专利名称：超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末。
传统的镍包铝粉末是一种包覆型复合粉末，其后发展的铝包镍粉末则是一种非包覆型粉末复合粉末。相比之下，后者显示出较好的特性，如涂层结合强度较高、喷涂工艺性较好(喷涂烟雾少、焰流集中)。铝包镍粉受热到一定温度后，组元间发生强烈的放热反应，从而对工件基体和喷涂材料熔滴进行充分加热，使熔滴能与基体表面的熔融薄层实现微冶金结合，得到较高的结合力；同时喷涂后涂层外表面粗糙，提供了一个理想的可以连接其它喷涂材料的表面。因而镍铝涂层不仅用作工作层，更多地用作许多材料的粘结底层。这使得它在热喷涂行业具有广阔的应用市场与前景。
国际著名的METCO、Castolin等喷涂材料生产商均拥有自己的铝包镍复合粉末产品。我国于70年代末80年代初由北京矿冶研究总院通过大量的研究工作，首先研制出了铝包镍复合粉末，并在生产及相关新材料研制中获得较大应用。经分析比较及考察，研制的铝包镍复合粉末综合技术性能接近美国METCO450及瑞士Castolin25000等同类产品水平。尽管如此，原研制的铝包镍复合粉末仍在满足喷涂工艺及涂层组织性能的进一步要求方面暴露出不足。这主要体现在粉末成分的不均匀性，喷涂工艺的适应性不足，涂层组织不均匀、缺陷较多等导致综合使用性能需要提高。原铝包镍粉以粗粒径镍粉与细粒径铝粉为主要原料制备。以镍粉为核心，其粒径约45-102μm，而铝粉则在镍粉颗粒的外表面形成包覆层，原则上铝粉愈细则愈有利于包覆层的均匀，并将改善粉末的流动性，最终有利于获得均匀、致密涂层。美国于70年代的一份专利技术资料指出，粉末组元平均直径相差越大包覆效果越好。并举例，用14μm铝粉包覆75μm镍粉，只能有5个铝颗粒包在1个镍颗粒外围；而当铝粉粒径在4μm时，则包覆数增加至200以上。
但目前采用的铝粉平均粒径通常在3-5μm左右，由于铝粉粒径较大，包覆的效果仍不理想，镍颗粒表面存在未包覆区，粉末中存在自由散落或自身团聚的铝粉，因此，目前普通的铝包镍复合粉未成分不均匀，流动性差，用于热喷涂会导致放热程度不适，涂层组织不均匀，缺陷较多等综合使用性差。
有关纳米金属粉的制备方法很多，如研磨法，申请号CN00105672、及CN00209258中专利申请说明书中作了详细介绍。如激光法，申请号CN00212238中专利申请说明书中作了详细介绍。如电弧法，申请号CN00261101中专利申请说明书中作了详细介绍。如电爆法，公开号RU2149735中专利申请说明书中作了详细介绍。但是，通过检索，并未检索到采用超微或纳米金属粉包覆其它金属颗粒的技术。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案这种超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末，是以镍粉颗粒为核心，铝粉在镍粉颗粒的外表面形成包覆层，所述铝粉的平均粒径为30-800nm。
本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末中，所述铝粉的平均粒径最佳范围为50-150nm。
本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末中，所述镍粉颗粒的平均粒径为20-120μm。
本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末中，以重量百分数计，其中，Al为1-20wt％，粘结剂为1-8wt％，余量为镍粉。
本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末中，所述粘结剂最佳范围为2-5wt％。
本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末中，所述的铝粉是通过粘结剂均匀粘结于镍粉颗粒的外表面上形成包覆层。
