本公开属于粉末冶金和金属增材制造技术领域，涉及一种金属基纳米复合粉末材料、制备方法及其应用。
背景技术：
金属基纳米复合材料是以金属及其合金为基体，以一种或多种纳米级金属或非金属颗粒为增强相构成的新型复合材料。与传统金属基复合材料相比，金属基纳米复合材料的界面结合力更强，纳米增强相在基体中的分布更加均匀，因此该材料可以克服单一材料或传统金属基复合材料的某些局限，具有更高的比强度、比模量等性质。目前以碳化钛增强钛合金、碳化硅增强铝合金、氧化物弥散强化合金等为代表的金属基纳米复合材料已被广泛应用于航空航天、军事国防以及核工业等领域。
金属基纳米复合材料的传统制备方法主要有铸造法、粉末冶金法和原位合成法等，但这些方法仍存在某些局限，如纳米颗粒容易聚集、不易获得弥散分布的增强相颗粒，以及容易向基体中引入化学成分的污染等。此外，由于某些金属基纳米复合材料的变形抗力较大，在制备成形后又有后续加工难度大、复杂形状零件成形困难等问题，甚至成为军事国防关键技术装备发展的瓶颈。
激光增材制造技术为解决上述问题提供了新的思路，也是目前研究的热点。这种制造方法在设计过程中给予了工程设计人员极大的设计自由度，通过这种方法制备的复杂形状零件是难以通过传统方法制备的。尤其在使用金属基纳米复合材料制备复杂形状零件方面，激光增材制造技术具有独特的优势。
激光增材制造技术需要使用具有良好的流动性、较高的松装密度的金属粉体材料作为原料，这样有利于获得均匀的送粉和铺粉效果，有利于获得高质量的铺粉层。如果将纳米增强相粉末与金属粉末进行简单的物理混合，金属粉末与纳米增强相粉末之间结合不牢且粒径、密度等性质差别较大，则混合粉末在流动过程中会产生物理分层，增强相颗粒也会在空间中分布不均匀。此外，纳米增强相颗粒具有严重的团聚倾向，其在自然条件下形成的大块团聚不利于在金属基体中形成均匀分布的纳米颗粒，如果团聚体过大甚至会降低材料的性能。因此，找到一种能够有效地分散纳米颗粒团聚的方法对于制备适合激光增材制造过程的复合粉末材料具有重大意义。
在一些研究中，以液相有机溶剂为分散剂，将微米合金粉末与纳米增强相粉末在液相中实现包覆，所制备的复合粉末材料可用于激光增材制造。该方法尽管能够在液相中实现纳米颗粒的解团聚和合金粉末包覆过程，但在液相搅拌和干燥、过筛过程中，纳米颗粒容易在合金粉末表面重新团聚，制备出的复合粉末材料中，合金粉末表面存在较大的纳米颗粒团聚体。
因此，有必要提出一种制备金属基纳米复合材料的方法，能够解决纳米颗粒发生团聚的技术问题，并实现纳米级颗粒在合金粉末表面均匀包覆，从而可以作为金属增材制造、粉末注射成形或者其他粉末冶金过程的原料。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种金属基纳米复合粉末材料、制备方法及其应用，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种金属基纳米复合粉末材料的制备方法，包括：步骤s11，准备微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末；步骤s12，将所述微米级球形金属粉末与所述纳米级强化相粉末按照预定比例放置于混料罐内，并在混料罐内对所述金属粉末与纳米级强化相粉末进行混料操作，得到预包覆粉末，所述预包覆粉末中，在金属粉末颗粒表面存在由纳米级强化相粉末颗粒团聚形成的分布不均匀的纳米颗粒团聚体；步骤s13，利用高能机械分散设备对所述预包覆粉末进行处理，所述高能机械分散设备包括研磨腔和转子，所述转子的转速为104转/分钟以上，将所述预包覆粉末置于所述研磨腔内，在所述研磨腔内利用转子的高速旋转及高速旋转产生的气流带动所述预包覆粉末之间以及所述预包覆粉末与研磨腔内壁之间发生相互碰撞和剪切作用，使得所述金属粉末颗粒表面的纳米颗粒团聚体分散，得到在金属粉末颗粒表面均匀包覆有纳米级强化相粉末颗粒的金属基纳米复合粉末材料。
