一种颗粒增强型预合金粉末及其制备方法与应用与流程

本发明涉及气雾化合金粉末制备技术领域，尤其涉及一种颗粒增强型预合金粉末及其制备方法与应用。

背景技术：

气雾化技术所制备的粉末具有粒度细小、球形度高、氧含量低、冷凝速度快等优点，是目前生产高性能金属粉末的主要方法，气雾化生产的粉末约占世界粉末总产量的30％～50％。其中真空雾化制粉技术是指在真空条件下熔炼金属材料，在气体保护的条件下，高压气流将金属液体雾化破碎成大量细小的液滴，液滴在飞行中凝固成球形或是近球形颗粒，其核心是将高速气流的动能最大限度地转化为新生粉末表面能，雾化介质通常为氩气或氮气等气体，冷却介质为气体或液体，是激光熔覆各类粉末制备的主流方法。

在激光熔覆生产中，经过气雾化方法制备的合金粉末可以直接熔覆使用，很多时候为了达到特殊性能，经常在合金粉末中添加适当比例的WC、SiC、TiC、Cr2C3等金属陶瓷粉末，再经过混粉器进行机械混合，混合均匀后用于激光熔覆使用，所添加的金属陶瓷粉末在激光熔覆层中将以硬质相存在，形成了硬质颗粒增强型合金熔覆层。

传统方法是在已经制备好的合金粉末中直接添加金属陶瓷粉末，再通过机械方法混合均匀，由于所添加的金属陶瓷粉末与合金粉末密度不同，即便经过一定时间的混合，只能做到相对均匀，也必将影响到其后激光熔覆层中硬质合金颗粒的分布均匀性，容易在其后合金熔覆层中形成分层，做不到合金层均匀一致，也必将影响到合金层的使用性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种颗粒增强型预合金粉末及其制备方法与应用。本发明提供的制备方法实现了颗粒与金属液体的均匀预合金化，显著提高最终粉末的性能指标，为其后激光熔覆提供根本保证。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种颗粒增强型预合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

将合金熔炼，得到金属液体；

将颗粒与气体混合，得到气粉混合物；

将所述气粉混合物喷出，利用气粉混合物喷出时产生的气流将所述金属液体雾化，得到所述颗粒增强型预合金粉末。

优选地，所述气粉混合物的温度为-20℃～5℃。

优选地，所述气粉混合物喷出的压力为16～18公斤。

优选地，所述气粉混合物喷出的速度≥1000m/s。

优选地，所述金属液体的温度为1525～1555℃。

优选地，所述气粉混合物喷出的始点与所述金属液体的距离为10～20mm。

优选地，所述金属液体雾化时为水流状。

优选地，所述水流状金属液体的流速为100～120cm/s。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的颗粒增强型预合金粉末。

本发明还提供了上述技术方案所述的颗粒增强型预合金粉末在激光熔覆领域中的应用。

本发明提供了一种颗粒增强型预合金粉末的制备方法，包括以下步骤：将合金熔炼，得到金属液体；将颗粒与气体混合，得到气粉混合物；将所述气粉混合物喷出，利用气粉混合物喷出时产生的气流将所述金属液体雾化，得到所述颗粒增强型预合金粉末。本发明将颗粒与气体混合后形成的气粉混合物喷出，并利用气粉混合物喷出时产生的气流将金属液体雾化，实现了颗粒与金属液体的预合金化，并提高了颗粒与金属液体的混合均匀度，显著提高了最终粉末的性能指标，为后续的激光熔覆提供了根本保证。较传统机械式添加和混合的方式，本发明提供的制备方法更加稳定，没有出现传统混粉方式中熔覆易出现的孔洞、熔不满及分层的现象。实施例的数据表明：本发明所得颗粒增强型预合金粉末球形度好，平均粒径为100～450目；用于激光熔覆时，熔覆层没有孔洞，或者孔洞数量少，且熔覆层没有分层现象。

