CN103056353B - 金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料及其制备方法，其特征是所述的复合浆料由纳米碳黑粉、纳米氧化镧粉和无水乙醇组成；其中，纳米碳黑粉占浆料质量分数的0.05%~0.15%，纳米氧化镧粉的质量分数为所加纳米碳黑粉质量分数的2-4倍，其余为无水乙醇，各组分质量分数总和为100%。本发明首次实现了制备以乙醇为介质的碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料，较好地解决了采用现有单相纳米浆料所制备的碳黑和氧化镧双相纳米增强的金属基微纳粉品质尚不够理想的问题。同时，本发明所述浆料不仅组分纯净且具有良好的分散稳定性，可稳定分散3个月以上不沉降，具有很好的使用性能和工程应用价值。

Description

金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米浆料，尤其是一种双相纳米浆料，具体地说是一种金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料及制备方法。

背景技术

相对于其他再制造技术而言，激光再制造技术具有众多优点如再制造界面为冶金结合、组织细小、成分可控、热影响较小等，再加上激光加工的高柔性、高效率、低污染及易于实现计算机控制等光加工特点，使之成为一项备受关注的再制造关键技术之一。然而，现有激光再制造用粉多采用微米金属粉，熔烧微米金属粉需要较大的激光能量，造成对基体尤其是再制造对象为薄壁件时的热输入偏大，进而导致再制造件变形较大、再制造区组织恶化、性能下降等，甚至失去再制造的价值。可见，提高激光再制造用粉对激光的吸收率，是实现解决上述问题的一个重要途径。

碳黑粉体是一种平均粒径为20nm的黑色纳米粉体，若能将碳黑颗粒有效包覆在微米金属颗粒表面构建微纳粉，充分发挥黑色物质的强吸光性和纳米颗粒的表面效应，将会极大地提高粉体对激光的吸收率。纳米氧化镧粉体是最常用的一种稀土材料，具有稀土材料特有的活性元素效应。若在微米金属粉中同时引入纳米碳黑粉和纳米氧化镧粉，既可以提高粉体对激光的吸收性能，又可避免碳黑的引入对微米金属粉使用性能造成的不利影响，如可较好地消除微界面增加诱发的微观缺陷增多等问题。根据王宏宇等的专利“一种纳米陶瓷/微米金属复合粉体的机械制备方法（ZL 2007 10024996.X）”，要想实现纳米颗粒有效包覆于微米颗粒表面，需采用分散稳定的纳米浆料作为球磨介质的纳米引入方式。但是，现有碳黑或氧化镧纳米浆料均为单相纳米浆料，若在制备微纳粉过程中先后引入或同时加入，都将会造成纳米组分分布不均匀而极大地影响微纳粉的品质。

因此，开发一种碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料，对于制备出品质优良的碳黑和氧化镧双相纳米增强的金属基微纳粉至关重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有碳黑或氧化镧纳米浆料均为单相纳米浆料，造成所制备的碳黑和氧化镧双相纳米增强的金属基微纳粉品质尚不够理想等问题，发明一种金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料及制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料，其特征是它由纳米碳黑粉、纳米氧化镧粉和无水乙醇组成；其中，纳米碳黑粉占浆料质量分数的0.05%~0.15%，纳米氧化镧粉的质量分数为所加纳米碳黑粉质量分数的2-4倍，其余为无水乙醇，各组分质量分数总和为100%。

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。

所述的纳米氧化镧粉的平均粒径为10~30nm。

本发明的技术方案之二是：

一种金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，按照所需质量分数称取纳米碳黑粉并加入无水乙醇制备成单相纳米碳黑悬浮液，控制单相纳米碳黑悬浮液中纳米碳黑粉的质量百分数不大于1%，以保证纳米碳黑粉无沉淀；

然后，按照所需质量分数称量纳米氧化镧粉并加入无水乙醇中，将其制备成单相纳米陶瓷悬浮液；

最后，将已制成的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米氧化镧悬浮液进行球磨混合，即可获得以乙醇为介质的碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料。

所述的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、磨球直径不大于4mm。

本发明的有益效果：

（1）本发明首次实现了制备碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料，为制备出具有良好使用性能的激光再制造用微纳粉奠定了必要基础，采用该复合浆料所制备的双相纳米增强的金属基微纳粉品质及其使用性能好于采用现有单相纳米浆料所制备的金属基微纳粉。

（2）本发明所述浆料中，纳米碳黑粉和纳米氧化镧粉具有合理的配比关系，不仅保留了纳米碳黑粉的深黑色以充分发挥其强吸光性，而且该浆料还具有不低于单相纳米浆料的分散稳定性，可稳定分散3个月以上不沉降；采用该浆料所制备的微纳粉，对激光具有很好的吸收性。

