CN106424746A - 一种制备金属陶瓷复合粉末材料的装置及方法 - Google Patents

一种制备金属陶瓷复合粉末材料的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备金属陶瓷复合粉末材料的装置及方法，该装置包括混合室和粉末室，所述混合室分别与陶瓷粉末送粉装置和供气装置连接，所述粉末室分别与排气装置和集粉装置连接；所述粉末室上部部设金属熔融装置，粉末室内部设有雾化喷嘴，所述混合室通过管道与粉末室内部的雾化喷嘴相连。该装置制备的金属/陶瓷粉末界面结合力强，粉末形状基本为球形和类球形，生产效率高，陶瓷颗粒分布均匀，粉末粒径可控。

Description

一种制备金属陶瓷复合粉末材料的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种制备金属陶瓷复合粉末材料的装置及方法，属于金属陶瓷粉末领域。
背景技术
金属陶瓷复合材料是由一种或多种陶瓷相和金属相或合金组成的多相复合材料。金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性，在国防及民用领域有着非常广阔的应用前景。金属陶瓷常用的制备方法有粉末冶金法、固体分散法、喷射沉积法、液态浸渍法和原位复合法等。其中粉末冶金法和喷射沉积法都是以金属陶瓷粉末为原材料，在不同的工艺条件下将粉末材料烧结成毛坯或零件。
金属陶瓷粉末的制备，技术方案之一，是先把金属和陶瓷分别制备成粉末，再把金属粉末和陶瓷粉末混合在一起，并加入粘结剂，通过造粒工艺，加工成金属陶瓷粉末。专利[CN105543764A]、[CN104862571A]就采取这种技术方案制备了金属陶瓷粉末。这种方法制备的金属陶瓷粉末大多为疏松多孔结构，表面吸附大量气体，不利于粉末冶金和喷射沉积等工艺，存在表面吸附气体不易排出的问题，从而导致毛坯或零件致密度低。同时，这种金属陶瓷粉末中金属和陶瓷粉末是通过粘结剂粘结在一起的，界面结合力差，导致最终的毛坯或零件性能低。
金属陶瓷粉末的制备，技术方案之二，是先把金属和陶瓷分别制备成粉末，再把金属粉末和陶瓷粉末混合在一起，采用球磨等机械合金化方法，加工成金属陶瓷粉末。专利[CN102962447B]、[CN102140592B]就采取这种技术方案制备了金属陶瓷粉末。这种金属陶瓷粉末制备周期长，球磨工艺大多为20小时左右，生产效率低，粉末颗粒大多为小于10微米，非常细小，同时粉末颗粒不规则，导致金属陶瓷的流动性不好，不利于粉末冶金和喷射沉积工艺。
金属陶瓷粉末的制备，技术方案之三，是先制成块状金属陶瓷材料，再将块体研磨破碎成金属陶瓷粉末。专利[CN103250293A]、[CN102166652B]、[CN100595314C]就采取这种技术方案制备了金属陶瓷粉末。这种金属陶瓷粉末是从块体研磨而成，因此首先得制备出块体，再破碎成粉末，生产工序多，成本高，且制造的粉末存在陶瓷颗粒分布不均匀的缺点。
发明内容
上述金属陶瓷粉末及其制备方法存在金属/陶瓷界面结合力弱、粉末形状不规格、生产效率低、陶瓷颗粒分布不均匀等问题，而且一般制备金属陶瓷粉末的粉末粒径不可控。本发明所需解决的就是现有金属/陶瓷粉末界面结合力弱、粉末形状不规格、生产效率低、陶瓷颗粒分布不均匀、粉末粒径不可控的问题。
本发明的技术方案是，提供一种制备金属陶瓷复合粉末材料的装置，包括混合室和粉末室，所述混合室分别与陶瓷粉末送粉装置和供气装置连接，所述粉末室分别与排气装置和集粉装置连接；所述粉末室内部设雾化喷嘴，所述混合室通过管道与粉末室内部的雾化喷嘴相连，所述陶瓷粉末送粉装置为可计量的陶瓷粉末送粉装置，此外，还包括金属熔融装置，所述金属熔融装置位于粉末室上部，可以位于粉末室内或粉末室外。
优选地，若金属熔融装置位于粉末室内，则金属熔融装置位于雾化喷嘴上方。
优选地，若金属熔融装置位于粉末室内，所述粉末室内部设可以阻止粉末进入金属熔融装置内的隔层。
优选地，当金属熔融装置位于粉末室外时，还包含防止金属氧化的保护装置。
本发明可生产核壳结构的金属陶瓷粉末，陶瓷颗粒分布均匀。该金属陶瓷粉末材料在制备过程中，当气雾化介质中的常温陶瓷颗粒碰撞上高温熔融金属液时，金属液将陶瓷颗粒完全包覆住，同时会以陶瓷颗粒为形核中心凝固，生成晶粒，从而在金属/陶瓷界面处形成化学结合，增强了界面结合力。金属液将陶瓷颗粒包覆住后，由于表面张力作用，会收缩成球状，冷却后形成球形粉末，具有良好的流动性。由于采用气雾化工艺，粉末生产效率也大大提高。
根据上述装置，本发明提供制备金属陶瓷复合粉末材料的方法，（1）将金属原材料放入金属熔融装置内，排除氧气；将熔融装置内的金属原材料加热至熔融态；将陶瓷粉末加入到混合室中，并通入惰性气体，将陶瓷粉末吹散，得到含陶瓷粉末的混合气体；（2）将熔融的金属液沿导液管流向粉末室，同时将含陶瓷粉末的混合气体通入雾化喷嘴虽金属液进行气体雾化；（3）雾化完成后，冷却至室温，收集金属陶瓷粉末材料。