附图说明

图1为球形混合腔体的结构示意图，其中，1-进气口，2-进气阀，3-出气口，4-出气阀，5-进气喷嘴，6-密封旋转接头，7-送料口，8-阀门；

图2为实施例1所得颗粒增强型预合金粉末的SEM图；

图3为实施例1所得颗粒增强型预合金粉末得到的熔覆层的照片；

图4为实施例2所得颗粒增强型预合金粉末得到的熔覆层的照片；

图5为实施例3所得颗粒增强型预合金粉末得到的熔覆层的照片。

具体实施方式

本发明提供了一种颗粒增强型预合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

将合金熔炼，得到金属液体；

将颗粒与气体混合，得到气粉混合物；

将所述气粉混合物喷出，利用气粉混合物喷出时产生的气流将所述金属液体雾化，得到所述颗粒增强型预合金粉末。

本发明将合金熔炼，得到金属液体。

本发明对合金中金属元素的比例不做具体限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择即可；同时，本发明对所述熔炼的参数不做具体限定，本领域技术人员根据所选用的合金进行设置即可。在本发明的具体实施例中，所述合金优选包括以下重量百分比的组分：C0.35％，Cr18％，Co2.5％，Ni3％，余量为Fe；C0.25％，Cr19％，Mo2％，Ni4％，余量为Fe；C0.45％，Cr13％，Mn1.5％，余量为Fe。在本发明中，所述熔炼优选在电炉中进行。

本发明将颗粒与气体混合，得到气粉混合物。

在本发明中，所述气体优选包括氩气或氮气。本发明对所述颗粒的种类不做具体限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择即可，在本发明的具体实施例中，所述颗粒优选为WC、SiC、TiC或Cr2C3。在本发明中，所述颗粒的粒径优选为135～325目。在本发明中，所述颗粒与气体的用量比优选为100～300g：30～50L。

在本发明中，所述颗粒与气体优选在球形混合腔体中进行混合。在本发明中，所述球形混合腔体的结构示意图如图1所示，其中，1-进气口，2-进气阀，3-出气口，4-出气阀，5-进气喷嘴，6-密封旋转接头，7-送料口，8-阀门。在本发明中，所述进气喷嘴的数量优选为6个；每个进气喷嘴之间的夹角优选为25°。在本发明中，所述进气口与球形混合腔体径向方向的夹角优选为60°；所述进气口与球形混合腔体之间的夹角能够保证从进气口进入的气体在球形腔内形成旋流，带动加入的颗粒旋转并充分混匀。

在本发明中，当利用球形混合腔体对颗粒和气体进行混合时，具体操作步骤优选为：打开阀门8，将所需添加的颗粒通过送料口7放入，然后关闭阀门8；打开进气口1上的进气阀2，持续通入气体，形成旋流，实现气体与颗粒的均匀混合；依据所添加颗粒的数量和密度，设置好混合时间；然后打开出气口3上的出气阀4，将混合好的气粉混合物通入环形雾化气管道喷出。

得到金属液体、气粉混合物后，本发明将所述气粉混合物喷出，利用气粉混合物喷出时产生的气流将所述金属液体雾化，得到所述颗粒增强型预合金粉末。

在本发明中，所述气粉混合物的温度优选为-20℃～5℃；所述气粉混合物喷出的速度优选为≥1000m/s，进一步优选为1000～1500m/s；所述气粉混合物的喷出压力优选为16～18公斤，进一步优选为16公斤。在本发明中，所述气粉混合物喷出的设备优选为环形雾化器管道。

在本发明中，所述金属液体的温度优选为1525～1555℃，进一步优选为1530～1550℃。在本发明中，所述气粉混合物喷出的始点与所述金属液体的距离优选为10～20mm，即环形雾化气管道的出口距离金属液体的距离为10～20mm。在本发明中，所述金属液体优选为水流状；所述水流状金属液体的流速优选为100～120cm/s，进一步优选为110cm/s。

在本发明中，所述水流状金属液体优选在浇注包中形成，具体为：将合金熔炼形成的金属液体注入浇注包中，然后在重力和表面张力的作用下金属液体从浇注包中流出，形成水流状金属液体。

