本發(fā)明涉及金屬粉體材料的制備，特別涉及一種具有球形或近球形形狀的增強相均勻分布的顆粒增強金屬基復合粉體材料的制備方法，屬于粉末冶金技術領域。

背景技術：

金屬基復合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，可克服單一材料的某些局限，實現(xiàn)協(xié)同效應，具有更高的比強度、比模量和耐熱性等優(yōu)點。由于增強顆粒具有來源廣泛、價格低廉和制備工藝相對簡單等優(yōu)點，因此顆粒增強金屬基復合材料的使用最為廣泛，被應用于航空航天、軍事國防以及核工業(yè)等領域。目前已獲得工業(yè)應用的顆粒增強金屬復合材料有碳化鈦增強鈦合金，碳化硅增強鋁合金等。

顆粒增強金屬基復合材料的制備方法主要有粉末冶金法、鑄造法和原位復合法等。近年來，增材制造技術成為制備復合材料的研究熱點。金屬增材制造技術是基于分層制造原理，通過逐層制備，累積疊加成型樣品，具有可成型復雜零部件、設計到生產(chǎn)周期短和無需模具等獨特優(yōu)點。眾所周知，金屬增材制造技術均需粉末具有一定的流動性，以保證送粉/鋪粉均勻性以及鋪裝粉層的高密度。當采用混合粉末作為原料時，因金屬粉末與增強相粉末粒徑與密度相差較大而產(chǎn)生分層等不均勻現(xiàn)象，導致增強相分布不均或增強相加入量無法準確調控，并且增強相顆粒形狀一般為不規(guī)則狀，且粒度細小，會導致混合粉末的流動性較差。

中國專利cn105583401a公開了一種用于3d打印的復合粉末的制備方法、產(chǎn)品及應用，將金屬粉末與陶瓷粉末進行高能球磨，利用高能球磨將增強相與基體金屬混合均勻，從而制備復合粉末，可用于金屬增材制造。盡管這一方法可以得到混合均勻的復合粉末，但高能球磨將改變粉末的形貌，得不到球形粉末，因而粉末的流動性會喪失，而且高能球磨還會引入球磨介質的污染，粉末的純度得不到保證。中國專利cn106363185a公開了另一種用于復合粉末及其塊體材料的粉末冶金制備方法，將納米相粉末、金屬粉末先經(jīng)長時間的低速球磨使金屬粉末片化，并同時使納米相均勻分散于片化金屬粉末的表面或內部，獲得納米相/金屬片狀復合粉末；再經(jīng)短時高速球磨，使納米相/金屬片狀復合粉末焊合，得到納米相/金屬顆粒狀復合粉末；該方法雖然可以通過調整球磨速度解決納米相在金屬基體中的均勻分散和界面結合問題，但是其無法獲得流動性好的球形粉末。因此，現(xiàn)有技術制備的復合粉末均為不規(guī)則形狀，流動性差，且極易引入碎屑雜質，影響純度。

現(xiàn)有的氣霧化技術主要用來制備金屬粉末材料，且可以在一定的條件下制備球形或近球形的金屬粉末材料，具有優(yōu)異的流動性和高的松裝密度，非常適合用于增材制造的要求。而現(xiàn)有的氣體霧化在制備金屬粉末時存在的最大難題是，在將金屬熔化后倒入中間包并經(jīng)導流管將金屬液體引入霧化腔的過程中，由于陶瓷增強相與金屬液體的潤濕性比較差，將增強顆粒直接添加于金屬熔體里面，增強相會聚集并浮于熔體的表面，無法實現(xiàn)增強相在金屬基材料中的均勻分布；同時，這樣的復合熔體的粘度會增加很多，也難以實現(xiàn)氣體霧化對金屬熔體流動性的要求，因此采用常規(guī)的氣體霧化難以制備增強相均勻分布的顆粒增強金屬基復合粉體材料。

綜上所述，現(xiàn)有技術中制備的顆粒增強金屬基復合粉體材料無法兼具流動性好、純度高和增強相均勻分布等優(yōu)點。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的顆粒增強金屬基復合粉體材料存在流動性差、純度低等問題，而現(xiàn)有的氣霧化技術難以制備增強相均勻分布的金屬基復合粉末的缺陷，本發(fā)明的目的是在于提供一種增強相均勻分布于單個金屬粉體中，且形貌為標準球形或近球形，具有良好流動性的高純顆粒增強金屬基復合粉體材料的制備方法，克服了現(xiàn)有的高能球磨粉末流動性差、易引入雜質污染和常規(guī)氣體霧化無法制備增強相均勻分布的金屬基復合粉末的技術難題。

