一种增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末及其制备方法和应用，属于金属增材制造技术领域。所述的增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末的制备方法，包括以下步骤：粉末混合、粉末等离子球化、去除多余纳米陶瓷颗粒、粉末粒度分级及混合。本发明专利技术以高熵合金为基体粉末，以纳米陶瓷颗粒为增强相颗粒，采用超声分散+机械搅拌的方式获得表面均匀粘附有纳米陶瓷颗粒的高熵合金粉末，再通过射频等离子球化技术，制备得到球形的纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合粉末。本发明专利技术制备纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末的工艺简单，制得的粉末性能优异，适合批量化生产。

Nano ceramic reinforced high entropy alloy composite powder for additive manufacturing and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末及其制备方法和应用
本专利技术属于金属增材制造
，特别涉及一种增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末及其制备方法和应用。
技术介绍
高熵合金(High-entropyalloys，HEAs)一般是指由4到13种主要元素以等原子比或近等原子比组成的具有简单固溶体结构的全新多元合金体系。相对于传统合金，高熵合金具有高熵效应，缓慢的扩散效应，严重的晶格畸变效应以及鸡尾酒效应，上述特性使得高熵合金在硬度、抗压强度、热稳定性、耐蚀性、磁性能及抗氧化性等方面具有优异的性能及巨大的潜在应用价值。增材制造(AdditiveManufacturing，AM)技术是通过离散-堆积原理将材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术。该技术相对于传统的机械加工等减材制造技术，具有设计自由度高、一次成型复杂零件、减少材料浪费等优点，被誉为引领“第三次工业革命”的关键技术。金属增材制造技术是3D打印领域最具潜力的先进制造技术，已在航空航天、医疗器械、军工及汽车制造等领域得到了广泛的应用且发展势头迅猛。目前金属增材制造技术主要有3种：激光熔化沉积技术(LaserMeltingDeposition，LMD)、选区激光熔化金属3D打印技术(SelectiveLaserMelting，SLM)和电子束选区熔化成形技术(SelectiveElectronBeamMelting，SEBM)。将金属增材制造技术用于制备高熵合金，可以简化缩短加工工序，一次成型三维复杂结构，节省原材料损耗等；同时由于打印过程伴有快速淬火，可降低第二相的形成几率，限制原子扩散和抑制脆性金属间化合物的形成。因此近年来增材制造高熵合金成为国内外科学家和工程师的研究热点。为了进一步提升增材制造高熵合金的力学性能、改善其微观组织，研究人员尝试引入纳米陶瓷颗粒(如TiN、TiC及Al2O3等)对高熵合金进行强化，结果表明纳米陶瓷颗粒的加入可以改善打印成形性及制品的力学性能。目前，纳米陶瓷增强高熵合金球形粉末主要通过机械(高能)球磨的方法制备，但该方法制备的粉末存在纳米陶瓷颗粒在高熵合金表面分散不均匀、粉末球形度差等问题，直接影响粉末流动性及制品成形性能，难以满足金属增材制造工艺对高性能球形粉末的要求(如高球形度、窄粒度分布、高流动性和松装密度等)。因此，亟需寻找一种使纳米陶瓷均匀分布于高熵合金表面且球形度好的复合粉末。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末。本专利技术的再一目的在于提供一种上述增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末的制备方法，包括如下步骤：(1)粉末混合：将高熵合金粉末和纳米陶瓷颗粒经超声分散和机械搅拌处理，得到表面粘附纳米陶瓷颗粒的高熵合金粉末A；(2)粉末等离子球化：在惰性气体氛围中，将步骤(1)得到的合金粉末A置于等离子球化装置中进行球化，冷却，即得纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合粉末B；(3)多余纳米陶瓷颗粒的去除：将步骤(2)得到的复合粉末B置于溶剂中进行搅拌、沉降操作，弃去溶液，真空干燥，即得粘附性良好的复合粉末C；(4)粉末粒度分级及混合：对步骤(3)制备的粘附性良好的复合粉末C进行分级筛选，将筛选出的粉末混合均匀，即得所需粒径范围的纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合球形粉末。步骤(1)中所述的高熵合金粉末与纳米陶瓷颗粒的质量比为(9～22):(1～3)。所述的高熵合金粉末的纯度不低于99％；优选99.5％～99.9％。所述的纳米陶瓷颗粒的纯度不低于99％；优选99.5％～99.9％。步骤(1)中所述的纳米陶瓷颗粒的粒度为10～100nm。所述的高熵合金粉末的形貌包括不规则形、近球形和球形中的至少一种。步骤(1)中所述的高熵合金优选包括Al、Co、Cu、Cr、Fe、Ni、Mn、Ti、W、Mo、Nb、Ta、V和Zr元素中的至少4种。步骤(1)中所述的纳米陶瓷颗粒优选包括TiC、TiN、TiB2、Ti(CN)、Al2O3和SiC中的至少一种。步骤(1)中所述的超声分散的频率为18～40kHZ，机械搅拌的搅拌转速为30～100r/min，时间为60～300min；优选超声处理的频率为18～30kHZ，机械搅拌的搅拌转速为60～100r/min，时间为60～120min。