制备本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法包括下述步骤按照常规方法制备超微或纳米铝粉；按照下述重量百分比配料超微或纳米铝粉为1-20wt％，粘结剂为1-8wt％，余量为镍粉；采用螺旋团聚搅拌装置进行包覆搅拌，在该装置内装入上述重量的镍粉，粘结剂及≤40wt％的上述重量的超微或纳米铝粉进行预包覆、搅拌，之后再加入剩余重量的超微或纳米铝粉，进行多层包覆搅拌，同时进行固化搅拌干燥；固化干燥后进行卸料，然后进行筛分，即得超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末。
制备本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法中，所述的粘结剂由环氧树脂、二胺、无苯环氧稀料组成，环氧树脂、二胺、无苯环氧稀料重量份数比为7-10∶0.5-2∶18-22；或由酚醛树脂、NL固化剂、无苯醇酸稀料组成，酚醛树脂、NL固化剂、无苯醇酸稀料重量份数比为8-10∶0.5-2∶18-22。
制备本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法中，所述的镍粉、粘结剂和超微或纳米铝粉的总加入量为螺杆团聚搅拌装置容积的20-80体积％。
制备本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法中，所述的螺旋团聚搅拌装置的搅拌时间为10-100min。
制备本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法中，所述的筛分采用机械振动筛，其上筛为120-180目，下筛为280-360目。
制备本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法中，所述的螺旋团聚搅拌装置的螺杆转速为30-300rpm。
在本发明中，当不采用粘接剂时，是采用高能球磨法进行团聚包覆。
图1为本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末制备工艺流程2为普通铝包镍复合粉末颗粒形貌3为本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的颗粒形貌4(a)为普通铝包镍复合粉末在空气条件下的差热分析结果图示图4(b)为本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末在空气条件下的差热分析结果图示图5(a)为等离子喷涂的纳米铝包镍涂层的金相组织5(b)为等离子喷涂的普通铝包镍涂层的金相组织5(c)为等离子的METCO450涂层的金相组织图
1、超微或纳米铝粉的制备采用公知的方法制备超微或纳米铝粉。
2、粘结剂的选择粘结剂的作用是将超微或纳米铝粉均匀粘结于粒径大之数百倍的镍粉颗粒表面，并实现均匀的多层包覆，形成均匀的镍/铝复合体。要求粘结强度高、分散性好、易于干燥(固化或挥发)，且耐热、耐湿。所述的粘结剂由环氧树脂、二胺、无苯环氧稀料组成，环氧树脂、二胺、无苯环氧稀料重量份数比为7-10∶0.5-2∶18-22；或由酚醛树脂、NL固化剂、无苯醇酸稀料组成，酚醛树脂、NL固化剂、无苯醇酸稀料重量份数比为8-10∶0.5-2∶18-22。
3、团聚包覆工艺团聚包覆工艺过程步骤实际上包括装镍粉料、加粘结剂、加一部分超微或纳米铝粉料、预包覆、搅拌，加剩余的超微或纳米铝粉料、包覆搅拌、固化干燥，卸料。包覆过程在的螺旋团聚搅拌装置上进行，螺旋团聚搅拌装置是由具有进、出料口的容体内设有由驱动力驱动的螺杆组成。
镍粉作为主要原料，采用北京矿冶研究总院生产的雾化镍粉(颗粒形状近球形)，其含镍量大于99.0％；粒径分布控制在略细于最终粒径要求的指标。而超微或纳米铝粉的平均粒径通常可在30-800nm范围调节。
为保证包覆搅拌的效果，装料量应控制一定的相对量，实验表明，以装料体积占团聚装置容积的20-80％为宜。
本发明的团聚搅拌包覆过程中，是按下述步骤进行，先在螺旋团聚搅拌装置内装入镍粉料、粘结剂及部分超微或纳米铝粉料，开动搅拌装置进行予包覆、搅拌，之后再加入剩余的超微或纳米铝粉料进行包覆搅拌。
固化干燥在团聚包覆搅拌阶段中已同时进行，在完成包覆阶段后仍在继续进行。固化干燥后进行卸料，卸料滞留后，经过筛分最终获得本发明的超微或纳米铝粉包覆的复合型镍铝层材料。固化干燥的温度为室温-150℃。