為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明提供了一種增強相均勻分布的顆粒增強金屬基復合球形粉體材料的制備方法，該方法是將金屬粉末與增強相粉末采用v型混料機或低能球磨混合后，通過粉末冶金法成型和燒結制備復合棒材；所述復合棒材利用無坩堝感應熔煉氣體霧化設備制備顆粒增強金屬基復合球形粉體材料；所述無坩堝感應熔煉氣體霧化設備的進料速度為10mm/min～160mm/min，霧化壓力為1.0mpa～10.0mpa，霧化介質為氬氣、氦氣、氫氣或氮氣。

較優(yōu)選的方案，所述金屬粉末包括鐵基、鎳基、鋁基、銅基、鈦基中的一種或兩種以上的元素粉末或合金粉末。

優(yōu)選的方案，增強相粉末為增強相粉末與金屬粉末總質量的20％以內；更優(yōu)選為5％以內。

優(yōu)選的方案，所述無坩堝感應熔煉氣體霧化設備的進料速度為20mm/min～100mm/min，霧化壓力為2.0mpa～8.0mpa。

進一步優(yōu)選的方案，所述金屬粉末的粒徑為1～500μm。

較優(yōu)選的方案，所述增強相粉末包括tic、al2o3、wc、sic、tin中的至少一種，或c和/或b4c，其中，c和b4c主要是通過與金屬元素反應生成增強相。

進一步優(yōu)選的方案，所述增強相粉末的粒徑為1nm～10μm。

優(yōu)選的方案，在v型混料機或低能球磨混合過程中為了防止發(fā)生氧化，可以在混料裝置中充入保護氣體，如惰性氣體等。

優(yōu)選的方案，所述粉末冶金法包括熱壓、模壓-燒結、冷等靜壓-燒結或熱等靜壓。

較優(yōu)選的方案，為了達到較佳的電極感應要求，復合棒材的相對密度(實際密度與理論密度的比值)最好是達到95％以上。

優(yōu)選的方案，所述復合棒材的直徑為30～150mm。

優(yōu)選的方案，制備的顆粒增強金屬基復合球形粉體材料按照應用需求，采用常規(guī)的方法進行分級(如篩分法或氣流分級)，選取所需的粒徑范圍粉末即可用于粉末冶金技術和3d打印技術制備復合材料。

現(xiàn)有的顆粒增強金屬基復合粉體材料存在流動性差、雜質含量高的問題，而現(xiàn)有的氣霧化技術雖然可以制備流動性好的金屬粉體材料，但是存在難以制備增強相均勻分布的金屬基增強相復合粉末的缺陷。本發(fā)明首次提出采用簡單機械混合+粉末冶金法成型+無坩堝感應熔煉氣體霧化技術制備粉體的組合工藝，成功制備出增強相均勻分布，且流動性好，純度高的顆粒增強金屬基復合粉體材料。首先通過v型混料機或者采用低能球磨等簡單的機械混合工藝可以實現(xiàn)粉末原料的混合，且可以避免高能球磨混合過程中粉料污染。在此基礎上，采用常規(guī)的粉末冶金法如粉末冷壓或熱壓等技術將混合粉末成形并燒結為復合棒材，克服常規(guī)熔煉導致增強相分離或分布不均勻的缺點。本發(fā)明進一步采用無坩堝感應熔煉氣體霧化技術進行霧化制粉，通過采用無坩堝感應熔煉氣體霧化設備，由于其沒有中間包和導流管，可實現(xiàn)高粘度金屬熔體制備粉體材料，能有效避免在復合粉體原料在熔融過程中增強相在熔融金屬基體中析出，從而獲得增強顆粒分布均勻，形狀呈球形和近球形，具有良好的流動性和高的松裝密度的，非常適用于粉末冶金和3d打印增材制造用原料。

本發(fā)明采用的無坩堝電極感應熔煉氣體霧化設備為現(xiàn)有技術中已知的設備。如中國專利(公開號cn106424748a)。

相對現(xiàn)有技術，本發(fā)明的技術方案帶來的有益技術效果：

1、本發(fā)明制備的顆粒增強金屬基復合球形粉體材料為標準球形或近球形，具有流動性好，松裝密度優(yōu)異的特點，且制備過程雜質引入量低，能保證粉體材料的高純度特點，同時，增強相均勻分布在金屬基體中，有利于獲得高性能復合材料，非常適用于粉末冶金和3d打印增材制造用原料。

2、本發(fā)明制備的顆粒增強金屬基復合球形粉末，從根本上解決了目前3d打印金屬基復合材料的原料為混合粉末存在的流動性差、純度低和增強相無法精確調控的技術問題。同時，以本發(fā)明制備的粉末為原料，可在常規(guī)3d打印機上成型金屬基復合材料，提高了常規(guī)3d打印設備的普適性。

