CN106363185A公开了另一种用于复合粉末及其块体材料的粉末冶金制备方法，将纳米相粉末、金属粉末先经长时间的低速球磨使金属粉末片化，并同时使纳米相均匀分散于片化金属粉末的表面或内部，获得纳米相/金属片状复合粉末；再经短时高速球磨，使纳米相/金属片状复合粉末焊合，得到纳米相/金属颗粒状复合粉末；该方法虽然可以通过调整球磨速度解决纳米相在金属基体中的均匀分散和界面结合问题，但是其无法获得流动性好的球形粉末。因此，现有技术制备的复合粉末均为不规则形状，流动性差，且极易引入碎屑杂质，影响纯度。
现有的气雾化技术主要用来制备金属粉末材料，且可以在一定的条件下制备球形或近球形的金属粉末材料，具有优异的流动性和高的松装密度，非常适合用于增材制造的要求。而现有的气体雾化在制备金属粉末时存在的最大难题是，在将金属熔化后倒入中间包并经导流管将金属液体引入雾化腔的过程中，由于陶瓷增强相与金属液体的润湿性比较差，将增强颗粒直接添加于金属熔体里面，增强相会聚集并浮于熔体的表面，无法实现增强相在金属基材料中的均匀分布；同时，这样的复合熔体的粘度会增加很多，也难以实现气体雾化对金属熔体流动性的要求，因此采用常规的气体雾化难以制备增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合粉体材料。
综上所述，现有技术中制备的颗粒增强金属基复合粉体材料无法兼具流动性好、纯度高和增强相均匀分布等优点。
发明内容
针对现有的颗粒增强金属基复合粉体材料存在流动性差、纯度低等问题，而现有的气雾化技术难以制备增强相均匀分布的金属基复合粉末的缺陷，本发明的目的是在于提供一种增强相均匀分布于单个金属粉体中，且形貌为标准球形或近球形，具有良好流动性的高纯颗粒增强金属基复合粉体材料的制备方法，克服了现有的高能球磨粉末流动性差、易引入杂质污染和常规气体雾化无法制备增强相均匀分布的金属基复合粉末的技术难题。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，该方法是将金属粉末与增强相粉末采用V型混料机或低能球磨混合后，通过粉末冶金法成型和烧结制备复合棒材；所述复合棒材利用无坩埚感应熔炼气体雾化设备制备颗粒增强金属基复合球形粉体材料；所述无坩埚感应熔炼气体雾化设备的进料速度为10mm/min～160mm/min，雾化压力为1.0MPa～10.0MPa，雾化介质为氩气、氦气、氢气或氮气。
较优选的方案，所述金属粉末包括铁基、镍基、铝基、铜基、钛基中的一种或两种以上的元素粉末或合金粉末。
优选的方案，增强相粉末为增强相粉末与金属粉末总质量的20％以内；更优选为5％以内。
优选的方案，所述无坩埚感应熔炼气体雾化设备的进料速度为20mm/min～100mm/min，雾化压力为2.0MPa～8.0MPa。
进一步优选的方案，所述金属粉末的粒径为1～500μm。
较优选的方案，所述增强相粉末包括TiC、Al2O3、WC、SiC、TiN中的至少一种，或C和/或B4C，其中，C和B4C主要是通过与金属元素反应生成增强相。
进一步优选的方案，所述增强相粉末的粒径为1nm～10μm。
优选的方案，在V型混料机或低能球磨混合过程中为了防止发生氧化，可以在混料装置中充入保护气体，如惰性气体等。
优选的方案，所述粉末冶金法包括热压、模压-烧结、冷等静压-烧结或热等静压。
较优选的方案，为了达到较佳的电极感应要求，复合棒材的相对密度(实际密度与理论密度的比值)最好是达到95％以上。
优选的方案，所述复合棒材的直径为30～150mm。
优选的方案，制备的颗粒增强金属基复合球形粉体材料按照应用需求，采用常规的方法进行分级(如筛分法或气流分级)，选取所需的粒径范围粉末即可用于粉末冶金技术和3D打印技术制备复合材料。
