CN109396453A - 一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铜合金粉末技术领域，尤其涉及一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：将铝青铜预合金原料置于中频感应炉的石墨坩埚内，真空熔炼，然后采用气雾化工艺制成铝青铜球形粉末；将纳米弥散相微粉投入纯水中，同时加入一种有机硅类表面活性剂，经超声分散后，纳米相在水中形成胶体溶液；将铝青铜球形粉末投入胶体溶液中，充分搅拌后置于烘箱内，加热干燥；将得到的粉体放入混料罐进行混料，使粉体之间相互摩擦，即获得弥散强化铝青铜球形粉。相对于现有技术，采用本发明的铝青铜粉制得的涂层结构致密，涂层中分布有纳米至亚微米尺寸的弥散相颗粒，弥散相颗粒尺寸稳定，均匀分布于冷喷涂获得的层状结构的膜层中，起到颗粒弥散强化效果。
Description
技术领域
本发明属于铜合金粉末制备及表面喷涂技术领域，尤其涉及一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法。
背景技术
铝青铜具有较高的强度，同时还具有较好的弹性、耐疲劳性能好、耐腐蚀、耐磨、耐低温冲击等优点，广泛应用于机械、电子、冶金、船舶、海洋工业等领域。作为涂层材料，铝青铜不仅是一种常见的表面修复材料同时又是一种优秀的软质耐磨涂层材料，具有抗接触磨损，抗气蚀，干摩擦性能出色的优点，在大型船舶螺旋桨、航空发动机部件、机械传动轴部件等领域有着广泛应用。然而，若想进一步提高铝青铜材料的耐磨性能，办法不多。常见的办法是提高铝元素的含量或加入合金元素，然而，合金元素的加入又会对材料的综合机械性能产生此消彼长的复杂影响。对铜合金而言，在材料中引入弥散强化相进行增强也是常见的技术手段。有研究人员试图借鉴内氧化法生产弥散强化铜粉的技术，将弥散强化相引入铝青铜中，以期获得更好的材料性能。然而弥散强化铝青铜粉末的内氧化法制备存在较大困难：由于铝青铜中铝含量高达10%左右，在内氧化工艺过程中，粉末颗粒表面会优先形成一层致密的氧化铝钝化膜，阻止内氧化过程继续进行，使粉末内部无法生成氧化铝弥散相；且粉末颗粒的表面存在氧化铝钝化层还会影响喷涂效果，影响上粉率。因而常规内氧化法无法获得弥散强化铝青铜粉。
鉴于此，本发明旨在提供一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，采用本发明制备得到的弥散强化铝青铜球形粉可广泛应用于冷喷涂、热喷涂、激光熔覆等领域。用该弥散强化铝青铜粉制得的涂层结构致密，涂层中分布有纳米至亚微米尺寸的弥散相颗粒，弥散相颗粒尺寸稳定，均匀分布于冷喷涂获得的层状结构的膜层中，起到颗粒弥散强化效果。涂层具有更高的硬度，涂层的耐磨效果提升3倍以上。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，采用本发明制备得到的弥散强化铝青铜球形粉可广泛应用于冷喷涂、热喷涂、激光熔覆等领域。用该弥散强化铝青铜粉制得的涂层结构致密，涂层中分布有纳米至亚微米尺寸的弥散相颗粒，弥散相颗粒尺寸稳定，均匀分布于冷喷涂获得的层状结构的膜层中，起到颗粒弥散强化效果。涂层具有更高的硬度，涂层的耐磨效果提升3倍以上。
为了实现上述目的，本发明所采用如下技术方案：
一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将铝青铜预合金原料置于中频感应炉的石墨坩埚内，真空熔炼，然后采用惰性气体雾化法工艺制成铝青铜球形粉末；
步骤二，将纳米弥散相微粉投入纯水中，同时加入表面活性剂，经超声分散后，纳米相在水中形成胶体溶液；
步骤三，将步骤一得到的、符合粒径范围的铝青铜球形粉末投入步骤二得到的胶体溶液中，充分搅拌后置于烘箱内，加热干燥；
