用于合金中分散纳米颗粒的设备及高强度合金的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于合金中分散纳米颗粒的设备及高强度合金的制备方法。设备包括：可容纳熔融金属的容器；容器设有开口；具有承载容器的承载面的振混机；垂直且螺纹连接在承载面上的两个第一支撑杆，并且容器可置于两个第一支撑杆之间；一个第二支撑杆；第一挡板，以及第二挡板。方法为：利用非介入式振动设备使混合物料振动，并使混合物料的运动加速度G

【技术实现步骤摘要】
用于合金中分散纳米颗粒的设备及高强度合金的制备方法


[0001]本专利技术涉及材料制备领域，特别涉及用于合金中分散纳米颗粒的设备及高强度合金的制备方法。

技术介绍

[0002]纳米弥散强化合金中，添加的纳米弥散强化相粒子能够作为异质形核质点发幅细化基体合金晶粒，同时阻碍合金在变形过程中位错的攀移，因而，该合金具有更加优异的物理性能、力学性能以及高温蠕变性能。同时，添加的纳米颗粒，由于其尺度小，并不会引起基体合金微观组织的晶格畸变，保证基体合金的导电、导热性能不受影响。纳米弥散强化合金广泛地应用于航空航天、能源工业、汽车工业等领域。
[0003]目前，弥散强化合金的制备方法主要有机械合金化法、内氧化法和化学共沉淀法等。
[0004]已公开的中国专利技术专利申请CN201610407189采用机械合金化法制备Cu-NbC纳米弥散强化铜合金。其合金制备过程包括：机械合金化法原位合成Cu-NbC合金粉末、氢气还原、真空热压烧结、包套热挤压等工序。机械合金化法在大批次生产时需要数十甚至数百小时的球磨时间，生产效率较低，长时间球磨可能导致晶粒粗大，而且氧含量无法控制，导致后续合金致密化工艺中弥散相长大而成为亚微米级颗粒，同时球磨过程中会引入较多杂质，无法避免污染，批次成品性能之间存在差异。
[0005]已公开的中国专利技术专利申请CN201510905765采用内氧化法制备Cu-Al2O3纳米弥散强化合金。该方法包括：Cu-Al合金粉末制备、混料、一次内氧化、高能机械球磨、二次内氧化、氢气还原、二次混料、冷压成型，真空包套、热挤压成棒材等过程。内氧化法过程很难控制，氧扩散不完全可能导致氧化物分布不均匀，其工艺复杂，周期长，生产成本较高。
[0006]已公开的中国专利技术专利申请201810588877.5采用化学共沉淀法制备氧化钇弥散强化铁钴镍合金。化学共沉淀方法仅限于材料中的所有元素的金属盐均能与沉淀剂反应，生成相应的氧化物或氢氧化物沉淀的情况，且工艺流程较长、产量较低，仅适合实验室制备。
[0007]除上述问题之外，传统制备方法都存在纳米添加颗粒定量添加难度大、添加后在熔体中难以控制其团聚而快速与熔体分离等问题，很难获得纳米添加颗粒在合金基体内较长时间保持弥散分布的状态，无法保证定量添加以及无法保证具有足够长的稳定悬浊态以保证下一步加工的时间要求，导致成形后的合金性能难以满足工程应用的需求。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的是提供一种用于合金中分散纳米颗粒的设备，该设备能用于高强度合金的制备，为合金中均匀分散纳米颗粒提供了便利。
[0009]本专利技术的另一目的是提供一种纳米弥散强化合金的制备方法，该方法采用非介入式的振动方式延长了纳米颗粒保持均匀分散的时间，而且避免了杂质引入或原料损失导致
计量不准确的问题。
[0010]为了实现以上目的，本专利技术提供了以下技术方案。
[0011]用于合金中分散纳米颗粒的设备，包括：
[0012]容纳物料的容器；所述容器设有开口；
[0013]具有承载所述容器的承载面的振混机；
[0014]垂直且螺纹连接在所述承载面上的两个第一支撑杆，并且所述容器可置于两个所述第一支撑杆之间；
[0015]一个第二支撑杆；
[0016]第一挡板，所述第一挡板设有两个可分别与两个所述第一支撑杆螺纹连接的第一通孔，所述第一挡板可完全覆盖所述容器的开口；
[0017]以及第二挡板；所述第二挡板设有两个可分别与两个所述第一支撑杆螺纹连接的第二通孔；所述第二挡板上设有与所述第二支撑杆连接的第三通孔。上述设备可用于高强度合金的制备，为合金中均匀分散纳米颗粒提供了便利，其工作原理如下。
[0018]向容器中加入金属粉末后，加热至使金属熔融，然后向其中加入纳米颗粒粉末，然后置于所述振混机的承载面上，或者也可以将容器先置于承载面后加料。然后对容器固定，即先使两个第一支撑杆穿过第一挡板的第一通孔，不断旋转两个第一支撑杆直至第一挡板紧紧抵靠在容器的开口上，从而封闭容器。然后使两个第一支撑杆穿过第二挡板的第二通孔，同时使第二支撑杆穿过第二挡板的第三通孔，不断旋转两个第一支撑杆和第二支撑杆直至第二支撑杆的底部紧紧抵靠在第二挡板的表面。此时，振混机的承载面、容器底部、容器开口、第一挡板、第二支撑杆依次紧紧抵靠，使得容器被稳定固定在承载面上。最后开启振混机，使容器内的物料高强度混合，同时根据需要调整振动参数、时长等，完成均匀分散。
