專利名稱：兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬基微納粉及其制備方法，尤其是一種雙相納米增強(qiáng)的金屬基微納粉及其制備方法，具體地說是一種兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來,一種構(gòu)建介觀(微納米級(jí))新物質(zhì)的技術(shù)---微納米顆粒復(fù)合技術(shù)，引起了
國內(nèi)外專家學(xué)者的重視。微納米顆粒復(fù)合技術(shù)，是將納米顆粒包覆于微米顆粒表面或使其彌散分布在微米顆粒中制備具有微納協(xié)同多功能效應(yīng)微納復(fù)合粉體的技術(shù)。眾所周知，激光表面改性的一個(gè)重要方面是提高基體材料的耐磨性。國內(nèi)外最早將微納米顆粒復(fù)合技術(shù)應(yīng)用于激光表面改性的研究始于2004年前后。李明喜等，將納米陶瓷或納米稀土和鈷基或鎳基微米粉混合采用研磨的方法制備微納粉，采用粘結(jié)預(yù)置式激光熔覆在碳鋼基體上制備了鈷基或鎳基耐磨涂層；王宏宇等，基于ZL 200710024996. X (一種納米陶瓷/微米金屬復(fù)合粉體的機(jī)械制備方法)制備微納粉，將納米氧化鋁、納米碳化硅和納米氧化鈰三種納米粉分別引入NiCoCrAH合金粉中，采用壓片預(yù)置式激光熔覆在GH4033基體上制備了高溫防護(hù)涂層，也表現(xiàn)出了不錯(cuò)的抗高溫摩擦磨損性能(Transaction ofNonferrous Metals Society of China, 2011, 21 (6): 1322-1328);黎向鋒等，提出將納米氧化鑭和納米碳化鶴引入NiCoCrALY合金粉中的雙相納米顆粒增強(qiáng)型鈦合金防護(hù)涂層及制備方法(申請(qǐng)?zhí)?01210089983. 1)，其中納米碳化鎢的主要作用是抗磨。事實(shí)上，提高材料的耐磨性有兩種途徑即抗磨和減磨。此外，在現(xiàn)有激光加工過程中較為普遍地存在著激光能量利用率不高的問題，這里固然有激光工藝參數(shù)方面的影響，但更多是激光作用對(duì)象對(duì)激光的吸收率不高所致。碳黑是一種具有優(yōu)異光譜吸收性能的黑色納米粉體材料，被廣泛地應(yīng)用于著色劑和太陽能吸收涂層。與此同時(shí)，碳黑也是一種具有很好減磨性能的材料。然而，可能由于人們更多地關(guān)注了其強(qiáng)吸光性，據(jù)申請(qǐng)人所知，尚未有關(guān)于將碳黑引入微米粉制備微納粉進(jìn)而獲得激光耐磨改性表面功能層的相關(guān)研究報(bào)道。因此，到目前為止，尚未有一種以納米碳黑粉和納米陶瓷粉為增強(qiáng)組分的兼具有減磨和耐磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉及其制備方法可供使用，極大地限制了碳黑這一同時(shí)具有優(yōu)異光譜吸收性能和減磨性能的納米材料在激光加工技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有激光加工技術(shù)領(lǐng)域尚未有一種兼具有減磨和耐磨效果且對(duì)激光具有好吸收性的粉體材料可供使用這一問題，發(fā)明一種以納米碳黑粉和納米陶瓷粉為增強(qiáng)組分的兼具有減磨和耐磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉及其制備方法，從而為激光加工技術(shù)提供一種具有優(yōu)良品質(zhì)的粉體材料。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉，其特征是它由質(zhì)量百分比為0. 5^1. 5%納米碳黑粉、0. 5^1. 5%納米陶瓷粉和97、9%微米金屬粉組成，各種組分之和為100%;納米碳黑粉和納米陶瓷粉以鑲嵌、粘附或化學(xué)鍵結(jié)合中的一種或幾種包覆于微米金屬粉表面，形成一種以微米金屬粉為核、納米碳黑粉和納米陶瓷粉為殼的核殼結(jié)構(gòu)微納粉。所述納米碳黑粉，其特征是該納米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的著色強(qiáng)度不低于120%，其平均粒徑為ir22nm。所述納米陶瓷粉其平均粒徑為l(T50nm。所述納米陶瓷粉最好為黑色碳化硅粉，以保證所制備金屬微納粉具有好的激光吸收性。所述的微米金屬粉的平均粒徑為5(r75i!m。微米金屬粉為激光融覆中使用的鋁 基、鎳基、鐵基或鈦基金屬粉。一種兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉的制備方法，其特征是該方法主要包括如下步驟
步驟1，將市購納米碳黑粉和納米陶瓷粉分別制成分散穩(wěn)定的單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液；
步驟2，按照所需配比稱量單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液，將兩者置于同一容器進(jìn)行球磨混合處理，獲得混合均勻的碳黑和陶瓷雙相納米懸浮液；