在本公开的一实施例中，所述高能机械分散设备中，研磨腔气体压力为1.0mpa～10mpa；研磨腔气氛为氩气或氮气，气氛中氧含量不高于100ppm。
在本公开的一实施例中，所述步骤s12中，进行混料操作的时间为1h～10h。
在本公开的一实施例中，所述步骤s13中，利用高能机械分散设备对所述预包覆粉末进行处理的时间为10min～3h。
在本公开的一实施例中，在所述步骤s11中，包括：将微米级球形金属粉末过筛，得到粒径在20μm～60μm的微米级球形金属粉末。
在本公开的一实施例中，所述微米级球形金属粉末的材料包括以下材料的一种或几种：铁基、钛基、镍基、铜基、钨基以及铝基材料。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末的材料包括以下材料的一种或几种：al2o3、y2o3、tho2、zrh2、la2o3、y2ti2o7、yh3、tio2、tic以及tin。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末的粒径为10～100nm；和/或，该纳米级强化相粉末在金属基纳米复合粉末材料中的质量分数为0.5％～10％。
在本公开的一实施例中，在所述步骤s12中，所述微米级球形金属粉末与所述纳米级强化相粉末的总体积不超过混料罐的1/3。
在本公开的一实施例中，所述步骤s12中，还包括：将洁净的混料球加入至混料罐内，以增强微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末的混合效果。所述微米级球形金属粉末、所述纳米级强化相粉末以及所述混料球的总体积不超过混料罐的2/3。
在本公开的一实施例中，所述步骤s13中，研磨腔的形状为轴对称的圆筒或方筒形状；所述转子设置于研磨腔内，为单级叶片或多级组合叶片。
在本公开的一实施例中，所述研磨腔内壁设置有用于扰动气流的扰流部件，以增大预包覆粉末之间的碰撞几率。
根据本公开的另一个方面，提供了一种金属基纳米复合粉末材料，由本公开提及的任一种制备方法制备，所述金属基纳米复合粉末材料为微米级球形金属粉末和纳米级强化相粉末的复合材料，所述微米级球形金属粉末包括若干球形金属粉末颗粒；所述金属粉末颗粒表面均匀包覆有纳米级强化相粉末颗粒。
在本公开的一实施例中，所述微米级球形金属粉末的粒径为20μm～60μm。
在本公开的一实施例中，所述微米级球形金属粉末的材料包括以下材料的一种或几种：铁基、钛基、镍基、铜基、钨基以及铝基材料。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末的材料包括以下材料的一种或几种：al2o3、y2o3、tho2、zrh2、la2o3、y2ti2o7、yh3、tio2、tic以及tin。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末的粒径为10nm～100nm。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末在金属基纳米复合粉末材料中的质量分数为0.5％～10％。
根据本公开的又一个方面，提供了一种上述金属基纳米复合粉末材料作为金属增材制造原料、粉末注射成形原料或者其他粉末冶金原料的应用。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的金属基纳米复合粉末材料、制备方法及其应用，具有以下有益效果：
