陶瓷颗粒强化金属基复合粉末制备方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属基复合材料的制备，尤其是一种陶瓷颗粒强化金属基复合粉末制备方法及装置。
【背景技术】
[0002]金属基复合材料有着一系列出色的物理性能，例如高比强度、高刚度、低热膨胀系数、低成本等等。这些出色的性能使金属基复合材料在汽车、航空、军用领域有着很多的应用前景。在过去的几十年间，得益于纳米材料和先进制造工艺的快速发展，金属基复合材料的性能有了很大提高。在此背景下，如何高效地生产金属基复合粉末越来越得到人们的重视，因为粉末冶金是一种制造金属零件的主要方法之一，尤其是随着近年来激光辅助增材制造技术的快速发展。然而，将强化颗粒均匀的分散在金属基体中往往非常困难，尤其是当强化相的尺寸减小到亚微米或者纳米尺度时，由于颗粒比表面积大增产生巨大的相互吸引作用将导致严重的颗粒团聚，从而极大地影响增强颗粒的强化效果。
[0003]目前，国际上已有一系列的制造颗粒强化金属基复合粉末的方法，其中最常见的是采用球磨、高能碾磨等方法将金属基体粉末和陶瓷颗粒机械地均匀混合。例如，专利CN103710581A描述了一种制备纳米Al2O3颗粒强化铝合金基复合材料的方法，发明人采用高能球磨将Al2O3颗粒和铝合金粉末碾碎并混合，由此得到纳米Al2O3和铝合金的混合粉末。根据专利CN 1217760C，发明人将6_7%比重的Si粉(粒径80-150 nm)与球形α-Fe粉(粒径90-110 nm)球磨1-2小时，得到Si均匀包裹a-Fe粉的复合粉末并可用于后续的烧结过程。类似的，美国专利US 5439638A描述了一种制备钨铜复合粉末的方法，其基本步骤是首先将设定比例的钨粉和氧化铜粉配成浆液料，再经过球磨、干燥和过氢还原。虽然上述球磨混合的办法能够适用于混合大多数种类的金属粉末和陶瓷强化颗粒，它们往往存在着制备过程繁琐，高能耗，耗时长等缺点。另外，球磨过程中磨球对基体粉末和强化颗粒的破坏作用也会使复合粉末的质量下降。而且，当所添加的强化颗粒尺寸很小，在烘干和运输过程中的再团聚又将再次发生，必然严重影响复合粉末的均匀性。
[0004]原位反应是目前制备金属基复合粉末的另一种常见办法，它的基本思路是通过初始混合粉末在合适条件下的原位化学反应来生成强化相。例如。美国专利Patent US5882376A记录了一种制备WC-Co复合粉末的办法，其步骤是首先将含有W盐和Co盐的水性溶液干燥得到初始的粉末，然后经过脱盐和脱水处理得到W/Co氧化物复合粉末，最后在高温下经过气体渗碳过程得到含有10% Co比重的WC/Co复合粉末。类似的原位合成方法也在美国专利US6293989 BI中被提到，此专利采用了物理混合和原位化学法应结合的办法，首先W，Ti, Co的混合粉末经过高能球磨混合均匀后，再在高温和惰性气体下反应生成WC强化颗粒。根据专利CN 100507039C记录，将不锈钢粉，Ti粉和C粉用行星球磨处理60-80小时后再让Ti粉和C粉在合适条件下发生原位反应生成TiC强化颗粒，以此得到不锈钢基的TiC强化复合粉末。相比机械混合的办法制造金属基复合粉末，原位反应的方法能够得到更均的强化颗粒分布，但它往往需要严苛的反应条件(例如高温高压等)，而且能够通过原位反应得到的强化颗粒种类也非常有限，这些都限制了此类方法在工业上的应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是提供一种操作简单、成本低，能够有效避免制粉过程中对基体粉末或强化颗粒物理损伤，并且获得强化颗粒在基体粉末中均匀分布的陶瓷颗粒强化金属基复合粉末制备方法。
[0006]本发明的陶瓷颗粒强化金属基复合粉末制备方法，包括以下步骤:
1、将金属基体原料置入高频感应熔炉，并加入设定质量分数的陶瓷颗粒强化物；
2、将气雾化设备中的高频感应熔炉、气雾罐、粉末收集罐抽真空至低于IX 10—4 Pa，随后将惰性气体充入并维持设备内部气压0.1-0.5 MPa；
3、打开高频感应熔炉开关，高频感应熔炉将金属块和陶瓷颗粒原料熔化，维持熔炉温度高于金属熔点100-300°C ；
4、当原料在炉内完全融化后，打开与炉壁连接的超声发生器，产生的超声振动在金属熔体内沿水平方向传播，并维持超声处理熔体30-40分钟，以此将陶瓷强化颗粒均匀的分布在熔融金属中；
5、维持超声振动的同时打开位于高频感应熔炉底部的阀门，含有强化颗粒的金属熔融液流在重力的作用下自由下落，同时，高压气流喷嘴喷出的惰性气体将自由下落的金属熔液流击碎成球形金属液滴；
6、气雾化产生的球形熔融金属液滴在气雾罐内自由下落的过程中冷却凝固，并最终落入气雾罐底部的粉末收集罐；
7、粉末收集罐内的金属基粉末冷却至室温后，进行粉末筛分和包装，所获得的陶瓷颗粒强化金属基复合粉末形状为球形，粒径分布为20-100微米，含氧量低于2000 ppm。
[0007]所述的陶瓷颗粒强化物形状可以是纤维状、片状及须状等形态，陶瓷颗粒强化物可以是硬质碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、硬质金属间化合物等，陶瓷颗粒强化物的尺寸小于50微米。
[0008]所述的金属基体包括所有可通过气雾法制取微细金属粉末的金属材料，包括纯金属如铁、铜、铝等，常见合金材料，如铝镁合金、钴铬合金、镍基合金、不锈钢、钛合金等等。
[0009]本发明的陶瓷颗粒强化金属基复合粉末制备装置，包括高频感应熔炉、超声发生器、气雾罐，其特点是，高频感应熔炉及超声发生器设置在气雾罐顶部中央，高频感应熔炉炉底装有阀门与气雾罐内腔相通，超声发生器安装在高频感应熔炉侧壁上，并与变幅器相连;气雾罐底部与收集罐连接，气雾罐内腔中部设置锥形散热罩，散热罩上套置防护罩，高压气流喷嘴安装在气雾罐顶部内壁上，气雾罐上设有观察孔及抽真空接口，气雾罐的内壁为冷却腔，其上设置冷却水进口、冷却水出口。
[0010]本发明的陶瓷颗粒强化金属基复合粉末制备方法，通过直接熔融金属气雾，辅以超声波搅拌，能获得强化颗粒均匀分布的金属基复合粉末，其操作简单、成本低，能