步驟3，將市購微米金屬原粉進(jìn)行球形化預(yù)處理，獲得預(yù)處理后的微米金屬粉；
步驟4，按照所需配比稱量預(yù)處理后的微米金屬粉，加入步驟2中已混合均勻的碳黑和陶瓷雙相納米懸浮液后進(jìn)行球磨復(fù)合，獲得碳黑/陶瓷雙相納米和微米金屬復(fù)合的微納粉漿料；
最后，將微納粉漿料置于干燥箱中干燥，即可獲得兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉。所述單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液采用相同的液體介質(zhì)，以避免由于納米碳黑和納米陶瓷在不同液體介質(zhì)體系中的分散及懸浮穩(wěn)定性不同而引起制備雙相納米懸浮液時(shí)納米顆粒產(chǎn)生沉降。所述單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液均最好采用無水乙醇作為液體介質(zhì)，以保證所制備微納粉漿料干燥后粉體不板結(jié)。所述球磨混合處理參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘、球料比5:1、球磨時(shí)間為I小時(shí)。所述球磨復(fù)合參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為100-300轉(zhuǎn)/分鐘、球料比5:1-10:1、球磨時(shí)間為0. 5-1. 5 小時(shí)。本發(fā)明的有益效果
(I)采用本發(fā)明所述兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉所制備的激光耐磨改性層具有很好的耐磨性。以實(shí)施例1為例，相同實(shí)驗(yàn)條件下，其體積磨損率僅為未加納米粉的41. 9%，為僅添加納米陶瓷粉的75%，可見碳黑起到了良好的減磨效果。(2)本發(fā)明所述兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉也表現(xiàn)出了很好的激光吸收率。在其他激光工藝參數(shù)不變的情況下，采用本發(fā)明所述微納粉獲得優(yōu)良品質(zhì)激光耐磨改性層所需激光功率較未加納米粉的微米粉降低了 20%左右。采用本發(fā)明所述微納粉對(duì)薄壁件進(jìn)行再制造，可實(shí)現(xiàn)對(duì)基體的低熱輸入，進(jìn)而達(dá)到再制造薄壁件控形和控性的目的。(3)本發(fā)明所述兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉具有典型的核殼結(jié)構(gòu)，納米碳黑粉和納米陶瓷粉以鑲嵌、粘附或化學(xué)鍵結(jié)合中的一種或幾種包覆于微米金屬粉表面，微納粉中不存在其他細(xì)微顆粒，可滿足目前激光成形主流技術(shù)一直接送粉式激光成形技術(shù)輸送粉體的要求，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性和很好的應(yīng)用前景。(4)采用本發(fā)明所述兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉所制備的激光耐磨改性層的熱影響區(qū)窄、組織細(xì)小致密、基本沒有碳化物夾雜，具有較微米粉再制造更好的力學(xué)性能。


圖1是本發(fā)明所述微納粉低倍SEM形貌。 圖2是本發(fā)明所述微納粉表面高倍SEM形貌。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1、2所示。一種兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉，它由質(zhì)量百分比為0. 5^1. 5%納米碳黑粉、0. 5^1. 5%納米陶瓷粉和97、9%微米金屬粉組成，各種組分之和為100%;納米碳黑粉和納米陶瓷粉以鑲嵌、粘附或化學(xué)鍵結(jié)合中的一種或幾種包覆于微米金屬粉表面，形成一種以微米金屬粉為核、納米碳黑粉和納米陶瓷粉為殼的核殼結(jié)構(gòu)微納粉。所述的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉的具體的制備步驟如下
首先，制備單相納米碳黑懸浮液，制備時(shí)先從市場(chǎng)購置平均粒徑為14 22nm、按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的著色強(qiáng)度不低于120%的納米碳黑粉進(jìn)行干法球磨預(yù)處理，以打破其中原有大團(tuán)聚體顆粒，從而保證碳黑粉體在乙醇或醇水混合溶液中具有良好分散性；按照碳黑粉體占碳黑漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0. 059T0. 15%稱取納米碳黑粉和乙醇(也可為醇水混合溶液，醇水混合溶液中乙醇占混合溶液體積的3(T70%，但最好是使用無水乙醇以保證所制備微納粉漿料干燥后粉體不板結(jié))；將兩者混合并攪拌至得到無明顯固液分層的碳黑漿料半成品；再將攪拌后的碳黑漿料半成品置于超聲設(shè)備中進(jìn)行恒溫超聲分散，控制恒溫溫度為20±5°C，分散時(shí)間為30飛0分鐘，即可得到分散穩(wěn)定的單相納米碳黑懸浮液；