(1)通过将预包覆粉末采用高能机械分散设备进行处理，基于高速转子及转子产生的高速气流，使预包覆粉末之间以及预包覆粉末与研磨腔内壁之间发生强烈的相互碰撞以及剪切作用，从而在金属粉末颗粒表面和纳米颗粒团聚体内部产生了大量的活性点，这些活性点促进了纳米颗粒团聚体的分解和单颗纳米颗粒的扩散和转移；于此同时，预包覆粉末中金属粉末颗粒作为母颗粒，强化相粉末颗粒作为子颗粒，在高能机械分散过程中子颗粒与母颗粒通过摩擦或碰撞带有异种电荷实现吸附，并且金属粉末颗粒的表面区域在高能机械分散过程中会发生严重的局部塑形变形，金属粉末颗粒的硬度相对较小，而纳米颗粒硬度较大，在静电作用、局部冷焊的综合作用下，子母颗粒结合得更加紧密；随着处理时间增加，金属粉末颗粒表面活性点的分布逐渐均匀，局部塑性变形区域逐渐扩大，因此纳米强化相粉末颗粒在金属粉末颗粒表面的分布逐渐均匀，最终得到在金属粉末颗粒表面均匀包覆有纳米级强化相粉末颗粒的金属基纳米复合粉末材料；与现有技术中的高能球磨相比，本方法提供的制备过程无需使用磨球，对合金粉末颗粒的球形度破坏较小，且过程中不易引入杂质污染，因此本方法制备的金属基纳米复合粉末球形度高、流动性好，相较于高能球磨法制备的复合粉末，本方法制备的复合粉末更能够满足增材制造过程对原料粉末的要求。
(2)复合粉末材料中粉末颗粒的球形度高，纳米级强化相粉末颗粒在金属粉末颗粒表面无宏观团聚，该复合粉末材料的流动性好、松装密度高，可以作为金属增材制造、粉末注射成形以及粉末冶金的原料，能够解决高能球磨技术在制备复合粉末时流动性差、易引入杂质的技术难题，能够解决常规包覆技术难以制备增强相颗粒无团聚的均匀包覆的复合粉末的难题。
(3)利用高能机械分散技术能够有效解开纳米颗粒(纳米级强化相粉末颗粒)在自然条件下的团聚，并在解团聚的同时实现纳米颗粒在金属粉末颗粒表面的包覆，粉末综合性能优异。
(4)本公开提出的纳米复合粉末材料的制备工艺简单成熟，制备过程不易引入其他干扰杂质，粉体流动性好，适合规模化工业生产。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的金属基纳米复合粉末材料的制备方法流程图。
图2为如图1所示的金属基纳米复合粉末材料的制备方法实施的示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的高能机械分散设备的结构示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的高能分散过程中，预包覆粉末之间发生碰撞和剪切作用的示意图，其中(a)为预包覆粉末之间发生剪切作用的示意图，(b)为预包覆粉末之间发生碰撞作用的示意图。
图5为采用本公开实施例的金属基纳米复合粉末材料的制备方法制备得到的金属基纳米复合粉末材料的低倍sem图。
图6为如图5所示的金属基纳米复合粉末材料表面的高倍sem图。
【符号说明】
2-高能机械分散设备；
20-进/出料口；
21-研磨腔；22-保护气氛气体进出口；
23-转子；24-扰流部件。
具体实施方式
相关技术中，有的通过使用混料机或低能球磨机将金属粉末与增强相粉末混合后，通过粉末冶金法制备复合棒材，再将复合棒材雾化成球形粉，制备复合球形粉体材料。该方法虽然能够制备球形复合粉末材料，但其所述制备过程中无法有效解开纳米颗粒团聚。另外，在一些方法中，通过采用高能球磨技术制备的复合粉末流动性差。此外，采用球磨的方式容易引入杂质。为了解决上述技术难题，本公开提供了一种金属基纳米复合粉末材料及其制备方法，先将微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末在混料罐中通过低能球磨机或混料机实现预包覆，进一步通过利用高能机械分散设备对预包覆粉末进行处理，在高能机械分散过程中，转子高速旋转以及由于高速旋转产生的气流会使得预包覆粉末之间以及预包覆粉末与研磨腔内壁之间发生碰撞和剪切作用，球形金属粉末颗粒表面的纳米颗粒团聚体受到预包覆粉末颗粒之间、预包覆粉末颗粒与研磨腔内壁之间激烈的机械碰撞和剪切作用，一方面基于碰撞和剪切作用使得金属粉末颗粒表面和纳米颗粒团聚体内部产生了大量的活性点，这些活性点促进了纳米颗粒团聚体的分解和单颗纳米颗粒的扩散和转移；另一方面基于机械摩擦和冲击使得金属粉末颗粒与纳米级强化相粉末颗粒(也称纳米颗粒)之间带有异种电荷实现吸附，由于高能机械分散过程中会使金属粉末颗粒的表面区域发生严重的局部塑形变形，金属粉末颗粒的硬度相对较小，而纳米颗粒硬度较大，在静电作用、局部冷焊的综合作用下，子母颗粒结合得更加紧密，随着高能机械分散处理的时间累积，金属粉末颗粒表面活性点的分布逐渐均匀，局部塑性变形区域逐渐扩大，逐渐实现纳米强化相粉末颗粒在金属粉末颗粒表面的均匀包覆。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开中，术语“粉末”表示若干“粉末颗粒”的集合体，“粉末颗粒”为粉末的基本单元，粉末的粒径表示若干粉末颗粒的平均粒径尺寸。“a和/或b”的含义为：满足a，或者满足b，或者同时满足a和b。