得到颗粒增强型预合金粉末后，本发明优选根据实际需要对所述颗粒增强型预合金粉末进行筛分，获得所需尺寸的颗粒增强型预合金粉末。

在本发明中，水流状金属液体置于气粉混合物喷出的口(环形雾化器管道的出口)附近，由于气粉混合物喷出产生的气流速度快、温度低，使气粉混合物能够快速冷却金属液体，并使气粉混合中的颗粒与金属液体发生快速合金化，形成颗粒增强型预合金粉末。

本发明的方法实现了颗粒与合金的充分均匀混合，同时，实现了颗粒被合金所包覆，达到了预合金化制备的目标；在其后的用于激光熔覆等工艺时，使颗粒不易烧蚀、不易氧化，实现了最佳的颗粒增强型强化效果。

本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的颗粒增强型预合金粉末。本发明提供的颗粒增强型预合金粉末中颗粒与合金充分混合。

本发明还提供了上述技术方案所述的颗粒增强型预合金粉末在激光熔覆领域中的应用。本发明对所述颗粒增强型预合金粉末应用于激光熔覆的参数不做具体限定，本领域技术人员根据实际需要进行设置即可。

下面结合实施例对本发明提供的颗粒增强型预合金粉末及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将合金(所述合金包括以下重量百分含量的组分：C0.35％，Cr18％，Co2.5％，Ni3％，余量为Fe)在电炉中于1550℃熔炼10min，得到金属液体，并将其装入浇注包；

将金属陶瓷颗粒SiC(200g)与氩气(40L)在球形混合腔体中混合5min，得到气粉混合物；

将-15℃的气粉混合物经环形雾化气管道喷出(喷出压力为16公斤，喷出速度为1200m/s)，将浇注包中的金属液体在距离环形雾化气管道中心口15mm的位置以水流状金属液体(1550℃)流出(流速为100cm/s)，并雾化；然后筛分，得到所述颗粒增强型预合金粉末。

实施例2

将合金(所述合金包括以下重量百分含量的组分：C0.25％，Cr19％，Mo2％，Ni4％，余量为Fe)在电炉中于1525℃熔炼15min，得到金属液体，并将其装入浇注包；

将金属陶瓷颗粒WC(300g)与氩气(50L)在球形混合腔体中混合5min，得到气粉混合物；

将-15℃的气粉混合物经环形雾化气管道喷出(喷出压力为17公斤，喷出速度为1400m/s)，将浇注包中的金属液体在距离环形雾化气管道中心口20mm的位置以水流状金属液体(1525℃)流出(流速为110cm/s)，并雾化；然后筛分，得到所述颗粒增强型预合金粉末。

实施例3

将合金(所述合金包括以下重量百分含量的组分：C0.45％，Cr13％，Mn1.5％，余量为Fe)在电炉中于1525℃熔炼20min，得到金属液体，并将其装入浇注包；

将金属陶瓷颗粒TiO2(150g)与氩气(30L)在球形混合腔体中混合5min，得到气粉混合物；

将-15℃的气粉混合物经环形雾化气管道喷出(喷出压力为18公斤，喷出速度为1500m/s)，将浇注包中的金属液体在距离环形雾化气管道中心口10mm的位置以水流状金属液体(1550℃)流出(流速为120cm/s)，并雾化；然后筛分，得到所述颗粒增强型预合金粉末。

性能测试：

图2为本发明实施例1所得颗粒增强型预合金粉末的SEM图，从图2可以看出：本发明所得颗粒增强型预合金粉末球形度好，平均粒径为100～450目。

将实施例1～3所得颗粒增强型预合金粉末采用激光熔覆至45钢基材表面，激光熔覆参数为：激光功率为：2.8～4.0KW，矩形光斑为：2×14mm，搭接率为：50％，扫描速度为：450～650mm/min，采用铺粉方式预置粉末；图3～5分别为实施例1～3所得颗粒增强型预合金粉末所得激光熔覆层的照片。从图3～图5可以看出：熔覆层没有孔洞，或者孔洞数量少，且熔覆层没有分层现象。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。