CN102990063A - 兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉及其制备方法，其特征是：它由质量百分比为0.5~1.5%纳米碳黑粉、0.5~1.5%纳米陶瓷粉和97~99%微米金属粉组成，各种组分之和为100%；并形成一种以微米金属粉为核、纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉为壳的核壳结构微纳粉；该微纳粉的制备过程，主要包括单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液的制备、碳黑和陶瓷双相纳米悬浮液的制备、微米金属粉的球形化预处理、碳黑和陶瓷双相纳米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。本发明制备的激光耐磨改性层具有小的摩擦系数和低的体积磨损率，且热影响区窄、组织细小致密、基本没有碳化物夹杂，具有较微米粉再制造更好的力学性能；同时，该微纳粉对激光具有很好的吸收率。

Description

兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强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，尤其是一种双相纳米增强的金属基微纳粉及其制备方法，具体地说是一种兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉及其制备方法。

背景技术

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。

众所周知，激光表面改性的一个重要方面是提高基体材料的耐磨性。国内外最早将微纳米颗粒复合技术应用于激光表面改性的研究始于2004年前后。李明喜等，将纳米陶瓷或纳米稀土和钴基或镍基微米粉混合采用研磨的方法制备微纳粉，采用粘结预置式激光熔覆在碳钢基体上制备了钴基或镍基耐磨涂层；王宏宇等，基于ZL 200710024996.X（一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法）制备微纳粉，将纳米氧化铝、纳米碳化硅和纳米氧化铈三种纳米粉分别引入NiCoCrAlY合金粉中，采用压片预置式激光熔覆在GH4033基体上制备了高温防护涂层，也表现出了不错的抗高温摩擦磨损性能（Transaction of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(6): 1322-1328）；黎向锋等，提出将纳米氧化镧和纳米碳化钨引入NiCoCrAlY合金粉中的双相纳米颗粒增强型钛合金防护涂层及制备方法（申请号：201210089983.1），其中纳米碳化钨的主要作用是抗磨。

事实上，提高材料的耐磨性有两种途径即抗磨和减磨。此外，在现有激光加工过程中较为普遍地存在着激光能量利用率不高的问题，这里固然有激光工艺参数方面的影响，但更多是激光作用对象对激光的吸收率不高所致。碳黑是一种具有优异光谱吸收性能的黑色纳米粉体材料，被广泛地应用于着色剂和太阳能吸收涂层。与此同时，碳黑也是一种具有很好减磨性能的材料。然而，可能由于人们更多地关注了其强吸光性，据申请人所知，尚未有关于将碳黑引入微米粉制备微纳粉进而获得激光耐磨改性表面功能层的相关研究报道。

因此，到目前为止，尚未有一种以纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉为增强组分的兼具有减磨和耐磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉及其制备方法可供使用，极大地限制了碳黑这一同时具有优异光谱吸收性能和减磨性能的纳米材料在激光加工技术领域中的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有激光加工技术领域尚未有一种兼具有减磨和耐磨效果且对激光具有好吸收性的粉体材料可供使用这一问题，发明一种以纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉为增强组分的兼具有减磨和耐磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉及其制备方法，从而为激光加工技术提供一种具有优良品质的粉体材料。

本发明的技术方案是：

一种兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉，其特征是：它由质量百分比为0.5~1.5%纳米碳黑粉、0.5~1.5%纳米陶瓷粉和97~99%微米金属粉组成，各种组分之和为100%；纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉以镶嵌、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、纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉为壳的核壳结构微纳粉。

所述纳米碳黑粉，其特征是该纳米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003标准检测的着色强度不低于120%，其平均粒径为14~22nm。

所述纳米陶瓷粉其平均粒径为10~50nm。

所述纳米陶瓷粉最好为黑色碳化硅粉，以保证所制备金属微纳粉具有好的激光吸收性。

所述的微米金属粉的平均粒径为50~75μm。微米金属粉为激光融覆中使用的铝基、镍基、铁基或钛基金属粉。

一种兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉的制备方法，其特征是该方法主要包括如下步骤：

步骤1，将市购纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉分别制成分散稳定的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液；