（3）本发明浆料以乙醇为液体介质，不需要额外添加任何分散剂或表面活性剂，保证了浆料组分纯净，有效避免了其他杂质组分对浆料使用性能的不利影响。

（4）本发明通过球磨混合方法，保证了纳米碳黑粉和纳米氧化镧粉在浆料中分布均匀，未见明显某一单相纳米粉局部集中现象，有利于充分发挥纳米碳黑粉和纳米氧化镧各自的功能特性，并经过大量实验研究，获得了球磨混合的最佳工艺组合。

附图说明

    图1 是采用本发明所述双相纳米复合浆料制备的微纳粉SEM形貌。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

以下是本发明的方法所制备的金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料实例，但不仅仅限于这些实例，只要采用本发明所述方法，均可达到本发明的目的。

实施例一。

实例所用材料：市购普通袋装碳黑粉体，平均粒径18nm，着色强度为135%，碳黑粉的加入量为浆料总质量的0.1%；市购普通袋装氧化镧粉体，平均粒径20nm，呈白色，氧化镧粉的加入量为浆料总质量的0.3%，其余为无水乙醇。

制备时，应先将纳米碳黑粉体进行干法球磨预处理，以打破其中原有大团聚体颗粒，再将称量后的纳米碳黑粉体与无水乙醇进行混合并搅拌至得到无明显固液分层的碳黑浆料半成品，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，无水乙醇的加入量应保证所形成的单相纳米碳黑悬浮液中的纳米碳黑粉体的质量百分比不大于1%；然后，将称量所得的氧化镧粉体加入余量的无水乙醇中进行搅拌得到单相纳米氧化镧悬浮液；最后，将已制成的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米氧化镧悬浮液进行球磨混合，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、磨球直径不大于4mm，即可获得金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料。所制得的复合浆料呈与单相碳黑浆料类似的均匀黑色，未见明显某一单相纳米粉局部集中的现象。在制备单相纳米氧化镧悬浮液时如果搅拌效果不理想还可采用超声波分散或其它常规的分散方法进行分散，如果有沉淀现象出现，应适当添加氧化镧粉体以保证最终浆料中氧化镧粉体的含量满足要求。

实施例二。

实例所用材料：市购普通袋装碳黑粉体，平均粒径22nm，着色强度为125%，碳黑粉的加入量为浆料总质量的0.05%；市购普通袋装氧化镧粉体，平均粒径30nm，呈白色，氧化镧粉的加入量为浆料总质量的0.10%，其余为无水乙醇。然后按照实施例一的方法分三步制备得到金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料，该复合浆料呈与单相碳黑浆料类似的均匀黑色，未见明显某一单相纳米粉局部集中的现象。采用该复合浆料所制备的碳黑和氧化镧双相纳米增强的金属基微纳粉达到了较为理想的品质。

实施例三。

实例所用材料：市购普通袋装碳黑粉体，平均粒径14nm，着色强度为140%，碳黑粉的加入量为浆料总质量的0.15%；市购普通袋装氧化镧粉体，平均粒径10nm，呈白色，氧化镧粉的加入量为浆料总质量的0.60%，其余为无水乙醇。然后按照实施例一的方法分三步制备得到以乙醇为介质的碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料，该复合浆料呈与单相碳黑浆料类似的均匀黑色，未见明显某一单相纳米粉局部集中的现象。采用该复合浆料所制备的碳黑和氧化镧双相纳米增强的金属基微纳粉达到了较为理想的品质。

以下是本发明的对比试验方法。

一、采用本发明的复合浆料制备双相纳米增强的微纳粉。

步骤1，按本发明的方法制备获得混合均匀的碳黑/氧化镧双相纳米悬浮液；

步骤2，将市购微米钛粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米钛粉；

步骤3，将预处理后的微米钛粉，加入已混合均匀的碳黑/氧化镧双相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得碳黑/氧化镧双相纳米和微米钛粉复合的微纳粉浆料；

步骤4，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氧化镧协同增强的钛基微纳粉。

采用该双相纳米复合浆料所制备的碳黑和氧化镧双相纳米增强的钛基微纳粉，达到了较为理想的品质。如图1所示，在所制备的钛基微纳粉中，纳米碳黑和纳米氧化镧呈高分散性特征均匀包覆于微米钛颗粒表面；同时，采用该微纳粉进行激光焊接再制造存在贯穿性裂纹的0.5mm厚薄壁件，在其他工艺参数不变的情况，获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度为3.5mm/s；此外，薄壁件激光焊接再制造区组织致密细小，基本不存在碳化物夹杂等微观缺陷。