第一实施例
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种金属基纳米复合粉末材料的制备方法。
图1为根据本公开一实施例所示的金属基纳米复合粉末材料的制备方法流程图。图2为如图1所示的金属基纳米复合粉末材料的制备方法实施的示意图。
参照图1和图2所示，本实施例的金属基纳米复合粉末材料的制备方法，包括：步骤s11，步骤s12和步骤s13。
在步骤s11，准备微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末。
在所述步骤s11中，包括：将微米级球形金属粉末过筛，得到粒径在20μm～60μm的微米级球形金属粉末。
在本公开的一实施例中，所述微米级球形金属粉末的材料包括以下材料的一种或几种：铁基、钛基、镍基、铜基、钨基以及铝基材料。所述微米级球形金属粉末可以单质金属，例如，球形钨粉；也可以是合金粉末，例如inconel系列合金。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末的材料包括以下材料的一种或几种：al2o3、y2o3、tho2、zrh2、la2o3、y2ti2o7、yh3、tio2、tic以及tin。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末的粒径为10nm～100nm。
在步骤s12，将微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末按照预定比例放置于混料罐内，并在混料罐内对金属粉末与纳米级强化相粉末进行混料操作，得到预包覆粉末，该预包覆粉末中，在金属粉末颗粒表面存在分布于金属粉末颗粒表面的由纳米级强化相粉末颗粒团聚形成的纳米颗粒团聚体。
在步骤s12中，可以在混料罐中通过低能球磨机或混料机实现混料操作。
在本公开的一实施例中，所述步骤s12中，进行混料操作的时间为1h～10h，例如在一实例中，进行混料的时间为3h，可选的，可以是1h、4h、4.5h、6h、7h、8h、8.5h、9h、10h等。
该纳米级强化相粉末在金属基纳米复合粉末材料中的质量分数为0.5％～10％。微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末之间的比例可以按照体积比或者质量比进行，预定比例是按照实际需要制作的金属基纳米复合粉末材料进行调整的。
本实施例中，在所述步骤s12中，所述微米级球形金属粉末与所述纳米级强化相粉末的总体积不超过混料罐的1/3。
在本公开的一优选的实施例中，所述步骤s12中，还包括：将洁净的混料球加入至混料罐内，以增强微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末的混合效果。
所述微米级球形金属粉末、所述纳米级强化相粉末以及所述混料球的总体积不超过混料罐的2/3。
步骤s13，利用高能机械分散设备对预包覆粉末进行处理，高能机械分散设备包括研磨腔和转子，转子的转速为104转/分钟以上，预包覆粉末置于研磨腔内，在研磨腔内利用转子高速旋转以及高速旋转产生的气流带动预包覆粉末之间以及预包覆粉末与研磨腔内壁之间发生相互碰撞和剪切作用，使得金属粉末颗粒表面的纳米颗粒团聚体分散，得到在金属粉末颗粒表面均匀包覆有纳米级强化相粉末颗粒的金属基纳米复合粉末材料。