其次，制備分散穩(wěn)定的單相納米陶瓷懸浮液；將市購納米陶瓷粉(如黑色碳化硅粉、碳化鎢粉、氧化鋁粉等，其平均粒徑為l(T50nm)與乙醇(也可以是乙醇與水的混合溶液，但最好是采用無水乙醇以保證所制備微納粉漿料干燥后粉體不板結(jié))進(jìn)行混合攪拌，制成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0. 5^1. 5%左右的單相納米陶瓷懸浮液，去掉沉淀部分備用，并計(jì)算出實(shí)際單相納米陶瓷懸浮液中納米陶瓷的實(shí)際的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；制備分散穩(wěn)定的單相納米陶瓷懸浮液時(shí)還可采用球磨、超聲分散等單獨(dú)或復(fù)合方法進(jìn)行，也可參照中國專利ZL2007 10133580.1的方法進(jìn)行；
第三步，制備雙相懸浮液；按照所需配比稱量單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液，將兩者置于同一容器進(jìn)行球磨混合處理，獲得混合均勻的碳黑陶瓷雙相納米懸浮液；球磨混合處理工藝參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘、球料比5:1、球磨時(shí)間為I小時(shí)，稱量單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液時(shí)根據(jù)懸浮液中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和微納粉中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)進(jìn)行換算，以確保微納粉中的納米碳黑粉及納米陶瓷粉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量滿足組份要求；
第四步，將市購的平均粒徑為5(T75 微米金屬原粉(可為激光融覆中使用的鋁基、鎳基、鐵基或鈦基金屬粉)進(jìn)行球形化預(yù)處理，獲得預(yù)處理后的微米金屬粉；
第五步，按照所需配比稱量預(yù)處理后的微米金屬粉，加入第三步中已混合均勻的碳黑陶瓷雙相納米懸浮液后進(jìn)行球磨復(fù)合，獲得碳黑陶瓷雙相納米和微米金屬復(fù)合的微納粉漿料；球磨復(fù)合參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為100-300轉(zhuǎn)/分鐘、球料比5:1-10:1、球磨時(shí)間為0. 5-1. 5小時(shí)；
最后，將微納粉漿料置于干燥箱中干燥，即可獲得納米碳黑和納米稀土協(xié)同增強(qiáng)的金屬基微納粉。此外，具體制備時(shí)，制備單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液時(shí)應(yīng)采用相同的液體介質(zhì)，即兩者均為無水乙醇或均為相同體積分?jǐn)?shù)的乙醇和水的混合溶液。實(shí)例 I。本實(shí)例所用材料納米碳黑粉平均粒徑為18nm，著色強(qiáng)度為135%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% ；納米陶瓷粉為碳化硅粉，其平均粒徑為30nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% ;微米金屬粉為Al-Si合金粉，平均粒徑為50 u m,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98% ;上述方法制備,其球磨復(fù)合參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘、球料比8:1、球磨時(shí)間為I小時(shí)。經(jīng)掃描電鏡觀察，所制備的微納粉保持微米粉的球狀特征(圖1)，其表面上包覆有大量呈高分散性特征的納米碳黑粉和納米碳化硅粉(圖2)，形成本發(fā)明所述的核殼結(jié)構(gòu)。采用該微納粉所制備的激光耐磨改性層的熱影響區(qū)窄、組織細(xì)小致密，具有較微米粉再制造更好的力學(xué)性能。在相同激光工藝條件下(激光功率1250W，掃描速度4mm/s，光斑直徑2mm)，分別采用本發(fā)明所述微納粉、僅添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米碳化硅粉和未加納米粉的微米粉，在厚度為2mm的AZ91D鎂合金基體激光熔覆制備0. 25mm厚的耐磨改性層，在相同實(shí)驗(yàn)條件下它們的摩擦磨損性能如表I所示。表I實(shí)例I所述三種耐磨改性層的摩擦磨損性能
權(quán)利要求