3、本發(fā)明制備顆粒增強金屬基復合球形粉體材料的過程中無需高能球磨，可減少混合粉末中的雜質引入，同時采用無坩堝熔煉氣霧化技術，避免金屬液與坩堝的接觸，制備的粉末純度更高。

4、本發(fā)明制備顆粒增強金屬基復合球形粉體材料的過程中對金屬基體材料及增強顆粒的種類及配比可選擇性強，材料可設計性強。

5、本發(fā)明制備顆粒增強金屬基復合球形粉體材料的工藝簡單，設備成熟，可用于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

附圖說明

【圖1】為本發(fā)明制備球形金屬基復合粉末的工藝流程圖。

【圖2】為無坩堝熔煉氣霧化設備原理圖。

【圖3】為本發(fā)明制備的球形ti6al4v/tic復合粉末形貌。

【圖4】為本發(fā)明制備的球形ti6al4v/tic復合粉末中tic的分布圖。

具體實施方式

下面通過結合實施例對本發(fā)明做進一步的說明。本實施例只用于對本發(fā)明的說明，并不限制對本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

用于制備鈦合金復合粉末

選用粒徑為10μm～150μm的氣霧化ti6al4v粉末與粒徑為1.5μm的tic粉末，按照以下質量百分比進行配料：95wt.％的ti6al4v合金粉末，5wt.％的tic。將按照上述配方稱取的粉末置于v型混料機，為防止混料過程中粉末發(fā)生氧化，將混料罐密封后抽真空，再充入氬氣。混料轉速為100rad/min，時間為2h。將混合粉末放入直徑為35mm石墨熱壓模具中，為防止石墨模具中炭的污染，在模具內壁涂覆bn潤滑劑。燒結溫度為1100℃，壓力為16mpa，保溫時間1h，燒結氣氛為氬氣保護。將燒結結束后的復合棒材一端機加工為70°的錐角，表面用砂紙進行打磨。采用無坩堝感應熔煉氣霧化設備，氬氣為霧化氣體，控制進料速度為20～40mm/min，霧化壓力3.5～8.0mpa，可制得強化相tic均勻分布的復合粉末。采用掃描電子顯微鏡對粉末進行球形度觀察，粉末為球形或近球形。

實施例2

用于制備鈦基復合粉末

選用粒徑為10μm～60μm的不規(guī)則狀純ti粉末與粒徑為400nm的b4c粉末，按照以下質量百分比進行配料：98wt.％的ti粉末，2wt.％的b4c。將按照上述配方稱取的粉末置于球磨罐，球料比為1:1，所用研磨球材質為201不銹鋼。為防止混料過程中粉末發(fā)生氧化，將球磨罐密封后抽真空，再充入氬氣。球磨轉速為250rad/min，球磨時間為4h。將混合粉末放入直徑為50mm的橡膠包套，于冷等靜壓設備中進行成型，成型壓力為250mpa。將冷等靜壓后的壓坯于真空燒結爐中進行燒結，燒結溫度為1400℃，保溫時間2h。將燒結結束后的復合棒材一端機加工為60°的錐角，表面用砂紙進行打磨。采用無坩堝感應熔煉氣霧化設備，(如果是自主研發(fā)，一定要)氬氣為霧化氣體，控制進料速度為25～35mm/min，霧化壓力3.5～6.0mpa，可制得強化相tic和tib均勻分布的復合粉末。采用掃描電子顯微鏡對粉末進行球形度觀察，粉末為球形或近球形。

實施例3

用于制備鋁合金復合粉末

選用粒徑為10μm～150μm的氣霧化alsi10mg粉末與粒徑為2.0μm的aln粉末，按照以下質量百分比進行配料：96wt.％的alsi10mg合金粉末，4wt.％的aln。將按照上述配方稱取的粉末置于球磨罐，球料比為2:1，所用研磨球材質為剛玉(al2o3)。為防止混料過程中粉末發(fā)生氧化，將球磨罐密封后抽真空，再充入氬氣。低能球磨轉速為150rad/min，球磨時間為1h。將混合粉末放入直徑為45mm石墨熱壓模具中。燒結溫度為610℃，壓力為12mpa，保溫時間1.5h，燒結氣氛為氬氣保護。將燒結結束后的復合棒材一端機加工為120°的錐角，表面用砂紙進行打磨。采用無坩堝感應熔煉氣霧化設備，氮氣為霧化氣體，控制進料速度為30～50mm/min，霧化壓力2.0～4.0mpa，可制得強化相aln均勻分布的復合粉末。采用掃描電子顯微鏡對粉末進行球形度觀察，粉末為球形或近球形。