图3为根据本公开一实施例所示的高能机械分散设备的结构示意图。
参照图3所示，在一实施例中，高能机械分散设备2，包括：研磨腔21、进/出料口20、保护气氛气体进出口22以及转子23。
本实施例中，进/出料口20设置于研磨腔21的顶部。
本实施例中，在研磨腔21的腔体上设置有保护气氛气体进出口22，该保护气氛气体进出口22用于控制保护气氛如氩气、氮气等进入研磨腔21的通断以及气体压力大小。
本实施例中，转子23设置于研磨腔21的内部，用于带动预包覆粉末之间以及预包覆粉末与研磨腔内壁之间发生相互碰撞，转子的转速为104转/分钟以上。转子23为单级叶片或多级组合叶片。图3中以逆时针的箭头示意转子的旋转方向。实际上，转子的旋转方向可以是顺时针，也可以是逆时针，旋转的方式可以是一直沿着同一个方向以高速旋转，也可以是按照某个方向高速旋转一段时间后减小转速再换方向高速转动。
在一优选的实施例中，研磨腔21中气体压力为1.0mpa～10mpa；研磨腔的气氛为氩气或氮气，气氛中氧含量不高于100ppm。
在一实例中，步骤s13中，利用高能机械分散设备对预包覆粉末进行处理的时间为10min～3h。例如，可以处理20min、1h、2h或3h等，不局限于上述处理时间的示例，根据实际需要处理时间可以进行变化。
在本公开的一实施例中，研磨腔21的形状为轴对称的圆筒或方筒形状。
在本公开的一实施例中，参照图3所示，研磨腔21内壁设置有用于扰动气流的扰流部件24，以增大预包覆粉末之间的碰撞几率。
上述制备方法中，先将微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末在混料罐中通过低能球磨机或混料机实现预混合，此时微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末实现初步混合的效果；进一步通过利用高能机械分散设备对预包覆粉末进行处理。预包覆粉末中由于存在纳米级强化相粉末颗粒之间的团聚而导致包覆不均匀，在金属粉末颗粒的表面存在纳米颗粒团聚体，该纳米颗粒团聚体由纳米级强化相粉末颗粒团聚形成。
通过将初步混合后的预包覆粉末放置于高能机械分散设备的研磨腔中，利用转子高速旋转以及由于高速旋转带来的气流带动预包覆粉末之间或者预包覆粉末与研磨腔内壁之间发生激烈的相互碰撞及剪切作用，从而在金属粉末颗粒表面和纳米颗粒团聚体内部产生了大量的活性点，这些活性点促进了纳米颗粒团聚体的分解和单颗纳米颗粒的扩散和转移。另一方面，在高能机械分散设备中，金属粉末颗粒作为母颗粒，纳米级强化相粉末颗粒作为子颗粒，母颗粒与子颗粒在高能机械分散过程中以摩擦带电和碰撞带电的形式分别被赋予异种电荷，异种电荷之间的吸引作用增强了子母颗粒之间的结合力，同时由于金属粉末颗粒的表面区域在高能机械分散过程中会发生严重的局部塑形变形，金属粉末颗粒的硬度相对较小，而纳米颗粒硬度较大，在静电作用、局部冷焊的综合作用下，子母颗粒结合得更加紧密。随着处理时间的增加，金属粉末颗粒表面活性点的分布逐渐均匀，局部塑性变形区域逐渐扩大，因此纳米强化相粉末颗粒在金属粉末颗粒表面的分布逐渐均匀，最终得到在金属粉末颗粒表面均匀包覆有纳米级强化相粉末颗粒的金属基纳米复合粉末材料。
图4为根据本公开一实施例所示的高能分散过程中，预包覆粉末之间发生碰撞和剪切作用的示意图，其中(a)为预包覆粉末之间发生剪切作用的示意图，(b)为预包覆粉末之间发生碰撞作用的示意图。