本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末(以下简称本发明铝包镍)和普通的较粗铝粉包覆的铝包镍复合粉末(以下简称原铝包镍)进行比较，其中流动性、松装密度见表1。
表1本发明铝包镍与原铝包镍复合粉末部分特性比较
从表1看出，本发明铝包镍在流动性和松装密度性能上优于原铝包镍。
本发明铝包镍的颗粒形貌见图3照片，与图2照片中的原铝包镍的颗粒形貌相比较。采用原较粗铝粉尽管加入较大的粘接剂量，仍难于获得理想的粘接效果，镍颗粒表面存在未包覆区，粉末中存在自由散落或自身团聚的铝粉。较大粒径的铝粉颗粒由于其单位质量与镍颗粒的接触面小，难于实现牢固粘接。而采用超微或纳米铝粉新工艺包覆后的复合粉明显均匀、粘结效果好，并且无自由散落的铝粉。同时，也说明包覆均匀的“镍/纳米铝”复合颗粒呈现较好的表面形态，这正是其粉末流动性好的原因。本发明铝包镍在燃烧特性(差热)上优于原铝包镍。图4为差热分析结果图示，图4(a)所示为原铝包镍，图4(b)所示本发明铝包镍。本发明铝粉包覆的铝包镍复合粉末的放热效果明显比原铝包镍复合粉末放热效果较强且较宽。
试验检测表明，本发明铝包镍复合粉末的喷涂工艺性能优越。主要体现在放热强度更合适、烟雾少、焰流放热集中，粉末沉积效率高。
图5为原铝包镍粉末图5(a)与纳米铝包镍粉末图5(b)等离子喷涂后的典型涂层组织形态，图中还给出了METCO450等离子喷涂后的典型组织图5(c)。比较可见，图5(a)的组织形态明显比图5(b)更均匀、致密、细小，同时略优于图5(c)。均匀、致密的涂层组织不仅有利于常规力学性能，而且有益于抗氧化性、涂层的导热性的提高，最终拓宽涂层的使用领域、延长涂层的使用寿命。
采用本发明的超微或纳米铝包镍喷涂后的涂层结合强度优于原铝包镍喷涂后的涂层结合强度。
表2列出了等离子喷涂涂层的典型检测结果。结果表明，本发明铝粉包覆的镍铝复合粉末不仅喷涂工艺性好，同时由于成分均匀、喷涂过程热特性的改善，获得了均匀、致密、细小的涂层组织，并使得涂层的结合强度有所提高。通过结合强度的提高，使得本发明纳米铝粉包覆的镍铝复合粉末产品能够满足军工部门某重要部件的粘接底层喷涂的要求。
表2涂层结合强度的比较
实施例按照常规的方法制备纳米铝粉，其平均粒径为50-150nm；并选取平均粒径为20-120μm的镍粉；并按下述配比称料，纳米铝粉6wt％，粘接剂为4wt％，余量为镍粉。并以环氧树脂、二胺、无苯环氧稀料的混合物作为粘结剂，其中，环氧树脂、二胺、无苯环氧稀料的重量比为9∶1∶20。
采用螺杆团聚搅拌装置进行包覆搅拌，并按下述步骤进行，先在螺旋团聚搅拌装置内装入上述重量的镍粉料、及1/3量的钠米铝粉料，然后加入上述重量的粘结剂，开动搅拌装置进行预包覆、搅拌，之后再加入剩余2/3量的纳米铝粉进行包覆、搅拌。其中，加料量即镍粉、粘结剂、纳米铝粉的总体积占搅拌装置容积的50体积％。搅拌装置的螺杆转速为150rpm。搅拌时间以粘结剂固化为准，总时间为60min，其中预搅拌时间占整个搅拌时间的1/3。
固体干燥在团聚包覆搅拌时同时进行，固化干燥的温度为室温，在完成包覆搅拌后，仍可在搅拌装置中停留一定时间(约15min)继续进行固化干燥。
固化干燥后进行卸料，卸料滞留后，通过机械振动筛进行筛分，根据最终产品粒径的要求，采用1 50目为上筛，300目为下筛进行筛分，最后得到本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末。
本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末具有以下特点(1)复合颗粒包覆形态均匀、完整，无散落的铝粉，因而复合粉末均匀性好；(2)复合粉末流动性好，典型流动性为19s/50g；(3)复合粉末燃烧特性优越，因而在喷涂操作过程中发热强度合适。
以本发明的超微或纳米铝粉包覆的镍铝复合粉末制备的涂层具有以下特点(1)涂层组织均匀性好、孔隙少，明显优于国产以微米级铝粉包覆的镍包铝复合粉末涂层组织，并略优于国外微米级铝粉包覆的镍包铝复合粉末涂层组织