所述的超声分散和机械搅拌处理操作同时进行；将高熵合金粉末和纳米陶瓷颗粒同时经超声分散和机械搅拌处理，在使纳米陶瓷颗粒分散的同时，也使纳米陶瓷颗粒与高熵合金粉末混合。步骤(2)中所述的合金粉末A通过运载气体置于等离子球化装置中。所述的等离子炬是惰性气体(氩气)在高频电源作用下电离形成的高温惰性气体等离子体。所述的合金粉末A经送粉器喷入等离子炬中。步骤(2)中所述的等离子球化工艺条件优选为：运载气体流量为0.1～1m3/h，等离子氩气流量为1～3m3/h，冷却气体流量为0.5～5m3/h，粉末进料速率为1～5kg/h；优选运载气体流量为0.5～1m3/h，等离子氩气流量为1～2m3/h，冷却气体流量为1～3m3/h，粉末进料速率为1.2～3kg/h。所述的复合粉末B在高温惰性气体等离子体作用下，粉末表面迅速熔化。步骤(2)中所述的冷却为在惰性气体气氛下进行快速冷却。所述的惰性气体优选为氩气。步骤(3)中所述的溶剂优选为乙醇、丙酮和去离子水中的至少一种。步骤(3)中所述的复合粉末B的质量与溶剂的体积之比为3～10:1。步骤(3)中所述的搅拌、沉降操作，弃去溶液包括将复合粉末B与溶剂进行混合搅拌，待粉末颗粒沉降至底部后，将上层溶液倒出，重复上述操作1～3次的操作。所述的搅拌转速为60～200r/min，搅拌时间为30～100min；优选搅拌转速为90～180r/min，搅拌时间为30～100min。步骤(3)中所述的真空干燥温度为80～150℃，真空干燥时间为60～240min；优选真空干燥温度为100～150℃，真空干燥时间为120～180min。步骤(4)中，对于采用粒度为15～53μm高熵合金粉末制得的纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合球形粉末，通过气流分级先去除粒径≤15μm的粉末颗粒，然后再对粒径＞15μm的粉末进行超声振动筛选，去除粒径≥53μm的粉末颗粒，以得到粒径为15～53μm的纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合球形粉末；对于采用粒度为45～105μm高熵合金粉末制得的纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合球形粉末，选用标准筛网目数为325目和150目，通过超声振动筛选，得到粒度为45～105μm的纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合球形粉末。步骤(4)中所述的混合通过双运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)粉末混合：将高熵合金粉末和纳米陶瓷颗粒经超声分散和机械搅拌处理，得到表面粘附纳米陶瓷颗粒的高熵合金粉末A；/n(2)粉末等离子球化：在惰性气体氛围中，将步骤(1)得到的合金粉末A置于等离子球化装置中进行球化，冷却，即得纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合粉末B；/n(3)多余纳米陶瓷颗粒的去除：将步骤(2)得到的复合粉末B置于溶剂中进行搅拌、沉降操作，弃去溶液，真空干燥，即得粘附性良好的复合粉末C；/n(4)粉末粒度分级及混合：对步骤(3)制备的粘附性良好的复合粉末C进行分级筛选，将筛选出的粉末混合均匀，即得所需粒径范围的纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合球形粉末。/n

【技术特征摘要】
1.一种增材制造用纳米陶瓷增强高熵合金复合粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)粉末混合：将高熵合金粉末和纳米陶瓷颗粒经超声分散和机械搅拌处理，得到表面粘附纳米陶瓷颗粒的高熵合金粉末A；
(2)粉末等离子球化：在惰性气体氛围中，将步骤(1)得到的合金粉末A置于等离子球化装置中进行球化，冷却，即得纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合粉末B；
(3)多余纳米陶瓷颗粒的去除：将步骤(2)得到的复合粉末B置于溶剂中进行搅拌、沉降操作，弃去溶液，真空干燥，即得粘附性良好的复合粉末C；
(4)粉末粒度分级及混合：对步骤(3)制备的粘附性良好的复合粉末C进行分级筛选，将筛选出的粉末混合均匀，即得所需粒径范围的纳米陶瓷颗粒增强高熵合金复合球形粉末。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的高熵合金粉末与纳米陶瓷颗粒的质量比为(9～22):(1～3)；
所述的高熵合金粉末的纯度不低于99％；所述的纳米陶瓷颗粒的纯度不低于99％。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的纳米陶瓷颗粒的粒度为10～100nm；
所述的高熵合金粉末的形貌包括不规则形、近球形和球形中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的高熵合金包括Al、Co、Cu、Cr、Fe、Ni、Mn、Ti、W、Mo、Nb、Ta、V和Zr元素中的至少4种；
所述的纳米陶瓷颗粒包括TiC、TiN、TiB2、Ti(CN)、Al2O3和SiC中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小强，罗浩，潘存良，屈盛官，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44