下面参照图4的示意图来示例性说明高能机械分散过程中预包覆粉末发生的相互作用。预包覆粉末由于受到高能机械分散中转子高速旋转以及由于高速旋转带来的高速气流的带动，在一实例中，会产生旋转的运动形式，例如参照图4中(a)所示，示意了两个均发生旋转的预包覆粉末颗粒，在这两个预包覆粉末颗粒可以相互接触的情况下，由于这两个预包覆粉末颗粒之间存在剪切作用，两个预包覆粉末的金属粉末颗粒表面的纳米颗粒团聚体受到剪切作用，在金属粉末颗粒表面和纳米颗粒团聚体内部产生了大量的活性点，这些活性点会解开实现纳米颗粒团聚体，促成纳米颗粒团聚体的分解和单颗纳米颗粒的扩散和转移。由于接触、碰撞或者剪切作用导致带有异种电荷结合的子母颗粒会实现紧密结合，同时由于金属粉末颗粒的表面区域在高能机械分散过程中会发生严重的局部塑形变形，促成了金属粉末颗粒与纳米级强化相粉末颗粒之间的进一步紧密结合。预包覆粉末由于受到高能机械分散中转子高速旋转以及由于高速旋转带来的高速气流的带动，在另一实例中，沿着某个方向运动的形式，例如参照图4中(b)所示，示意了两个均发生直线运动的预包覆粉末颗粒相向运动发生碰撞的情形，两个预包覆粉末的金属粉末颗粒表面的纳米颗粒团聚体受到碰撞或冲击作用，在金属粉末颗粒表面和纳米颗粒团聚体内部产生了大量的活性点，这些活性点会解开实现纳米颗粒团聚体，促成纳米颗粒团聚体的分解和单颗纳米颗粒的扩散和转移。由于接触、碰撞或者剪切作用导致带有异种电荷结合的子母颗粒会实现紧密结合，同时由于金属粉末颗粒的表面区域在高能机械分散过程中会发生严重的局部塑形变形，促成了金属粉末颗粒与纳米级强化相粉末颗粒之间的进一步紧密结合。
当然，上述图4中(a)和(b)的示意图单独示意两种作用，实际上，在一个预包覆粉末颗粒上可以同时存在各种角度的碰撞作用力和相互剪切作用力，并且由于粉末颗粒在高速转子和气流的带动下进行高速运动，各个预包覆粉末之间相互作用的频率非常高。另外，上述实施例仅以预包覆粉末之间的相互作用作为示例性说明，在预包覆粉末与研磨腔内壁之间的作用情况与上述预包覆粉末之间的相互作用类似，在预包覆粉末与研磨腔内壁之间也存在碰撞和剪切作用，可以参照上述描述，这里不再赘述。
下面以具体实例来介绍利用上述制备方法制备金属基纳米复合粉末材料的过程。
本实例以上述制备方法用于镍基高温合金复合粉末的制备作为示例。
以35μm～55μm粒径范围内的气雾化inconel718(铬镍铁合金，型号为718)合金球形粉末和粒径为30nm的y2o3粉末为原料，以质量百分比98％的inconel718合金粉末、2％的y2o3粉末为成分配比取料，将上述混合粉末投入密封混料罐，该密封混料罐内具有v型混料机或者低速球磨机，向混料罐中加入直径为8mm的洁净混料球，将混料罐密封后，先抽真空再充以氩气气氛，设置混料转速为80转每分钟(rpm，或者表示为：r/min)，混料5小时后得到预包覆粉末。将预包覆粉末通过进/出料口20投入高能机械分散设备2中，向研磨腔21中通氩气气氛，设置研磨腔21的气体压力为5.0mpa，设置转子23的转速为15000转每分钟，处理2小时后得到纳米y2o3颗粒均匀包覆的inconel718复合粉末。
图5为采用本公开实施例的金属基纳米复合粉末材料的制备方法制备得到的金属基纳米复合粉末材料的低倍sem图，图5中标尺为10微米。图6为如图5所示的金属基纳米复合粉末材料表面的高倍sem图，图6中标尺为200nm。
使用扫描电子显微镜对上述实例制备得到的复合粉末进行形貌观察，由图5和图6可知，采用上述制备方法得到的纳米复合粉末中，粉末颗粒保持为球形，纳米颗粒在合金粉末表面无宏观团聚。
综上所述，本实施例提供了一种金属基纳米复合粉末材料的制备方法，制备得到的复合粉末材料中粉末颗粒的球形度高，纳米级强化相粉末颗粒在金属粉末颗粒表面无宏观团聚，该复合粉末材料的流动性好、松装密度高，可以作为金属增材制造、粉末注射成形或者粉末冶金的原料，能够解决高能球磨技术在制备复合粉末时流动性差、易引入杂质的技术难题，以及常规包覆技术难以制备增强相颗粒无团聚地均匀包覆的复合粉末的难题。通过利用高能机械分散技术能够有效解开纳米颗粒(纳米级强化相粉末颗粒)在自然条件下的团聚，并在解团聚的同时实现纳米颗粒在金属粉末颗粒表面的包覆，粉末成品综合性能优异。本实施例提出的纳米复合粉末材料的制备工艺简单成熟，制备过程不易引入其他干扰杂质，粉体流动性好，适合规模化工业生产。
第二实施例
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种金属基纳米复合粉末材料，该金属基纳米复合粉末由上述制备方法制备。