(2)涂层结合强度明显高于以微米级铝粉包覆的铝包镍复合粉末涂层，且作为底层材料能够稳定地达到国外高性能航空发动机所用涂层的粘接强度要求，达到48.3MPa以上。
权利要求
1.一种超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末，是以镍粉颗粒为核心，铝粉在镍粉颗粒的外表面形成包覆层，其特征在于，所述铝粉的平均粒径为30-800nm。
2.根据权利要求1所述的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末，其特征在于，所述铝粉的平均粒径为50-150nm。
3.根据权利要求1或2所述的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末，其特征在于，所述镍粉颗粒的平均粒径为20-120μm。
4.根据权利要求3所述的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末，其特征在于以重量百分数计，其中，Al为1-20wt％，粘结剂为1-8wt％，余量为镍粉。
5.根据权利要求4所述的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末，其特征在于，所述的铝粉是通过粘结剂均匀粘结于镍粉颗粒的外表面上形成包覆层。
6.一种制备权利要求1所述的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤按照常规方法制备超微或纳米铝粉；按照下述重量百分比配料超微或纳米铝粉为1-20wt％，粘结剂为1-8wt％，余量为镍粉；采用螺旋团聚搅拌装置进行包覆搅拌，在该装置内装入上述重量的镍粉，粘结剂及≤40wt％的上述重量的超微或纳米铝粉进行预包覆、搅拌，之后再加入剩余重量的超微或纳米铝粉，进行多层包覆搅拌，同时进行固化搅拌干燥；固化干燥后进行卸料，然后进行筛分，即得超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末。
7.根据权利要求6所述的制备超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法，其特征在于，所述的粘结剂由环氧树脂、二胺、无苯环氧稀料组成，环氧树脂、二胺、无苯环氧稀料重量份数比为7-10∶0.5-2∶18-22；或由酚醛树脂、NL固化剂、无苯醇酸稀料组成，酚醛树脂、NL固化剂、无苯醇酸稀料重量份数比为8-10∶0.5-2∶18-22。
8.根据权利要求6所述的制备超微或纳米铝粉包覆的复合型镍铝层材料的方法，其特征在于，所述的镍粉、粘结剂和超微或纳米铝粉的加入量为螺杆团聚搅拌装置容积的20-80体积％。
9.根据权利要求6所述的制备超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法，其特征在于，所述的螺旋团聚搅拌装置的搅拌时间为10-100min。
10.根据权利要求6所述的制备超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末的方法，其特征在于，所述的筛分采用机械振动筛，其上筛为120-180目，下筛为280-360目。
全文摘要
一种超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末，是以镍粉颗粒为核心，铝粉在镍粉颗粒的外表面形成包覆层，所述铝粉的平均粒径为30－800nm。本发明的超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合粉末具有以下特点(1)复合颗粒包覆形态均匀、完整，无散落的铝粉，因而复合粉末均匀性好；(2)复合粉末流动性好，典型流动性为19s/50g；(3)复合粉末燃烧特性优越，因而在喷涂操作过程中发热强度合适。
文档编号B22F1/02GK1436623SQ02100588
公开日2003年8月20日 申请日期2002年2月6日 优先权日2002年2月6日
发明者于月光, 曾克里, 宋希剑, 许根国, 陈舒予, 谢建刚 申请人:北京矿冶研究总院