步骤四，待完全干燥后，将得到的粉体放入混料罐进行混料，使粉体之间相互摩擦，纳米弥散相微粉颗粒与铝青铜球形粉表面镶嵌、粘附得更为紧密，即获得含有弥散强化相的铝青铜球形粉。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，步骤一中，按质量百分比计，铝青铜预合金原料至少包括7%-12%的Al，0-5%的Ni，0-5%的Fe和0-5%的Mn，余量由铜补足。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，步骤一中，采用气雾化工艺制备铝青铜球形粉末的过程中，熔体过热度为200-300℃，雾化介质为氮气或氩气。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，所述纳米弥散相微粉的材质为Al2O3、ZrO2、Y2O3、Cr2O3、Si3N4、AlN、TiC、SiC中的至少一种。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，所述纳米弥散相微粉的颗粒尺寸为20nm-80nm。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，步骤二中，所述AD18#为一种硅烷偶联剂类表面活性剂。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，步骤三中，所述纳米弥散相微粉与所述铝青铜球形粉末的质量比为（0.1-5）：100；所述表面活性剂与所述铝青铜球形粉末的质量比为（0.1-0.5）：100；所述纯水与所述铝青铜球形粉末的质量比为（20-35）：100。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，步骤三中的干燥温度为60℃-90℃。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，步骤四中混料时，装料量为混料罐容量的40%-60%，混料时间为2h -3h。
作为本发明弥散强化铝青铜球形粉的制备方法的一种改进，步骤三中符合粒径范围的铝青铜球形粉末是指粒径分布为10-53微米的微粉（适用于冷喷涂领域）或者粒径分布为50-120微米的微粉（适用于热喷涂及激光熔覆领域）。
相对于现有技术，采用本发明制备得到的弥散强化铝青铜球形粉可广泛应用于冷喷涂、热喷涂、激光熔覆等领域。用该弥散强化铝青铜粉制得的涂层结构致密，涂层中分布有纳米至亚微米尺寸的弥散相颗粒，弥散相颗粒尺寸稳定，均匀分布于冷喷涂获得的层状结构的膜层中，起到颗粒弥散强化效果。涂层具有更高的硬度，涂层的耐磨效果提升3倍以上。
也就是说，本发明预先将纳米尺寸的强化相颗粒粘附于铝青铜粉表面，在随后的喷涂过程中，随着铝青铜粉在基体表面不断沉积形成涂层，这些粘附在铝青铜粉末表面的纳米强化相颗粒也源源不断嵌入涂层内，最终获得稳定的弥散强化铝青铜涂层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
本实施例提供了一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将牌号为QAL9-4的铝青铜原料置于中频熔炼炉的石墨坩埚内，真空熔炼，用氮气雾化法制成铝青铜球形粉末。取其中粒径分布为15-53微米范围内的微粉（-300目）；
步骤2：将重量百分比为铝青铜2.5%的纳米氧化铝粉（平均粒径为30-50 nm）投入重量百分比占铝青铜30%的纯水中，加入表面活性剂AD18#，其比例为铝青铜粉的0.3%wt，经超声分散后形成胶体；
步骤3：将以上铝青铜粉投入该胶体溶液中，充分搅拌后连同液体一起置于烘箱内，在80℃条件下干燥。
步骤4：待粉体全部干燥后，将粉体放入V型混料罐进行混料，装料量为罐体积的60%，混料时间为2hr，即获得纳米氧化铝弥散强化铝青铜粉，该粉体应用于冷喷涂领域。
