陶瓷顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末制備方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料的制備，尤其是一種陶瓷顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末制備方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬基復(fù)合材料有著一系列出色的物理性能，例如高比強(qiáng)度、高剛度、低熱膨脹系數(shù)、低成本等等。這些出色的性能使金屬基復(fù)合材料在汽車、航空、軍用領(lǐng)域有著很多的應(yīng)用前景。在過去的幾十年間，得益于納米材料和先進(jìn)制造工藝的快速發(fā)展，金屬基復(fù)合材料的性能有了很大提高。在此背景下，如何高效地生產(chǎn)金屬基復(fù)合粉末越來越得到人們的重視，因為粉末冶金是一種制造金屬零件的主要方法之一，尤其是隨著近年來激光輔助增材制造技術(shù)的快速發(fā)展。然而，將強(qiáng)化顆粒均勻的分散在金屬基體中往往非常困難，尤其是當(dāng)強(qiáng)化相的尺寸減小到亞微米或者納米尺度時，由于顆粒比表面積大增產(chǎn)生巨大的相互吸引作用將導(dǎo)致嚴(yán)重的顆粒團(tuán)聚，從而極大地影響增強(qiáng)顆粒的強(qiáng)化效果。
[0003]目前，國際上已有一系列的制造顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末的方法，其中最常見的是采用球磨、高能碾磨等方法將金屬基體粉末和陶瓷顆粒機(jī)械地均勻混合。例如，專利CN103710581A描述了一種制備納米Al2O3顆粒強(qiáng)化鋁合金基復(fù)合材料的方法，發(fā)明人采用高能球磨將Al2O3顆粒和鋁合金粉末碾碎并混合，由此得到納米Al2O3和鋁合金的混合粉末。根據(jù)專利CN 1217760C，發(fā)明人將6_7%比重的Si粉(粒徑80-150 nm)與球形α-Fe粉(粒徑90-110 nm)球磨1-2小時，得到Si均勻包裹a-Fe粉的復(fù)合粉末并可用于后續(xù)的燒結(jié)過程。類似的，美國專利US 5439638A描述了一種制備鎢銅復(fù)合粉末的方法，其基本步驟是首先將設(shè)定比例的鎢粉和氧化銅粉配成漿液料，再經(jīng)過球磨、干燥和過氫還原。雖然上述球磨混合的辦法能夠適用于混合大多數(shù)種類的金屬粉末和陶瓷強(qiáng)化顆粒，它們往往存在著制備過程繁瑣，高能耗，耗時長等缺點(diǎn)。另外，球磨過程中磨球?qū)w粉末和強(qiáng)化顆粒的破壞作用也會使復(fù)合粉末的質(zhì)量下降。而且，當(dāng)所添加的強(qiáng)化顆粒尺寸很小，在烘干和運(yùn)輸過程中的再團(tuán)聚又將再次發(fā)生，必然嚴(yán)重影響復(fù)合粉末的均勻性。
[0004]原位反應(yīng)是目前制備金屬基復(fù)合粉末的另一種常見辦法，它的基本思路是通過初始混合粉末在合適條件下的原位化學(xué)反應(yīng)來生成強(qiáng)化相。例如。美國專利Patent US5882376A記錄了一種制備WC-Co復(fù)合粉末的辦法，其步驟是首先將含有W鹽和Co鹽的水性溶液干燥得到初始的粉末，然后經(jīng)過脫鹽和脫水處理得到W/Co氧化物復(fù)合粉末，最后在高溫下經(jīng)過氣體滲碳過程得到含有10% Co比重的WC/Co復(fù)合粉末。類似的原位合成方法也在美國專利US6293989 BI中被提到，此專利采用了物理混合和原位化學(xué)法應(yīng)結(jié)合的辦法，首先W，Ti, Co的混合粉末經(jīng)過高能球磨混合均勻后，再在高溫和惰性氣體下反應(yīng)生成WC強(qiáng)化顆粒。根據(jù)專利CN 100507039C記錄，將不銹鋼粉，Ti粉和C粉用行星球磨處理60-80小時后再讓Ti粉和C粉在合適條件下發(fā)生原位反應(yīng)生成TiC強(qiáng)化顆粒，以此得到不銹鋼基的TiC強(qiáng)化復(fù)合粉末。