上述步骤进一步说明如下：（1）将金属原材料放入坩埚内，排除氧气；（2）将坩埚内的金属原材料加热至熔融态；（3）将陶瓷粉末按一定速率加入到混合室中，并通入惰性气体，将陶瓷粉末吹散，得到含陶瓷粉末的混合气体；（4）将熔融的金属液沿导液管流向粉末室，同时将包含陶瓷粉末的混合气体通入雾化喷嘴；（5）混合气体中的陶瓷颗粒受气体作用，沿喷嘴方向冲击金属液，将金属液破碎成液滴，包裹在陶瓷颗粒外层；（6）金属液冷却凝固成固体，包裹在陶瓷颗粒外层，落入粉末室底部；（7）等金属液都流入粉末室后，停止向气体喷嘴通入混合气体；（8）等粉末室底部冷却至室温后，打开粉末室底部，收集金属陶瓷粉末材料。
优选地，排除氧气的步骤可以采取真空泵抽真空的方式，也可以是采用惰性气体排除氧气，或者采取抽气装置和惰性气体联用。
优选地，所述陶瓷粉末送粉装置为可计量的陶瓷粉末送粉装置。陶瓷粉末通过该装置，计量匀速的进入混合腔室中与惰性气体混合均匀，形成均匀的混合气体。通过该计量送粉装置可以控制陶瓷粉末的添加量，进而控制混合气体中的陶瓷粉末含量。而混合气体中陶瓷粉末的含量影响到混合气体的冲击能等性能，进而影响最终金属陶瓷粉末的粒径等参数。通过计量送粉装置与喷嘴、导流管等其他装置的配合，可以实现控制粉末粒径的技术效果。
优选地，所述金属熔融装置下方连接有导液管，雾化喷嘴位于导液管的末端。
优选地，混合室与陶瓷粉末送粉装置的连接处位于混合室的上部；混合室与和供气装置的连接处位于混合室的下部。所述隔层可以防止金属粉末进入熔融装置污染金属熔体。
优选地，所述隔层为板、筛网。
优选地，为了防止陶瓷粉末沉积在混合室内，所述混合室的下部为V型或U型。
优选地，所述集粉装置位于粉末室的底部。
优选地，所述金属熔融装置为坩埚。
优选地，金属熔融装置位于粉末室外时，还包含保护装置防止金属被氧化，保护装置优选抽真空装置和惰性气体保护装置。
优选地，所述粉末室内部设隔板，所述隔板将粉末室分割为上腔室和下腔室，金属熔融装置位于上腔室内，雾化喷嘴位于下腔室内。隔板可以阻隔金属粉末进入金属熔融装置；隔板可以有通气孔或者没孔。设通气孔主要是为了使得上腔室内的氧气可以通过排气装置排出；若上腔室内为惰性气体，也可以不设通气孔。
优选地，所述上腔室与下腔室分别与排气装置连接。
优选的，排气装置可以是抽风设备或者真空泵。优选的，排气装置中包含过滤装置，以过滤气体中的粉末。
本发明的有益效果包括，该装置制备的金属/陶瓷粉末界面结合力强，粉末形状基本为球形和类球形，生产效率高，陶瓷颗粒分布均匀，粉末粒径可控。
附图说明
图1表示一种制备金属陶瓷粉末材料装置的结构示意图。
图2表示另一种制备金属陶瓷粉末材料装置的结构示意图。
图3表示又一种制备金属陶瓷粉末材料装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例提供一种制备金属陶瓷粉末材料的方法及其装置，该装置如图1所示，包括混合室2和粉末室4，所述混合室2分别与陶瓷粉末送粉装置1和供气装置8连接，所述粉末室4分别与排气装置7和集粉装置6连接；所述混合室内部设金属熔融装置5和雾化喷嘴3，所述混合室2通过管道与粉末室内部的雾化喷嘴3相连，金属熔融装置5为坩埚。
首先，选取ZL102铝合金锭50kg放入坩埚中，抽真空，再加热至熔融态；选取粒径为1-20um 的SiC粉末材料50kg，按15—30g/s的速率加入到混合室中，同时通入5-8MPa的氩气，将SiC粉末材料吹散均匀；打开阀门，将混合气体通入雾化喷嘴，同时，将铝合金液倒入导流管；混合气体中的SiC粉末材料将铝合金液冲击成液滴，并凝固成粉末材料，沉积在粉末室底部；等粉末室冷却到室温后，打开阀门，收集金属陶瓷粉末材料。该金属陶瓷粉末材料粒径范围为15-50um之间，为球形。
实施例二
本实施例提供一种制备金属陶瓷粉末材料的方法及其装置，该装置同实施例1，制备金属陶瓷粉末材料的步骤如下：
首先，选取ZL104铝合金锭40kg放入坩埚中，抽真空，再加热至熔融态；选取粒径为20-50um 的SiC粉末材料60kg，按80—100g/s的速率加入到混合室中，同时通入3-5MPa的氩气，将SiC粉末材料吹散均匀；打开阀门，将混合气体通入雾化喷嘴，同时，将铝合金液倒入导流管；混合气体中的SiC粉末材料将铝合金液冲击成液滴，并凝固成粉末材料，沉积在粉末室底部；等粉末室冷却到室温后，打开阀门，收集金属陶瓷粉末材料。该金属陶瓷粉末材料粒径范围为100-150um之间，为类球形。
实施例三
本实施例提供一种制备金属陶瓷粉末材料的装置，该装置如图2所示，整体结构如实施例1中的装置，区别仅在于在粉末室4内部设隔板9，隔板9将粉末室分割为上腔室和下腔室，金属熔融装置5位于上腔室内，雾化喷嘴3位于下腔室内。使得下腔室内的粉体不会进入到金属熔融装置5中。
实施例四
本实施例提供一种制备金属陶瓷粉末材料的装置，该装置如图3所示，整体结构如实施例2中的装置，区别仅在于隔板9分割的上腔室和下腔室分别与排气装置7连接。使得上腔室和下腔室可以分别排出氧气。

