CN104959624A - 一种纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备方法 - Google Patents

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秦明礼
刘烨
黄敏
王炫力
曲选辉
章林
贾宝瑞
何新波
张德志
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Abstract

本发明涉及一种纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。具体步骤为：首先将硝酸镍、弥散相硝酸盐、还原剂和有机添加剂按照一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到含有氧化镍和弥散相氧化物的前驱体粉末；然后将得到的前驱体粉末在氢气或分解氨气氛中进行选择性还原，还原温度为250～700℃，还原时间为0.5～3小时，得到弥散相颗粒细小、分布均匀的纳米氧化物弥散强化镍基复合粉末。该方法制备的复合粉末纯度高，颗粒粒径小，分散性好，产品性能稳定；同时该方法原料易得，设备简单，工艺简短，能耗低，安全性好，效率高，可规模化生产，为高性能纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备提供了新的思路。

Description

一种纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。
背景技术
材料的主要强化方法包括弥散强化、固溶强化、应变强化、沉淀强化、细晶强化。与其他强化方式相比，弥散强化突破了材料再结晶的限制，在接近熔点的温度下依然保持强化作用。氧化物弥散强化材料是弥散强化材料中最重要的一种，它是在金属基体中引入稳定、均匀、细小的第二相氧化物质点，阻碍位错运动，从而在室温下使材料强度提高的方法；同时，由于氧化物的高温热稳定性较高，使得材料在较高温度下的晶界滑移受到阻碍，故可以有效的提高材料的抗蠕变性能。因此，氧化物弥散强化是一种比较理想的强化手段，展现出较大的发展潜力和广阔的应用前景，吸引着材料工作者的极大兴趣，愈发成为材料科学领域的研究热点。近年来，弥散强化高性能镍基、铁基、铝基等材料已经广泛应用于工业生产的各个领域。但是，氧化物弥散强化材料对组织内部的氧化物弥散相有极高的要求，一般要求其中氧化物粒子的粒径在50nm以下，更大的氧化物粒子虽然对于位错的运动产生强烈的阻碍作用，但是会大幅度降低材料的抗断裂性能和塑性，使强化效果大幅度降低。
目前，氧化物作为增强相的弥散强化材料得到了广泛而深入的研究，并且已经广泛应用于磁性材料、室温结构材料和高温合金领域。制备氧化物弥散强化镍基材料的方法主要有机械合金化法。机械合金化可以成功的制备氧化物弥散强化镍基材料，但是机械合金化耗时耗能，且在球磨过程中容易引入杂质，不易于大批量制备。同时，机械合金化过程中为保证弥散相的均匀分布，需使用较高的球磨速度对原料粉末进行机械合金化，在较高转速球磨处理时，原料中的纳米氧化物粒子容易溶解于镍基体中再析出变为较大颗粒的氧化物粒子而使强化效果降低。中国发明专利CN101956119A公开了一种用低温燃烧法制备弥散强化金属用预合金粉末的方法，该方法成本低、设备简单、周期较短，但是，也存在在燃烧的高温环境中基体粉末容易团聚长大，进而导致弥散相也随之长大，甚至出现偏聚现象，以及反应强烈不易控制等问题。因此，为了避免上述方法的不足，寻找一种既能够制备弥散相颗粒细小、分布均匀同时又简单、高效、成本低的氧化物弥散强化镍基复合粉末的方法成为当务之急。
发明内容
本发明针对现有方法的不足，特别提供了一种添加剂辅助溶液燃烧法制备纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的方法。该方法避免了机械合金化，内氧化法的不足，又成功解决了当前燃烧法中存在的粉体容易团聚长大以及反应剧烈难以控制等问题，同时该方法原料易得，设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，适合工业生产。
本发明特征在于将硝酸镍、弥散相硝酸盐、还原剂、有机添加剂配制成均匀水溶液，将溶液加热到一定温度，溶液发生氧化还原反应，得到前驱体，然后在还原气氛下进行选择性还原，得到弥散相颗粒细小、分布均匀并且最终产品性能优异的纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末。
本发明特征还在于在原料中引入了一种有机添加剂，原理为添加剂会在放热的氧化还原反应中发生分解反应，吸收反应中产生的额外热量，降低反应温度，使得反应变得温和可控，阻止粉末团聚长大；同时添加剂分解会产生额外的气体，可以进一步阻止粉末团聚。
本发明特征在于包括以下步骤：
1)纳米前驱体粉末的制备：将硝酸镍、弥散相硝酸盐、还原剂和有机添加剂按照一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到含有氧化镍和弥散相氧化物的前驱体粉末。其中，弥散相硝酸盐为硝酸钇或硝酸镧；还原剂为甘氨酸、尿素中至少一种，其与硝酸镍的摩尔比为(0.05～1):1；有机添加剂为葡萄糖、柠檬酸和PVA中至少一种，其与硝酸镍的摩尔比为(0.2～1.5):1。