[0019]一种纳米弥散强化合金的制备方法，包括以下步骤：
[0020]将金属或合金的熔体与纳米颗粒混合，得到混合物料；
[0021]利用非介入式振动设备使所述混合物料振动，并使所述混合物料的运动加速度G
opt
达到30～100G；
[0022]停止振动，进行定型处理，得到纳米弥散强化合金；
[0023]其中，所述纳米颗粒的粒径为1～100nm，所述纳米颗粒的体积为所述熔体体积的0.1～1％。
[0024]本专利技术中，通过非介入式振动对混合物料获得高强加速度G
opt
的处理，高强度振动产生高强度声波能，在混合容器中形成强化宏观混合和微观混合，纳米颗粒团被剪切、破碎，分散成单一纳米颗粒，在高强振动过程的时间内反复发生，实现对纳米颗粒团聚体在熔体中的多次重复破碎分散作用。高强振动分散的过程，经过一定的工艺时间T
opt
，保证纳米颗粒粒径保持在单颗添加的尺度或即使团聚后仍有具有足够的加速度能够将团聚打散，粒径始终足够小，直至形成均匀、稳定的悬浊液，通过将后续加工工艺的时间控制在悬浊液的保持稳定状态的时间内，保证最后制成的金属或合金产品中，纳米颗粒始终是均匀分散的状态。
[0025]研究表明，在外加纳米颗粒制备纳米弥散强化合金的过程中，颗粒的密度一般与基体金属相差较大，且两者互不润湿，因而纳米颗粒在合金熔体中容易上浮、下沉及团聚。Stokes质点浮沉速度υ表达式为：
[0026][0027]式中，η为金属液的粘度(Pa
·
s)；r为纳米颗粒半径；g为重力加速度；ρ为密度。
[0028]根据上式，纳米颗粒在金属熔体内的浮沉速率与纳米颗粒和金属熔体的密度差及颗粒半径平方成正比，并与金属熔体的粘度成反比。提高金属熔体的粘度，减小纳米颗粒的粒径均可使颗粒的上浮或下沉速率变小，从而使颗粒弥散相不易聚集结团，使得弥散强化合金的组织均匀、性能提升。在选定的特定熔体及纳米添加物的前提下，熔体及纳米颗粒的密度为定值，纳米颗粒在熔体中的浮沉速率与颗粒尺寸的平方成正比，故在保证质量的前提下，尽量减小纳米颗粒尺寸对其浮沉速率导致的纳米颗粒分离及团聚长大的影响最大。本专利技术中，通过对纳米颗粒大小和添加体积的占比限定，确保振动的悬浊液具有充分的分散稳定时间，不会在后续工艺进行过程中因纳米颗粒的移动再次出现团聚现象。
[0029]本专利技术的纳米弥散强化合金的制备方法，采用一种与传统混合工艺完全不同的混合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于合金中分散纳米颗粒的设备，其特征在于，包括：可容纳熔融金属的容器；所述容器设有开口；具有承载所述容器的承载面的振混机；垂直且螺纹连接在所述承载面上的两个第一支撑杆，并且所述容器可置于两个所述第一支撑杆之间；一个第二支撑杆；第一挡板，所述第一挡板设有两个可分别与两个所述第一支撑杆螺纹连接的第一通孔，所述第一挡板可完全覆盖所述容器的开口；以及第二挡板；所述第二挡板设有两个可分别与两个所述第一支撑杆螺纹连接的第二通孔；所述第二挡板上设有与所述第二支撑杆连接的第三通孔。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一挡板上设有多个注入孔，并且所述多个注入孔通过阀门被控制开启和关闭。3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二支撑杆的底部连接有弹性垫。4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二支撑杆的顶部设有手柄。5.一种高强度合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将金属或合金的熔体与纳米颗粒混合，得到混合物料；利用非介入式振动设备使所述混合物料振动，并使所述混合物料的运动加速度G
opt
达到30～100G；停止振...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少明，贺会军，刘建，王志刚，刘希学，林卓贤，赵朝辉，安宁，张焕鹍，朱学新，
申请(专利权)人：北京康普锡威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：