现有的颗粒增强金属基复合粉体材料存在流动性差、杂质含量高的问题，而现有的气雾化技术虽然可以制备流动性好的金属粉体材料，但是存在难以制备增强相均匀分布的金属基增强相复合粉末的缺陷。本发明首次提出采用简单机械混合+粉末冶金法成型+无坩埚感应熔炼气体雾化技术制备粉体的组合工艺，成功制备出增强相均匀分布，且流动性好，纯度高的颗粒增强金属基复合粉体材料。首先通过V型混料机或者采用低能球磨等简单的机械混合工艺可以实现粉末原料的混合，且可以避免高能球磨混合过程中粉料污染。在此基础上，采用常规的粉末冶金法如粉末冷压或热压等技术将混合粉末成形并烧结为复合棒材，克服常规熔炼导致增强相分离或分布不均匀的缺点。本发明进一步采用无坩埚感应熔炼气体雾化技术进行雾化制粉，通过采用无坩埚感应熔炼气体雾化设备，由于其没有中间包和导流管，可实现高粘度金属熔体制备粉体材料，能有效避免在复合粉体原料在熔融过程中增强相在熔融金属基体中析出，从而获得增强颗粒分布均匀，形状呈球形和近球形，具有良好的流动性和高的松装密度的，非常适用于粉末冶金和3D打印增材制造用原料。
本发明采用的无坩埚电极感应熔炼气体雾化设备为现有技术中已知的设备。如中国专利(公开号CN106424748A)。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
1、本发明制备的颗粒增强金属基复合球形粉体材料为标准球形或近球形，具有流动性好，松装密度优异的特点，且制备过程杂质引入量低，能保证粉体材料的高纯度特点，同时，增强相均匀分布在金属基体中，有利于获得高性能复合材料，非常适用于粉末冶金和3D打印增材制造用原料。
2、本发明制备的颗粒增强金属基复合球形粉末，从根本上解决了目前3D打印金属基复合材料的原料为混合粉末存在的流动性差、纯度低和增强相无法精确调控的技术问题。同时，以本发明制备的粉末为原料，可在常规3D打印机上成型金属基复合材料，提高了常规3D打印设备的普适性。
3、本发明制备颗粒增强金属基复合球形粉体材料的过程中无需高能球磨，可减少混合粉末中的杂质引入，同时采用无坩埚熔炼气雾化技术，避免金属液与坩埚的接触，制备的粉末纯度更高。
4、本发明制备颗粒增强金属基复合球形粉体材料的过程中对金属基体材料及增强颗粒的种类及配比可选择性强，材料可设计性强。
5、本发明制备颗粒增强金属基复合球形粉体材料的工艺简单，设备成熟，可用于工业化大批量生产。
附图说明
【图1】为本发明制备球形金属基复合粉末的工艺流程图。
【图2】为无坩埚熔炼气雾化设备原理图。
【图3】为本发明制备的球形Ti6Al4V/TiC复合粉末形貌。
【图4】为本发明制备的球形Ti6Al4V/TiC复合粉末中TiC的分布图。
具体实施方式
下面通过结合实施例对本发明做进一步的说明。本实施例只用于对本发明的说明，并不限制对本发明的保护范围。
实施例1
用于制备钛合金复合粉末
选用粒径为10μm～150μm的气雾化Ti6Al4V粉末与粒径为1.5μm的TiC粉末，按照以下质量百分比进行配料：95wt.％的Ti6Al4V合金粉末，5wt.％的TiC。将按照上述配方称取的粉末置于V型混料机，为防止混料过程中粉末发生氧化，将混料罐密封后抽真空，再充入氩气。混料转速为100rad/min，时间为2h。将混合粉末放入直径为35mm石墨热压模具中，为防止石墨模具中炭的污染，在模具内壁涂覆BN润滑剂。烧结温度为1100℃，压力为16MPa，保温时间1h，烧结气氛为氩气保护。将烧结结束后的复合棒材一端机加工为70°的锥角，表面用砂纸进行打磨。采用无坩埚感应熔炼气雾化设备，氩气为雾化气体，控制进料速度为20～40mm/min，雾化压力3.5～8.0MPa，可制得强化相TiC均匀分布的复合粉末。采用扫描电子显微镜对粉末进行球形度观察，粉末为球形或近球形。
实施例2
用于制备钛基复合粉末