相比機(jī)械混合的辦法制造金屬基復(fù)合粉末，原位反應(yīng)的方法能夠得到更均的強(qiáng)化顆粒分布，但它往往需要嚴(yán)苛的反應(yīng)條件(例如高溫高壓等)，而且能夠通過原位反應(yīng)得到的強(qiáng)化顆粒種類也非常有限，這些都限制了此類方法在工業(yè)上的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是提供一種操作簡單、成本低，能夠有效避免制粉過程中對基體粉末或強(qiáng)化顆粒物理損傷，并且獲得強(qiáng)化顆粒在基體粉末中均勻分布的陶瓷顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末制備方法。
[0006]本發(fā)明的陶瓷顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末制備方法，包括以下步驟:
1、將金屬基體原料置入高頻感應(yīng)熔爐，并加入設(shè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷顆粒強(qiáng)化物；
2、將氣霧化設(shè)備中的高頻感應(yīng)熔爐、氣霧罐、粉末收集罐抽真空至低于IX 10—4 Pa，隨后將惰性氣體充入并維持設(shè)備內(nèi)部氣壓0.1-0.5 MPa；
3、打開高頻感應(yīng)熔爐開關(guān)，高頻感應(yīng)熔爐將金屬塊和陶瓷顆粒原料熔化，維持熔爐溫度高于金屬熔點(diǎn)100-300°C ；
4、當(dāng)原料在爐內(nèi)完全融化后，打開與爐壁連接的超聲發(fā)生器，產(chǎn)生的超聲振動在金屬熔體內(nèi)沿水平方向傳播，并維持超聲處理熔體30-40分鐘，以此將陶瓷強(qiáng)化顆粒均勻的分布在熔融金屬中；
5、維持超聲振動的同時打開位于高頻感應(yīng)熔爐底部的閥門，含有強(qiáng)化顆粒的金屬熔融液流在重力的作用下自由下落，同時，高壓氣流噴嘴噴出的惰性氣體將自由下落的金屬熔液流擊碎成球形金屬液滴；
6、氣霧化產(chǎn)生的球形熔融金屬液滴在氣霧罐內(nèi)自由下落的過程中冷卻凝固，并最終落入氣霧罐底部的粉末收集罐；
7、粉末收集罐內(nèi)的金屬基粉末冷卻至室溫后，進(jìn)行粉末篩分和包裝，所獲得的陶瓷顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末形狀為球形，粒徑分布為20-100微米，含氧量低于2000 ppm。
[0007]所述的陶瓷顆粒強(qiáng)化物形狀可以是纖維狀、片狀及須狀等形態(tài)，陶瓷顆粒強(qiáng)化物可以是硬質(zhì)碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、硬質(zhì)金屬間化合物等，陶瓷顆粒強(qiáng)化物的尺寸小于50微米。
[0008]所述的金屬基體包括所有可通過氣霧法制取微細(xì)金屬粉末的金屬材料，包括純金屬如鐵、銅、鋁等，常見合金材料，如鋁鎂合金、鈷鉻合金、鎳基合金、不銹鋼、鈦合金等等。
[0009]本發(fā)明的陶瓷顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末制備裝置，包括高頻感應(yīng)熔爐、超聲發(fā)生器、氣霧罐，其特點(diǎn)是，高頻感應(yīng)熔爐及超聲發(fā)生器設(shè)置在氣霧罐頂部中央，高頻感應(yīng)熔爐爐底裝有閥門與氣霧罐內(nèi)腔相通，超聲發(fā)生器安裝在高頻感應(yīng)熔爐側(cè)壁上，并與變幅器相連;氣霧罐底部與收集罐連接，氣霧罐內(nèi)腔中部設(shè)置錐形散熱罩，散熱罩上套置防護(hù)罩，高壓氣流噴嘴安裝在氣霧罐頂部內(nèi)壁上，氣霧罐上設(shè)有觀察孔及抽真空接口，氣霧罐的內(nèi)壁為冷卻腔，其上設(shè)置冷卻水進(jìn)口、冷卻水出口。
[0010]本發(fā)明的陶瓷顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合粉末制備方法，通過直接熔融金屬氣霧，輔以超聲波攪拌，能獲得強(qiáng)化顆粒均勻分布的金屬基復(fù)合粉末，其操作簡單、成本低，能