将以上步骤获得的氧化铝弥散强化铝青铜粉用于冷喷涂，激光粒度仪检测该粉末的粒径分布为：D10：14μm ；D50：23μm；D90：43μm；冷喷涂气体为工业氮气，气体压力50Bar，预热温度为550-600℃，喷涂距离25-30mm，送粉速效率40-50Kg/hr。该工艺所获得的涂层具有良好致密姓，涂层密度为97-98%，微观为典型层状结构，沉积在涂层中的氧化铝弥散相颗粒大小在0.5-4.8μm之间，分布较均匀。该涂层较未加入氧化铝弥散强化颗粒的涂层对比，涂层硬度提升了1.3-1.5倍，而耐磨性则提升了的2.8-3.2倍。
实施例2
本实施例提供了一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将牌号为QAL9-4的铝青铜原料置于中频熔炼炉的石墨坩埚内，真空熔炼，熔体过热度250-300℃，用氮气雾化法制成铝青铜球形粉末。取其中粒径分布为50-120微米范围内的微粉（-100+250目）；
步骤2：将重量百分比为铝青铜3%的纳米氧化铝粉（平均粒径为30-50 nm）投入重量百分比占铝青铜25%的纯水中，加入表面活性剂AD18#，其比例为铝青铜粉的0.2 %wt，经超声分散后形成胶体；
步骤3：将以上铝青铜粉投入该胶体溶液中，充分搅拌后连同液体一起置于烘箱内，在80℃条件下干燥。
步骤4：待粉体全部干燥后，将粉体放入V型混料罐进行混料，装料量为罐体积的60%，混料时间为2hr，即获得纳米氧化铝弥散强化铝青铜粉，该粉体应用于激光熔覆领域。
将以上步骤获得的氧化铝弥散强化铝青铜粉用于激光熔覆，该粉末粒径分布为：D50：50-65μm；D90：90μm；熔覆基底为9442铝青铜材料，激光熔覆参数如下：激光功率：3000W，激光光斑直径5mm；扫描速度6-8mm/s，送粉量30Kg/hr。所获得的激光熔覆涂层组织致密，无裂纹，熔覆层与基底之间呈现冶金结合特征。熔覆涂层中分布有氧化铝颗粒强化相，强化相大小在0.8-2.3μm之间，分布较均匀。
实施例3
本实施例提供了一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将牌号为QAL10-4-4的铝青铜原料置于中频熔炼炉的石墨坩埚内，真空熔炼，用氮气雾化法制成铝青铜球形粉末。取其中粒径分布为40-100微米范围内的微粉（-150+300目）；
步骤2：将重量百分比为铝青铜3%的纳米氧化锆粉（平均粒径为20 nm）投入重量百分比占铝青铜25%的纯水中，加入表面活性剂AD18#，其比例为铝青铜粉的0.2 %wt，经超声分散后形成胶体；
步骤3：将以上铝青铜粉投入该胶体溶液中，充分搅拌后连同液体一起置于烘干燥箱内，在80℃条件下干燥。
步骤4：待粉体全部干燥后，将粉体放入V型混料罐进行混料，装料量为罐体积的50%，混料时间为2hr，即获得纳米氧化锆弥散强化铝青铜粉，该粉体应用于超音速火焰喷涂领域。
将以上步骤获得的氧化铝弥散强化铝青铜粉用于超音速火焰喷涂，粉末粒径分布为： D50：50-55μm；D90：80-90μm；喷涂基底材料为不锈钢。所获得的喷涂组织表面略显粗糙，涂层致密，无明显孔隙。涂层中分布有氧化锆颗粒强化相，强化相大小在2-5μm之间，分布较均匀。
实施例4
本实施例提供了一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将牌号为QAL9-4的铝青铜原料置于中频熔炼炉的石墨坩埚内，真空熔炼，用氩气雾化法制成铝青铜球形粉末。取其中粒径分布为15-53微米范围内的微粉（-300目）；
步骤2：将重量百分比为铝青铜2%的纳米氮化硅粉（平均粒径为40-60 nm）投入重量百分比占铝青铜22%的纯水中，加入表面活性剂AD18#，其比例为铝青铜粉的0.2%wt，经超声分散后形成胶体；
步骤3：将以上铝青铜粉投入该胶体溶液中，充分搅拌后连同液体一起置于烘箱内，在70℃条件下干燥。
步骤4：待粉体全部干燥后，将粉体放入V型混料罐进行混料，装料量为罐体积的50%，混料时间为2.5hr，即获得纳米氮化硅弥散强化铝青铜粉，该粉体应用于冷喷涂领域。