二、制备仅含纳米碳黑的微纳粉。

首先，参照本发明的方法将纳米碳黑与无水乙醇混合制成碳黑单相纳米悬浮液；

其次，将市购微米钛粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米钛粉；

第三，将预处理后的微米钛粉，加入碳黑单相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得单相纳米碳黑和微米钛粉复合的微纳粉浆料；

第四，将微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得碳黑单相纳米增强的钛基微纳粉。

采用该单相浆料所制备的碳黑单相纳米增强的钛基微纳粉，进行激光焊接再制造存在贯穿性裂纹的0.5mm厚薄壁件，在其他工艺参数不变的情况，获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度为3mm/s；此外，薄壁件激光焊接再制造区组织较为致密细小，但组织中出现了众多的碳化物夹杂、气孔等缺陷。

三、制备仅含纳米氧化镧的微纳粉。

首先，参照本发明的方法将纳米氧化镧与无水乙醇混合制成氧化镧单相悬浮液；

其次，将市购微米钛粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米钛粉；

第三，将预处理后的微米钛粉，加入氧化镧单相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得单相纳米氧化镧和微米钛粉复合的微纳粉浆料；

第四，将微纳粉浆料置于干燥箱中干燥，即可获得氧化镧单相纳米增强的钛基微纳粉。

采用该单相浆料所制备的氧化镧单相纳米增强的钛基微纳粉，进行激光焊接再制造存在贯穿性裂纹的0.5mm厚薄壁件，在其他工艺参数不变的情况，获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度为2.5mm/s。此外，薄壁件激光焊接再制造区组织粗大，基本与采用未加纳米颗粒的微米粉相同。

四、采用两种单相纳米浆料制备双相纳米增强的微纳粉。

首先，参照本发明的方法分别制备碳黑单相纳米悬浮液和氧化镧单相纳米悬浮液。

其次，将市购微米钛粉进行球形化预处理，获得预处理后的微米钛粉；

第三，将预处理后的微米钛粉，同时加入碳黑单相纳米悬浮液和氧化镧单相纳米悬浮液后进行球磨复合，获得碳黑/氧化镧双相纳米和微米钛粉复合的微纳粉浆料；

步骤4，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氧化镧协同增强的钛基微纳粉。

采用两种单相浆料所制备的碳黑和氧化镧双相纳米增强的钛基微纳粉，进行激光焊接再制造存在贯穿性裂纹的0.5mm厚薄壁件，在其他工艺参数不变的情况，获得品质优良再制造薄壁件所允许的极限扫描速度为3mm/s。此外，薄壁件激光焊接再制造区组织较为致密细小，但均匀性较差多处出现组织偏析、碳化物夹杂等缺陷。

可见，采用本发明碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料制备双相纳米增强的微纳粉，可有效提高激光再制造用粉对激光的吸收率，不仅远好于单相纳米增强的微纳粉，也好于采用两种单相纳米浆料所制备的双相纳米增强微纳粉。此外，所获得的再制造薄壁件品质也表现出类似的优点。

此外，申请人用铝基、铁基和镍基微米金属粉进行了相同的试验，实验结果与前述实验具有很好的趋同性。

上述描述和说明只是表达了本发明的技术构思和特点及其具有代表性的实施案例，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明构思实质所做的等效变化或者修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

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 (4)

1.一种金属基微纳粉制备用碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料，其特征是它由纳米碳黑粉、纳米氧化镧粉和无水乙醇组成；其中，纳米碳黑粉占浆料质量分数的0.05%~0.15%，纳米氧化镧粉的质量分数为所加纳米碳黑粉质量分数的2-4倍，其余为无水乙醇，各组分质量分数总和为100%；所述的纳米氧化镧粉的平均粒径为10~30nm。

2.根据权利要求1所述碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料，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。

3.一种权利要求1所述碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，按照所需质量分数称取纳米碳黑粉并加入无水乙醇制备成单相纳米碳黑悬浮液，控制单相纳米碳黑悬浮液中纳米碳黑粉的质量百分数不大于1%，以保证纳米碳黑粉无沉淀；

然后，按照所需质量分数称量纳米氧化镧粉并加入无水乙醇中，将其制备成单相纳米陶瓷悬浮液；

最后，将已制成的单相纳米碳黑悬浮液和单相纳米氧化镧悬浮液进行球磨混合，即可获得以乙醇为介质的碳黑和氧化镧双相纳米复合浆料。

4.根据权利要求3所述方法，其特征是所述的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、磨球直径不大于4mm。