金属基纳米复合粉末材料为微米级球形金属粉末和纳米级强化相粉末的复合材料，其中微米级球形金属粉末包括若干球形金属粉末颗粒；金属粉末颗粒表面均匀包覆有无团聚的纳米级强化相粉末颗粒。
在一实施例中，以采用上述制备方法制备得到钨基复合粉末作为示例。
该实施例中，以20μm～30μm粒径范围内的球形钨粉和粒径为40nm的la2o3粉末为原料，以质量百分比99％的球形钨粉、1％的la2o3粉末为成分配比取料，将混合粉末投入密封混料罐，该密封混料罐内具有v型混料机，向混料罐中加入直径为4mm的洁净混料球，将混料罐密封后，先抽真空再充以氩气气氛，将混料机转速设置为150转每分钟，混料4小时后得到预包覆粉末。将预包覆粉末投入高能机械分散设备2中，在研磨腔内壁安装倒v型扰流部件，向研磨腔中通氩气气氛，设置研磨腔气体压力为6.0mpa，设置转子转速为10000转每分钟，处理1小时后得到纳米la2o3颗粒均匀包覆的球形钨基复合粉末。
使用扫描电子显微镜对复合粉末进行形貌观察，可以看到粉末颗粒整体保持球形，纳米颗粒在合金粉末表面无宏观团聚。
在本公开的一实施例中，所述微米级球形金属粉末的粒径为20μm～60μm。
在本公开的一实施例中，所述微米级球形金属粉末的材料包括以下材料的一种或几种：铁基、钛基、镍基、铜基、钨基以及铝基材料。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末的材料包括以下材料的一种或几种：al2o3、y2o3、tho2、zrh2、la2o3、y2ti2o7、yh3、tio2、tic以及tin。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末的粒径为10nm～100nm。
在本公开的一实施例中，所述纳米级强化相粉末在金属基纳米复合粉末材料中的质量分数为0.5％～10％。
第三实施例
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种用于金属增材制造、粉末注射成形以及其他粉末冶金的原料，由上述任一种制备方法制备或者包括上述任一种金属基纳米复合粉末材料。由于上述制备方法制备得到的金属基纳米复合粉末材料的流动性好、松装密度高，可以作为金属增材制造、粉末注射成形或者其他粉末冶金过程的原料，能够解决高能球磨技术在制备复合粉末时流动性差、易引入杂质的技术难题，以及常规包覆技术难以制备增强相颗粒无团聚地均匀包覆的复合粉末的难题。
综上所述，本公开提供一种金属基纳米复合粉末材料及其制备方法及其应用，通过将预包覆粉末采用高能机械分散设备进行处理，基于转子的高速旋转以及由于高速旋转产生的气流使预包覆粉末之间以及预包覆粉末与研磨腔内壁之间发生强烈的相互碰撞以及剪切作用，从而在金属粉末颗粒表面和纳米颗粒团聚体内部产生了大量的活性点，这些活性点促进了纳米颗粒团聚体的分解和单颗纳米颗粒的扩散和转移；于此同时，预包覆粉末中金属粉末颗粒作为母颗粒，强化相粉末颗粒作为子颗粒，在高能机械分散过程中子颗粒与母颗粒通过摩擦或碰撞带有异种电荷实现吸附，并且金属粉末颗粒的表面区域在高能机械分散过程中会发生严重的局部塑形变形，金属粉末颗粒的硬度相对较小，而纳米颗粒硬度较大，在静电作用、局部冷焊的综合作用下，子母颗粒结合得更加紧密；随着处理时间增加，金属粉末颗粒表面活性点的分布逐渐均匀，局部塑性变形区域逐渐扩大，因此纳米强化相粉末颗粒在金属粉末颗粒表面的分布逐渐均匀，最终得到在金属粉末颗粒表面均匀包覆有无团聚的纳米级强化相粉末颗粒的金属基纳米复合粉末材料。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
1.一种金属基纳米复合粉末材料的制备方法，其特征在于，包括：
步骤s11，准备微米级球形金属粉末与纳米级强化相粉末；