将以上步骤获得的氮化硅弥散强化铝青铜粉用于冷喷涂工艺。该粉末粒径分布为：D10：14μm ；D50：23μm；D90：43μm；冷喷涂载气气体为工业氮气，气体压力50Bar，预热温度为550-600℃，喷涂距离25-30mm，送粉速效率40-50Kg/hr，喷涂基板为纯铜板。该工艺所获得的涂层具有良好致密姓，涂层密度为97-98%，为典型层状结构，沉积在涂层中的氧化铝弥散相颗粒大小在0.5-2.8μm之间，分布较均匀。该涂层较未加入氧化铝弥散强化颗粒的涂层对比，涂层硬度提升了1.3-1.5倍，而耐磨性则提升了的2.1倍。
实施例5
本实施例提供了一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将牌号为QAL9-4的铝青铜原料置于中频熔炼炉的石墨坩埚内，真空熔炼，用氮气雾化法制成铝青铜球形粉末。取其中粒径分布为50-120微米范围内的微粉（-100+250目）；
步骤2：将重量百分比为铝青铜3%的纳米碳化硅粉（平均粒径为40-50 nm）投入重量百分比占铝青铜28%的纯水中，加入表面活性剂AD18#，其比例为铝青铜粉的0.4 %wt，经超声分散后形成胶体；
步骤3：将以上铝青铜粉投入该胶体溶液中，充分搅拌后连同液体一起置于烘箱内，在75℃条件下干燥。
步骤4：待粉体全部干燥后，将粉体放入V型混料罐进行混料，装料量为罐体积的45%，混料时间为2.8hr，即获得纳米碳化硅弥散强化铝青铜粉，该粉体应用于激光熔覆领域。
将以上步骤获得的碳化硅弥散强化铝青铜粉用于激光熔覆，该粉末粒径分布为：D50：50-65μm；D90：90μm；熔覆基底为9442铝青铜材料，激光熔覆参数如下：激光功率：3000W，激光光斑直径5mm；扫描速度6-8mm/s，送粉量30Kg/hr。该工艺所获得的激光熔覆涂层组织致密，无裂纹，熔覆层与基底之间呈现冶金结合特征。熔覆涂层中分布有氧化铝颗粒强化相，强化相大小在0.8-4.8μm之间，分布较均匀。
实施例6
本实施例提供了一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将牌号为QAL10-4-4的铝青铜原料置于中频熔炼炉的石墨坩埚内，真空熔炼，用氮气雾化法制成铝青铜球形粉末。取其中粒径分布为40-100微米范围内的微粉（-150+300目）；
步骤2：将重量百分比为铝青铜3%的纳米氧化铝粉（平均粒径为15-20 nm）投入重量百分比占铝青铜23%的纯水中，加入表面活性剂AD18#，其比例为铝青铜粉的0.25 %wt，经超声分散后形成胶体；
步骤3：将以上铝青铜粉投入该胶体溶液中，充分搅拌后连同液体一起置于烘干燥箱内，在85℃条件下干燥。
步骤4：待粉体全部干燥后，将粉体放入V型混料罐进行混料，装料量为罐体积的50%，混料时间为2hr，即获得纳米氧化铝弥散强化铝青铜粉，该粉体应用于超音速火焰喷涂领域。
将以上步骤获得的氧化铝弥散强化铝青铜粉用于超音速火焰喷涂，粉末粒径分布为： D50：50-55μm；D90：80-90μm；喷涂基底材料为不锈钢。该工艺所获得的喷涂组织表面略显粗糙，涂层较致密，无明显孔隙。涂层中分布有氧化铝颗粒强化相，强化相大小在2-8μm之间，分布较均匀。
实施例7
本实施例提供了一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将牌号为QAL9-4的铝青铜原料置于中频熔炼炉的石墨坩埚内，真空熔炼，用氮气雾化法制成铝青铜球形粉末。取其中粒径分布为15-53微米范围内的微粉（-300目）；
步骤2：将重量百分比为铝青铜3.5%的纳米氧化钇粉（平均粒径为40-60 nm）投入重量百分比占铝青铜32%的纯水中，加入表面活性剂AD18#，其比例为铝青铜粉的0.23%wt，经超声分散后形成胶体；
步骤3：将以上铝青铜粉投入该胶体溶液中，充分搅拌后连同液体一起置于烘箱内，在82℃条件下干燥。
步骤4：待粉体全部干燥后，将粉体放入V型混料罐进行混料，装料量为罐体积的50%，混料时间为2.3hr，即获得纳米氧化钇弥散强化铝青铜粉，该粉体应用于冷喷涂领域。