2)选择性还原：将前驱体粉末在氢气或分解氨气氛中进行选择性还原，还原温度为250～700℃，还原时间为0.5～3h,得到纳米氧化物弥散强化镍基复合粉末。
在还原过程中前驱体粉末中的氧化镍还原生成镍基体，弥散相氧化物由于稳定性高不能被还原而得到保留并均匀分布在镍基体之中。硝酸镍和弥散相硝酸盐分别折合成镍基体和弥散相的质量，目标复合粉末中氧化物弥散相的质量分数为2～20％，镍基体质量分数为98～80％。
该方法具有以下优点：
1)利用溶液中各原料之间的快速反应，在十几分钟内简便快捷地制备出前驱体粉末；
2)有机添加剂能显著降低反应温度，产生额外气体，阻止粉末团聚长大；
3)在液相中可实现各成分在分子水平上的均匀混合，有利于复合粉体中弥散相的均匀分布；
4)前驱体活性高，可降低还原温度，缩短反应时间；
5)所制备的复合粉末纯度高，弥散相颗粒细小，分布均匀，基体粉末粒径小，分散性好，并且可以通过改变原料种类、配比、还原温度和时间来调控弥散相颗粒以及基体粉末颗粒的大小；
6)原料易得，设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，适合规模化工业生产，为高性能纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
图2为成分为10wt.％Y2O3-Ni的氧化钇弥散强化镍粉的透射电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的阐述。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：Y2O3弥散相平均粒径为5nm，成分为10wt.％Y2O3-Ni的氧化钇弥散强化镍粉的制备
将硝酸镍、硝酸钇、尿素和葡萄糖按一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生剧烈氧化还原反应，得到纳米NiO-Y2O3氧化物前驱体粉末，其中硝酸钇与硝酸镍的摩尔比为0.058:1，尿素与硝酸镍的摩尔比0.3:1，葡萄糖与硝酸镍的摩尔比为1:1；将前驱体粉末在300℃下氢气气氛中还原2小时，得到Y2O3弥散相平均粒径为5nm的氧化钇弥散强化镍粉。
实施例2：Y2O3弥散相尺寸为25nm成分为5wt.％Y2O3-Ni的氧化钇弥散强化镍粉的制备
将硝酸镍、硝酸钇、甘氨酸和葡萄糖按一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生剧烈氧化还原反应，得到纳米NiO-Y2O3氧化物前驱体粉末，其中硝酸钇与硝酸镍的摩尔比为0.04:1，甘氨酸与硝酸镍的摩尔比0.5:1，葡萄糖与硝酸镍的摩尔比为0.5:1；将前驱体粉末在500℃下氢气气氛中还原2小时，得到Y2O3弥散相平均粒径为25nm的氧化钇弥散强化镍粉。
实施例3：La2O3弥散相尺寸为8nm，成分为10wt.％La2O3-Ni的氧化镧弥散强化镍粉的制备
将硝酸镍、硝酸镧、甘氨酸和柠檬酸按一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生剧烈氧化还原反应，得到纳米NiO-La2O3氧化物前驱体粉末，其中硝酸镧与硝酸镍的摩尔比为0.027:1，甘氨酸与硝酸镍的摩尔比0.4:1，柠檬酸与硝酸镍的摩尔比为0.7:1；将前驱体粉末在300℃下氢气气氛中还原2小时，得到La2O3弥散相平均粒径为8nm的氧化镧弥散强化镍粉。
实施例4：La2O3弥散相尺寸为17nm，成分为5wt.％La2O3-Ni的氧化镧弥散强化镍粉的制备
将硝酸镍、硝酸镧、尿素和柠檬酸按一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生剧烈氧化还原反应，得到纳米NiO-La2O3氧化物前驱体粉末，其中硝酸镧与硝酸镍的摩尔比为0.019:1，尿素与硝酸镍的摩尔比0.5:1，柠檬酸与硝酸镍的摩尔比为0.5:1；将前驱体粉末在300℃下氢气气氛中还原2小时，得到La2O3弥散相平均粒径为17nm的氧化镧弥散强化镍粉。

Claims (3)

1.一种纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)前驱体粉末的制备：将硝酸镍、弥散相硝酸盐、还原剂和和有机添加剂按照一定配比溶入去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到含有氧化镍和弥散相氧化物的前驱体粉末；其中，还原剂与硝酸镍的摩尔比为(0.05～1):1；有机添加剂与硝酸镍的摩尔比为(0.2～1.5):1；
2)选择性还原：将前驱体粉末在氢气或分解氨气氛中进行选择性还原，还原温度为250～700℃，还原时间为0.5～3h,得到纳米氧化物弥散强化镍基复合粉末。
2.根据权利要求1所述的纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备方法，其特征在于步骤1)中的弥散相硝酸盐为硝酸钇或硝酸镧，将硝酸镍和弥散相硝酸盐分别折合成镍基体和弥散相的质量，目标复合粉末中氧化物弥散相的质量分数为2～20％，镍基体质量分数为98～80％。
3.根据权利要求1所述的纳米级氧化物弥散强化镍基复合粉末的制备方法，其特征在于步骤1)中还原剂为甘氨酸、尿素中至少一种，有机添加剂为葡萄糖、柠檬酸和PVA中至少一种。
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