步骤2，按照所需配比称量单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液，将两者置于同一容器进行球磨混合处理，获得混合均匀的碳黑和陶瓷双相纳米悬浮液；

步骤3，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；

步骤4，按照所需配比称量预处理后的微米金属粉，加入步骤2中已混合均匀的碳黑和陶瓷双相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得碳黑/陶瓷双相纳米和微米金属复合的微纳粉浆料；

最后，将微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉。

所述单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液采用相同的液体介质，以避免由于纳米碳黑和纳米陶瓷在不同液体介质体系中的分散及悬浮稳定性不同而引起制备双相纳米悬浮液时纳米颗粒产生沉降。

所述单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液均最好采用无水乙醇作为液体介质，以保证所制备微纳粉浆料干燥后粉体不板结。

所述球磨混合处理参数为球磨转速为500转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1小时。

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）采用本发明所述兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉所制备的激光耐磨改性层具有很好的耐磨性。以实施例1为例，相同实验条件下，其体积磨损率仅为未加纳米粉的41.9%，为仅添加纳米陶瓷粉的75%，可见碳黑起到了良好的减磨效果。

（2）本发明所述兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉也表现出了很好的激光吸收率。在其他激光工艺参数不变的情况下，采用本发明所述微纳粉获得优良品质激光耐磨改性层所需激光功率较未加纳米粉的微米粉降低了20%左右。采用本发明所述微纳粉对薄壁件进行再制造，可实现对基体的低热输入，进而达到再制造薄壁件控形和控性的目的。

（3）本发明所述兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉具有典型的核壳结构，纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉以镶嵌、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。

（4）采用本发明所述兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉所制备的激光耐磨改性层的热影响区窄、组织细小致密、基本没有碳化物夹杂，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

下面结合附图及实例对本发明作进一步的说明。

如图1、2所示。

一种兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉，它由质量百分比为0.5~1.5%纳米碳黑粉、0.5~1.5%纳米陶瓷粉和97~99%微米金属粉组成，各种组分之和为100%；纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉以镶嵌、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、纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉为壳的核壳结构微纳粉。所述的双相纳米增强金属基微纳粉的具体的制备步骤如下：

首先，制备单相纳米碳黑悬浮液，制备时先从市场购置平均粒径为14～22nm、按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003标准检测的着色强度不低于120%的纳米碳黑粉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；按照碳黑粉体占碳黑浆料质量分数的0.05%~0.15%称取纳米碳黑粉和乙醇（也可为醇水混合溶液，醇水混合溶液中乙醇占混合溶液体积的30~70%，但最好是使用无水乙醇以保证所制备微纳粉浆料干燥后粉体不板结）；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；再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单相纳米碳黑悬浮液；

其次，制备分散稳定的单相纳米陶瓷悬浮液；将市购纳米陶瓷粉（如黑色碳化硅粉、碳化钨粉、氧化铝粉等，其平均粒径为10~50nm）与乙醇（也可以是乙醇与水的混合溶液，但最好是采用无水乙醇以保证所制备微纳粉浆料干燥后粉体不板结）进行混合搅拌，制成质量百分数为0.5~1.5%左右的单相纳米陶瓷悬浮液，去掉沉淀部分备用，并计算出实际单相纳米陶瓷悬浮液中纳米陶瓷的实际的质量百分数；制备分散稳定的单相纳米陶瓷悬浮液时还可采用球磨、超声分散等单独或复合方法进行，也可参照中国专利ZL2007 10133580.1的方法进行；

第三步，制备双相悬浮液；按照所需配比称量单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液，将两者置于同一容器进行球磨混合处理，获得混合均匀的碳黑陶瓷双相纳米悬浮液；球磨混合处理工艺参数为球磨转速为500转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1小时，称量单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液时根据悬浮液中的质量百分数和微纳粉中的质量百分数进行换算，以确保微纳粉中的纳米碳黑粉及纳米陶瓷粉的质量百分数含量满足组份要求；

第四步，将市购的平均粒径为50~75μm微米金属原粉（可为激光融覆中使用的铝基、镍基、铁基或钛基金属粉）进行球形化预处理，获得预处理后的微米金属粉；

第五步，按照所需配比称量预处理后的微米金属粉，加入第三步中已混合均匀的碳黑陶瓷双相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得碳黑陶瓷双相纳米和微米金属复合的微纳粉浆料；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；