将以上步骤获得的氧化钇弥散强化铝青铜粉用于冷喷涂，该粉末粒径分布为：D10：14μm ；D50：23μm；D90：43μm；冷喷涂载气气体为工业氮气，气体压力50Bar，预热温度为550-600℃，喷涂距离25-30mm，送粉速效率40-50Kg/hr。所获得的涂层具有良好致密姓，涂层密度为97-98%，为典型层状结构，沉积在涂层中的氧化铝弥散相颗粒大小在0.5-4.8μm之间，分布较均匀。该涂层较未加入氧化铝弥散强化颗粒的涂层对比，涂层硬度提升了1.3-1.5倍，而耐磨性则提升了的2.1-3.2倍。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (11)
1.一种弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将铝青铜预合金原料置于中频感应炉的石墨坩埚内，真空熔炼，然后采用惰性气体雾化工艺制成铝青铜球形粉末；
步骤二，将纳米弥散相微粉投入纯水中，同时加入表面活性剂，经超声分散后，纳米相在水中形成胶体溶液；
步骤三，将步骤一得到的、符合粒径范围的铝青铜球形粉末投入步骤二得到的胶体溶液中，充分搅拌后置于烘箱内，加热干燥；
步骤四，待完全干燥后，将得到的粉体放入混料罐进行混料，使粉体之间相互摩擦，纳米弥散相微粉颗粒与铝青铜球形粉末之间镶嵌、粘附得更为紧密，即获得表面吸附有纳米强化相的铝青铜球形粉。
2.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，步骤一中，按质量百分比计，铝青铜预合金原料至少包括7%-12%的Al，0-5%的Ni，0-5%的Fe和0-5%的Mn，余量由铜补足。
3.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，步骤一中，采用中频炉真空熔炼青铜合金，熔炼时熔体过热度为250-300℃。
4.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，步骤一中，采用气雾化工艺制备铝青铜球形粉末的过程中，雾化介质为氮气或氩气。
5.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，所述纳米弥散相微粉的材质为Al2O3、ZrO2、Y2O3、Cr2O3、Si3N4、AlN、TiC、SiC中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，所述纳米弥散相微粉的颗粒尺寸为20nm-80nm。
7.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述表面活性剂AD18#为一种硅烷偶联剂类表面活性剂。
8.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述纳米弥散相微粉与所述铝青铜球形粉末的质量比为（0.1-5）：100；所述表面活性剂与所述铝青铜球形粉末的质量比为（0.1-0.5）：100；所述纯水与所述铝青铜球形粉末的质量比为（20-35）：100。
9.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，步骤三中的干燥温度为60℃-90℃。
10.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，步骤四中混料时，装料量为混料罐容量的40%-60%，混料时间为2h -3h。
11.根据权利要求1所述的弥散强化铝青铜球形粉的制备方法，其特征在于，步骤三中符合粒径范围的铝青铜球形粉末，视具体的喷涂工艺，分别指粒径分布为10-53微米的微粉（用于冷喷涂）或者粒径分布为50-120微米的微粉（用于热喷涂或激光熔覆）。
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