本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體、復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)金屬材料在高溫條件下的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能普遍受限，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對高性能材料日益增長的需求。高溫環(huán)境對金屬材料的性能提出了更高的挑戰(zhàn)，許多傳統(tǒng)金屬材料在高溫下性能顯著下降，這極大地限制了它們在高端應(yīng)用領(lǐng)域中的廣泛使用。為了克服這一難題，科研人員開始探索將納米陶瓷顆粒作為硬質(zhì)相材料引入到金屬基體中，以期顯著提升金屬基材料的綜合性能，包括機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、耐高溫性等。

2、然而，納米陶瓷顆粒的引入雖然帶來了性能提升的可能性，但其高表面能和易團(tuán)聚的特性也給材料的制備帶來了極大的困難。如何實現(xiàn)高含量的納米級陶瓷顆粒在金屬基體中的均勻分散，同時避免高溫下的氧化和團(tuán)聚，一直是本領(lǐng)域面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3、現(xiàn)有的制備方法，如傳統(tǒng)高溫熔煉超聲分散法和粉末冶金法，在嘗試解決這一問題時均表現(xiàn)出一定的局限性。高溫熔煉超聲分散法在金屬熔化后加入納米陶瓷顆粒，但由于高溫液體的劇烈運動，納米陶瓷顆粒易于氧化和團(tuán)聚。盡管超聲技術(shù)能在一定程度上緩解團(tuán)聚問題，但長時間超聲處理又可能引發(fā)納米陶瓷顆粒在高溫下的其他不良反應(yīng)，從而影響復(fù)合材料的性能。粉末冶金法通常采用機(jī)械球磨混合金屬粉末與納米陶瓷顆粒。然而，這種方法不僅可能導(dǎo)致金屬粉末變形，影響粉末的尺寸分布和形狀規(guī)則性，球磨分散還不利于高含量納米陶瓷顆粒的復(fù)合，加劇了納米陶瓷顆粒的團(tuán)聚傾向(如圖1)，進(jìn)而影響材料的均勻性和整體性能。不僅如此，機(jī)械球磨過程中產(chǎn)生的熱量和機(jī)械應(yīng)力也可能對納米陶瓷顆粒造成損害，進(jìn)一步影響最終材料的性能。

4、綜上所述，現(xiàn)有制備方法在解決納米陶瓷顆粒分散和防止氧化團(tuán)聚方面仍存在局限性，金屬材料在高溫條件下的性能提升仍面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)新的制備技術(shù)，以實現(xiàn)高含量納米陶瓷顆粒在金屬基體中的均勻分散和防止高溫下的氧化團(tuán)聚，對于制備高性能金屬材料具有重要意義。這將為現(xiàn)代工業(yè)提供更多高性能、高可靠性的金屬材料選擇，推動高端應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體、復(fù)合材料及其制備方法，以實現(xiàn)高含量納米陶瓷顆粒在金屬基體中的均勻分散，從而顯著提高復(fù)合材料的性能。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體的制備方法，包括以下步驟：

3、s1：將納米陶瓷顆粒與微米級金屬粉末按比例進(jìn)行超聲共振混合，獲得金屬-陶瓷復(fù)合混粉；

4、s2：將金屬-陶瓷復(fù)合混粉加入到高溫熔鹽中并進(jìn)行機(jī)械攪拌，獲得熔鹽-陶瓷-金屬混合物；其中，熔鹽的溫度位于t1～t2之間，t1為熔鹽的熔點，t2為金屬粉末的熔點；

5、s3：持續(xù)加熱熔鹽-陶瓷-金屬混合物直至其溫度高于t2，并保持5～30min，使納米陶瓷顆粒擴(kuò)散到微米金屬顆粒中；

6、s4：對熔鹽-陶瓷-金屬混合物空冷降溫直至其溫度低于t1，獲得熔鹽-陶瓷-金屬塊狀固體；

7、s5：粉碎熔鹽-陶瓷-金屬塊狀固體，利用去離子水對粉碎后的顆粒進(jìn)行除鹽處理并烘干，獲得納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體。

8、可選的，所述納米陶瓷顆粒為al2o3、y2o3、zro2、si3n4、bn、aln、wc、sic、tic、zrc、tib2、zrb2、crb2中的一種。

9、可選的，金屬粉末為金屬或金屬合金。

10、可選的，納米陶瓷顆粒的體積純度為95～100％，粒徑為<200nm。

11、可選的，金屬粉末的體積純度為95～100％，粒徑為<10μm。

12、可選的，熔鹽為堿金屬和堿土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽以及碳酸鹽中的至少一種。

13、可選的，步驟s1中，納米陶瓷顆粒與微米級金屬粉末的體積比為2:3。

14、可選的，步驟s1中，納米陶瓷顆粒與微米級金屬粉末的質(zhì)量比為1:1。

15、可選的，步驟s2中，機(jī)械攪拌的轉(zhuǎn)速不低于100rpm，攪拌時間不少于20min。

16、可選的，熔鹽-陶瓷-金屬塊狀固體中均勻分布有金屬-陶瓷復(fù)合微粉，金屬-陶瓷復(fù)合微粉表現(xiàn)為金屬微球上均勻鑲嵌有納米陶瓷顆粒；

17、可選的，步驟s5中，將熔鹽-陶瓷-金屬塊狀固體研磨破碎至粒徑小于毫米級。

18、可選的，步驟s5中，將除鹽后的顆粒放入真空干燥箱中，在200℃下干燥至無液體殘留。

19、本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述方法制備得到的納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體。