Claims (10)

1.一种制备金属陶瓷复合粉末材料的装置，其特征在于，包括混合室和粉末室，所述混合室分别与陶瓷粉末送粉装置和供气装置连接，所述粉末室分别与排气装置和集粉装置连接；所述粉末室上部设有熔融装置，粉末室内部设雾化喷嘴，所述混合室通过管道与粉末室内部的雾化喷嘴相连，所述陶瓷粉末送粉装置为可计量的陶瓷粉末送粉装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属熔融装置下方连接有导液管，雾化喷嘴位于导液管的末端。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括金属熔融装置，所述金属熔融装置位于粉末室内或粉末室外。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，若金属熔融装置位于粉末室内，则金属熔融装置位于雾化喷嘴上方。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，若金属熔融装置位于粉末室内，所述粉末室内部设可以阻止粉末进入金属熔融装置内的隔层。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，若金属熔融装置位于粉末室外，还包含防止金属氧化的保护装置。
7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，混合室与陶瓷粉末送粉装置的连接处位于混合室的上部；混合室与和供气装置的连接处位于混合室的下部。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述隔层将粉末室分为上腔室和下腔室，上腔室连接有防止金属氧化的保护装置。
9.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述混合室的下部为V型或U型。
10.一种制备金属陶瓷复合粉末的方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1-8任一项的装置，该方法包含如下步骤：
（1）将金属原材料放入金属熔融装置内，排除氧气；将熔融装置内的金属原材料加热至熔融态；将陶瓷粉末加入到混合室中，并通入惰性气体，将陶瓷粉末吹散，得到含陶瓷粉末的混合气体；
（2）将熔融的金属液沿导液管流向粉末室，同时将含陶瓷粉末的混合气体通入雾化喷嘴虽金属液进行气体雾化；
（3）雾化完成后，冷却至室温，收集金属陶瓷粉末材料。
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