选用粒径为10μm～60μm的不规则状纯Ti粉末与粒径为400nm的B4C粉末，按照以下质量百分比进行配料：98wt.％的Ti粉末，2wt.％的B4C。将按照上述配方称取的粉末置于球磨罐，球料比为1:1，所用研磨球材质为201不锈钢。为防止混料过程中粉末发生氧化，将球磨罐密封后抽真空，再充入氩气。球磨转速为250rad/min，球磨时间为4h。将混合粉末放入直径为50mm的橡胶包套，于冷等静压设备中进行成型，成型压力为250MPa。将冷等静压后的压坯于真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1400℃，保温时间2h。将烧结结束后的复合棒材一端机加工为60°的锥角，表面用砂纸进行打磨。采用无坩埚感应熔炼气雾化设备，(如果是自主研发，一定要)氩气为雾化气体，控制进料速度为25～35mm/min，雾化压力3.5～6.0MPa，可制得强化相TiC和TiB均匀分布的复合粉末。采用扫描电子显微镜对粉末进行球形度观察，粉末为球形或近球形。
实施例3
用于制备铝合金复合粉末
选用粒径为10μm～150μm的气雾化AlSi10Mg粉末与粒径为2.0μm的AlN粉末，按照以下质量百分比进行配料：96wt.％的AlSi10Mg合金粉末，4wt.％的AlN。将按照上述配方称取的粉末置于球磨罐，球料比为2:1，所用研磨球材质为刚玉(Al2O3)。为防止混料过程中粉末发生氧化，将球磨罐密封后抽真空，再充入氩气。低能球磨转速为150rad/min，球磨时间为1h。将混合粉末放入直径为45mm石墨热压模具中。烧结温度为610℃，压力为12MPa，保温时间1.5h，烧结气氛为氩气保护。将烧结结束后的复合棒材一端机加工为120°的锥角，表面用砂纸进行打磨。采用无坩埚感应熔炼气雾化设备，氮气为雾化气体，控制进料速度为30～50mm/min，雾化压力2.0～4.0MPa，可制得强化相AlN均匀分布的复合粉末。采用扫描电子显微镜对粉末进行球形度观察，粉末为球形或近球形。

Claims (8)

1.一种增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，其特征在于：将金属粉末与增强相粉末采用V型混料机或低能球磨混合后，通过粉末冶金法成型和烧结制备复合棒材；所述复合棒材利用无坩埚感应熔炼气体雾化设备制备颗粒增强金属基复合球形粉体材料；所述无坩埚感应熔炼气体雾化设备的进料速度为10mm/min～160mm/min，雾化压力为1.0MPa～10.0MPa，雾化介质为氩气、氦气、氢气或氮气。
2.根据权利要求1所述的增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，其特征在于：所述金属粉末包括铁基、镍基、铝基、铜基、钛基中的一种或两种以上的元素粉末或合金粉末。
3.根据权利要求2所述的增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，其特征在于：所述金属粉末的粒径为1～500μm。
4.根据权利要求1所述的增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，其特征在于：所述增强相粉末包括TiC、Al2O3、WC、SiC、TiN粉末中的至少一种，或可与基体金属元素反应生成增强相的C和/或B4C粉末。
5.根据权利要求1～4任一项所述的增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，其特征在于：所述增强相粉末的粒径为1nm～10μm。
6.根据权利要求1～4任一项所述的增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，其特征在于：所述粉末冶金法包括热压、模压-烧结、冷等静压-烧结或热等静压。
7.根据权利要求1～4任一项所述的增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，其特征在于：混合粉末经成型和烧结后的复合棒材相对密度为95％以上。
8.根据权利要求1～4任一项所述的增强相均匀分布的颗粒增强金属基复合球形粉体材料的制备方法，其特征在于：所述复合棒材的直径为30～150mm。
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