20、本發(fā)明還提供一種納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

21、使用如前述的制備方法獲得納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體；

22、在惰性氣體的保護(hù)下，在高溫高壓下將納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體熱壓燒結(jié)，通過變形熱處理工藝制備出塊狀的納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

23、可選的，熱壓燒結(jié)的溫度為1200～1800℃，熱壓燒結(jié)的壓力為7～8mpa，熱壓燒結(jié)的時間不低于30min。

24、可選的，惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣以及氡氣中的至少一種。

25、本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述方法制備得到的納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

26、本發(fā)明還提供一種合金制品，合金制品主要由上述的納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制成。

27、本發(fā)明的有益效果在于：

28、首先，相較于傳統(tǒng)的高溫熔煉超聲分散法和粉末冶金法，本發(fā)明通過采用納米顆粒與熔鹽同時加熱的方式，熔鹽處理溫度相較傳統(tǒng)方法更低，從而有效防止了納米顆粒在高溫環(huán)境下的氧化，也有助于保持聲共振處理后納米顆粒的均勻分散，大大減少了顆粒團(tuán)聚的可能性。

29、其次，本發(fā)明利用超聲共振技術(shù)進(jìn)行混粉，這一方法與傳統(tǒng)的機(jī)械球磨相比對粉體的物理和化學(xué)性質(zhì)影響較小。超聲共振不僅不會改變粉體的原始形狀，還能保持其球形狀態(tài)，這對于提高后續(xù)加工的致密度至關(guān)重要。更重要的是，超聲共振技術(shù)實現(xiàn)高含量納米陶瓷顆粒的有效分散，確保制備出的金屬基復(fù)合材料具有高含量且分布均勻的納米陶瓷顆粒，從而顯著提升了材料的整體性能。

30、綜上所述，本發(fā)明不僅優(yōu)化了納米陶瓷顆粒的分散性和防氧化性能，還改善了粉末的形態(tài)和分散性，為制備高性能的金屬基納米復(fù)合材料提供了一種創(chuàng)新且有效的途徑。

31、本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述納米陶瓷顆粒為al2o3、y2o3、zro2、si3n4、bn、aln、wc、sic、tic、zrc、tib2、zrb2、crb2中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述金屬粉末為金屬或金屬合金。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述納米陶瓷顆粒的體積純度為95～100％，粒徑為<200nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述金屬粉末的體積純度為95～100％，粒徑為<10μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述熔鹽為堿金屬和堿土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽以及碳酸鹽中的至少一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟s1中，納米陶瓷顆粒與微米級金屬粉末的體積比為2:3。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟s1中，納米陶瓷顆粒與微米級金屬粉末的質(zhì)量比為1:1。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟s2中，機(jī)械攪拌的轉(zhuǎn)速不低于100rpm，攪拌時間不少于20min。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述熔鹽-陶瓷-金屬塊狀固體中均勻分布有所述金屬-陶瓷復(fù)合微粉，所述金屬-陶瓷復(fù)合微粉表現(xiàn)為金屬微球上均勻鑲嵌有所述納米陶瓷顆粒。

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟s5中，將所述熔鹽-陶瓷-金屬塊狀固體研磨破碎至粒徑小于毫米級。

12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述步驟s5中，將除鹽后的顆粒放入真空干燥箱中，在200℃下干燥至無液體殘留。

13.根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項所述方法制備得到的納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體。

14.一種納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：

15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制備方法，其特征在于：所述熱壓燒結(jié)的溫度為1200～1800℃，所述熱壓燒結(jié)的壓力為7～8mpa，所述熱壓燒結(jié)的時間不低于30min。

16.根據(jù)權(quán)利要求14所述方法制備得到的納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

17.一種合金制品，其特征在于，所述合金制品主要由權(quán)利要求16所述的納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制成。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種納米陶瓷增強(qiáng)金屬基球形金屬粉體、復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。球形金屬粉體的制備方法包括：將納米陶瓷顆粒與微米級金屬粉末按比例混合；將金屬?陶瓷復(fù)合混粉加入高溫熔鹽中并進(jìn)行機(jī)械攪拌；熔鹽的溫度高于熔鹽熔點；持續(xù)加熱熔鹽?陶瓷?金屬混合物直至其溫度高于金屬熔點，使納米陶瓷顆粒擴(kuò)散到微米金屬顆粒中；對熔鹽?陶瓷?金屬混合物空冷降溫直至其溫度低于T1；粉碎熔鹽?陶瓷?金屬塊狀固體，進(jìn)行除鹽處理并烘干，獲得球形金屬粉體。在此基礎(chǔ)上，對金屬粉體進(jìn)行熱壓燒結(jié)獲得納米陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高含量納米陶瓷顆粒在金屬基體中的均勻分散，從而顯著提高復(fù)合材料的性能。

技術(shù)研發(fā)人員：徐詩鑫,張芝民,余海濤,鄧敖,于智成,向愷靈,朱科,馮科
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17