步骤s12，将所述微米级球形金属粉末与所述纳米级强化相粉末按照预定比例放置于混料罐内，并在混料罐内对所述金属粉末与所述纳米级强化相粉末进行混料操作，得到预包覆粉末，所述预包覆粉末中，在金属粉末颗粒表面存在由纳米级强化相粉末颗粒团聚形成的分布不均匀的纳米颗粒团聚体；
步骤s13，利用高能机械分散设备对所述预包覆粉末进行处理，所述高能机械分散设备包括研磨腔和转子，所述转子的转速为104转/分钟以上，将所述预包覆粉末置于所述研磨腔内，利用转子的高速旋转及高速旋转产生的气流带动所述预包覆粉末之间以及所述预包覆粉末与研磨腔内壁之间发生相互碰撞和剪切作用，使得所述金属粉末颗粒表面的纳米颗粒团聚体分散，得到在金属粉末颗粒表面均匀包覆有纳米级强化相粉末颗粒的金属基纳米复合粉末材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高能机械分散设备中，研磨腔气体压力为1.0mpa～10mpa；研磨腔气氛为氩气或氮气，气氛中氧含量不高于100ppm；
可选的，所述步骤s12中，进行混料操作的时间为1h～10h；
可选的，所述步骤s13中，利用高能机械分散设备对所述预包覆粉末进行处理的时间为10min～3h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤s11中，包括：将微米级球形金属粉末过筛，得到粒径在20μm～60μm的微米级球形金属粉末。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微米级球形金属粉末的材料包括以下材料的一种或几种：铁基、钛基、镍基、铜基、钨基以及铝基材料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米级强化相粉末的材料包括以下材料的一种或几种：al2o3、y2o3、tho2、zrh2、la2o3、y2ti2o7、yh3、tio2、tic以及tin。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述纳米级强化相粉末的粒径为10nm～100nm；和/或，该纳米级强化相粉末在金属基纳米复合粉末材料中的质量分数为0.5％～10％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤s12中，所述微米级球形金属粉末与所述纳米级强化相粉末的总体积不超过混料罐的1/3；
可选的，所述步骤s12中，还包括：将洁净的混料球加入至混料罐内，所述微米级球形金属粉末、所述纳米级强化相粉末以及所述混料球的总体积不超过混料罐的2/3。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述研磨腔的形状为轴对称的圆筒或方筒形状；
所述转子设置于研磨腔内，为单级叶片或多级组合叶片；
可选的，所述研磨腔内壁设置有用于扰动气流的扰流部件，以增大预包覆粉末之间的碰撞几率。
9.一种金属基纳米复合粉末材料，其特征在于，由权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备，所述金属基纳米复合粉末材料为微米级球形金属粉末和纳米级强化相粉末的复合材料，所述微米级球形金属粉末包括若干球形金属粉末颗粒；所述金属粉末颗粒表面均匀包覆有无团聚的纳米级强化相粉末颗粒；
可选的，所述微米级球形金属粉末的粒径为20μm～60μm；
可选的，所述微米级球形金属粉末的材料包括以下材料的一种或几种：铁基、钛基、镍基、铜基、钨基以及铝基材料；
可选的，所述纳米级强化相粉末的材料包括以下材料的一种或几种：al2o3、y2o3、tho2、zrh2、la2o3、y2ti2o7、yh3、tio2、tic以及tin；
可选的，所述纳米级强化相粉末的粒径为10nm～100nm；
可选的，该纳米级强化相粉末在金属基纳米复合粉末材料中的质量分数为0.5％～10％。
10.一种如权利要求9所述的金属基纳米复合粉末材料，作为金属增材制造、金属注射成形的原料的应用。
技术总结