最后，将微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得纳米碳黑和纳米稀土协同增强的金属基微纳粉。

此外，具体制备时，制备单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液时应采用相同的液体介质，即两者均为无水乙醇或均为相同体积分数的乙醇和水的混合溶液。

    实例1。

本实例所用材料：纳米碳黑粉平均粒径为18nm，着色强度为135%，质量分数为1%；纳米陶瓷粉为碳化硅粉，其平均粒径为30nm，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98%；上述方法制备，其球磨复合参数为球磨转速为200转/分钟、球料比8:1、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和纳米碳化硅粉（图2），形成本发明所述的核壳结构。采用该微纳粉所制备的激光耐磨改性层的热影响区窄、组织细小致密，具有较微米粉再制造更好的力学性能。

在相同激光工艺条件下（激光功率1250W，扫描速度4mm/s，光斑直径2mm），分别采用本发明所述微纳粉、仅添加质量分数为1%的纳米碳化硅粉和未加纳米粉的微米粉，在厚度为2mm的AZ91D镁合金基体激光熔覆制备0.25mm厚的耐磨改性层，在相同实验条件下它们的摩擦磨损性能如表1所示。

表1 实例1所述三种耐磨改性层的摩擦磨损性能

所采用的粉体	体积磨损率	表面显微硬度	摩擦系数
				本发明所述微纳粉	1.8×10-3 cm3/Nm	332 HV0.1	0.33
添加质量分数为1%纳米碳化硅粉的微纳粉	2.4×10-3 cm3/Nm	318 HV0.1	0.51
				未加纳米粉的微米粉	4.3×10-3 cm3/Nm	245 HV0.1	0.39

实例2~6如表2所示，其球磨复合参数如下：实例2~4球磨转速为100转/分钟、实例5~6球磨转速为300转/分钟，实例2~4球料比为5:1、实例5~6球料比为10:1，实例2~4球磨时间为0.5小时、实例5~6球磨时间为1.5小时，均达到实施例1类似效果。

表2 实施例2~6微纳粉成分

上述仅列出几种常见的兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉，本领域的技术人员可根据需要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，均可获得理想的兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉。

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 (10)

1.一种兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉，其特征是：它由质量百分比为0.5~1.5%纳米碳黑粉、0.5~1.5%纳米陶瓷粉和97~99%微米金属粉组成，各种组分之和为100%；纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉以镶嵌、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、纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉为壳的核壳结构的微纳粉。

2.根据权利要求1所述的兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉，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120%，其平均粒径为14~22nm。

3.根据权利要求1所述的兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉，其特征是所述的纳米陶瓷粉的平均粒径为10~50nm。

4.根据权利要求1或3所述的兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉，其特征是所述的纳米陶瓷粉为黑色碳化硅粉，以保证所制备金属微纳粉具有好的激光吸收性。

5.根据权利要求1所述的兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉，其特征是所述的微米金属粉的平均粒径为50~75μm。

6.一种兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉的制备方法，其特征是它包括如下步骤：

步骤1，将市购纳米碳黑粉和纳米陶瓷粉分别制成分散稳定的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液；

步骤2，按照所需配比称量单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液，将两者置于同一容器进行球磨混合处理，获得混合均匀的碳黑和陶瓷双相纳米悬浮液；

步骤3，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；

步骤4，按照所需配比称量预处理后的微米金属粉，加入步骤2中已混合均匀的碳黑和陶瓷双相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得碳黑/陶瓷双相纳米和微米金属复合的微纳粉浆料；

最后，将微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得兼具减磨和抗磨效果的双相纳米增强金属基微纳粉。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液采用相同的液体介质。

8.根据权利要求6或7的方法，其特征是所述的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米陶瓷悬浮液均采用无水乙醇作为液体介质，以保证所制备微纳粉浆料干燥后粉体不板结。

9.根据权利要求6的方法，其特征是所述的球磨混合处理参数为球磨转速为500转/分钟、球料比5:1、球磨时间为1小时。

10.根据权利要求6的方法，其特征是所述的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。

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