1.一種兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉，其特征是它由質(zhì)量百分比為O. 5^1. 5%納米碳黑粉、O. 5^1. 5%納米陶瓷粉和97、9%微米金屬粉組成，各種組分之和為100% ;納米碳黑粉和納米陶瓷粉以鑲嵌、粘附或化學(xué)鍵結(jié)合中的一種或幾種包覆于微米金屬粉表面，形成一種以微米金屬粉為核、納米碳黑粉和納米陶瓷粉為殼的核殼結(jié)構(gòu)的微納粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉，其特征是所述的納米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T7046-2003標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的著色強(qiáng)度不低于120%， 其平均粒徑為14 22nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉，其特征是所述的納米陶瓷粉的平均粒徑為l(T50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉， 其特征是所述的納米陶瓷粉為黑色碳化硅粉，以保證所制備金屬微納粉具有好的激光吸收性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉，其特征是所述的微米金屬粉的平均粒徑為5(Γ75 μ m。
6.一種兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉的制備方法，其特征是它包括如下步驟步驟1，將市購納米碳黑粉和納米陶瓷粉分別制成分散穩(wěn)定的單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液；步驟2，按照所需配比稱量單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液，將兩者置于同一容器進(jìn)行球磨混合處理，獲得混合均勻的碳黑和陶瓷雙相納米懸浮液；步驟3，將市購微米金屬原粉進(jìn)行球形化預(yù)處理，獲得預(yù)處理后的微米金屬粉；步驟4，按照所需配比稱量預(yù)處理后的微米金屬粉，加入步驟2中已混合均勻的碳黑和陶瓷雙相納米懸浮液后進(jìn)行球磨復(fù)合，獲得碳黑/陶瓷雙相納米和微米金屬復(fù)合的微納粉漿料；最后，將微納粉漿料置于干燥箱中干燥，即可獲得兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是所述的單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液米用相同的液體介質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的方法，其特征是所述的單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液均采用無水乙醇作為液體介質(zhì)，以保證所制備微納粉漿料干燥后粉體不板結(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征是所述的球磨混合處理參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/ 分鐘、球料比5:1、球磨時(shí)間為I小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征是所述的球磨復(fù)合參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為100-300轉(zhuǎn)/ 分鐘、球料比5:1-10:1、球磨時(shí)間為O. 5-1. 5小時(shí)。
全文摘要
一種兼具減磨和抗磨效果的雙相納米增強(qiáng)金屬基微納粉及其制備方法，其特征是它由質(zhì)量百分比為0.5~1.5%納米碳黑粉、0.5~1.5%納米陶瓷粉和97~99%微米金屬粉組成，各種組分之和為100%；并形成一種以微米金屬粉為核、納米碳黑粉和納米陶瓷粉為殼的核殼結(jié)構(gòu)微納粉；該微納粉的制備過程，主要包括單相納米碳黑懸浮液和單相納米陶瓷懸浮液的制備、碳黑和陶瓷雙相納米懸浮液的制備、微米金屬粉的球形化預(yù)處理、碳黑和陶瓷雙相納米懸浮液和預(yù)處理后微米金屬粉的球磨復(fù)合和球磨復(fù)合后微納粉漿料的干燥。本發(fā)明制備的激光耐磨改性層具有小的摩擦系數(shù)和低的體積磨損率，且熱影響區(qū)窄、組織細(xì)小致密、基本沒有碳化物夾雜，具有較微米粉再制造更好的力學(xué)性能；同時(shí)，該微納粉對(duì)激光具有很好的吸收率。
文檔編號(hào)B22F1/02GK102990063SQ201310006009
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者王宏宇, 劉桂玲, 王榮, 金鏡, 沈清, 吳志奎, 黃舒, 程滿, 施森杰 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)