一種改性金屬基復合材料的制備方法與流程

本發明涉及金屬基復合材料
技術領域：
，尤其涉及一種改性金屬基復合材料的制備方法。
背景技術：
：金屬基復合材料具有優異的抗磨性、高溫性能，較低的成本等優點，逐漸在高溫結構材料、耐磨材料、工模具材料等領域獲得廣泛應用。在制備高性能合金、金屬陶瓷等金屬基復合材料時，鈰組輕稀土氧化物是重要的添加劑，也是其不可或缺的組成部分。輕稀土容易和氧、硫等元素形成高熔點化合，其在金屬基復合材料中起到凈化晶界，達到提高晶粒間界面結合力，從而提高材料整體強度的目的；并且其原子半徑大，可以填補金屬及其復合材料的晶粒缺陷，生成阻礙晶粒生長的界膜，可以細化晶粒。鈰組輕稀土顆粒大小及形貌對金屬基復合材料的強度起關鍵作用。然而目前，采用添加常規的鈰組輕稀土氧化物所制備得到的改性金屬基復合材料，其各項性能有待進一步提高，應用范圍也相應受限。究其原因，這主要是由于所添加的現有鈰組輕稀土氧化物自身存在形貌各異、球化率不高、多為空心結構，且易長大、粘結團聚等缺陷，進而致使稀土元素在金屬基復合材料的各晶界分布不均勻，無法凈化晶界，限制了材料性能效果的提高。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種改性金屬基復合材料的制備方法，該制備方法該制備方法具有成本低、設備及操作簡單,易于工業化等諸多優點，可制備出材料性能效果優異的改性金屬基復合材料。本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種改性金屬基復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)根據反應方程式中各元素化學計量比，分別稱取相應的碳酸氫鈉(nahco3)和稀土鹽作為反應原料；再稱取適量的十六烷基三甲基溴化銨(ctab)；將反應原料、ctab與適量的無水乙醇混合，然后進行行星球磨；將所得產物抽濾、洗滌，后加入適量無水乙醇即得到前驅物料漿；用噴霧熱解法對前驅物料漿進行熱分解，即制得改性劑納米球形稀土氧化物粉末；(2)根據目標產物的組成，分別稱取相應的配料粉末和納米球形稀土氧化物粉末，將其混合配置成粉末混料，其中，納米球形稀土氧化物粉末占粉末混料總重量的1％～5％，再加入占粉末混料總重量1％～5％的石蠟，以便使粉末在模壓時能夠成型；之后混合球磨36～48小時，再進行噴霧干燥，其中，控制噴嘴的直徑為0.5～0.8mm，霧化溫度為120～150℃，以使得粉末由噴嘴噴出形成球形，并使粉末充分分散；再將干燥后的粉末模壓成型，壓制壓力為100～160kn，保壓10～15s，最后進行過壓燒結，燒結時控制爐內壓力為4～6mpa，燒結溫度為1400～1550℃，以保證燒結過程中產生的氣體充分排出；于燒結結束前10～20min充入4mpa氬氣，以便使得金屬基復合材料在冷卻的過程中在壓力的作用下充分致密，直至燒結完成。燒結完成后即得改性金屬基復合材料。作為進一步優化，上述稀土鹽為鑭鹽、鈰鹽、鐠鹽、釹鹽、钷鹽、釤鹽或銪鹽。作為進一步優化，上述用噴霧熱解法對前驅物料漿進行熱分解，具體按照以下步驟進行：a.將前驅物料漿置于轉動容器中，用微型泵抽入到噴霧熱解裝置的霧化器中制備前驅物納米粉末，其中，微型泵的進料速度為50～100ml/min，霧化噴嘴口徑為0.2～0.5mm，載氣為氮氣，氣體流量200～500ml/min，霧化溫度為100～150℃；b.將所得的前驅物納米粉末用載氣帶入熱分解區，進行兩段式加熱分解；其中，一段溫度為200～250℃，保溫1小時，除去結晶水；二段溫度為400～800℃，保溫3～6小時；然后由載氣將分解產物吹入集粉器后，在氣體保護下冷卻至室溫，即制得改性劑納米球形稀土氧化物粉末。作為進一步優化，上述十六烷基三甲基溴化銨的用量按照占反應原料總質量2％～5％的量計。作為進一步優化，上述行星球磨具體按照以下操作進行：將反應原料、ctab與適量的無水乙醇混合后，再與瑪瑙球一起裝入瑪瑙罐進行行星球磨，其中，反應原料與瑪瑙球的重量比為1：5～8，球磨速度為公轉300～500轉/分，球磨時間5～10小時。作為進一步優化，上述步驟(1)中的洗滌操作具體是用去離子水洗滌3～5次。本發明具有以下有益效果：本發明提供了一種改性金屬基復合材料的制備方法，該制備方法具有成本低、設備及操作簡單,易于工業化等諸多優點。它通過先將膠束固相化學反應與噴霧熱分解反應相結合，制備出了形貌好、分布均勻、顆粒尺寸小、純度高，且顆粒球化率大的改性劑納米實心球形稀土氧化物，而在添加該改性劑制備合金的過程中，其稀土元素均勻分布在金屬基復合材料的各晶界，從而達到有效凈化晶界，提高材料性能的效果。其中，在固相反應中利用ctab產生膠束形成的球形微型反應器，有效控制了顆粒尺寸和形貌，限制晶體各向非均勻生長及長大，制備出了球化率高、顆粒均勻、納米級別的球形前驅物，并配合兩段式高溫噴霧熱解，使前驅物在熱解過程中有效脫除結晶水并抑制晶粒長大，同時噴霧熱解使熱分解后的顆粒有效保持納米球形并且不粘結團聚、不會形成空心微米球，進一步保證了球形形貌，制備出了形貌好、分布均勻，顆粒尺寸小于100nm，純度大于99.9％，且顆粒球化率大于90％的納米實心球形鈰組輕稀土氧化物，進而在混合球磨、噴霧干燥等步驟中使得稀土元素充分優化了金屬基復合材料的微觀組織結構，賦予其更優異的性能效果。附圖說明圖1為本發明實施例1中所制備的改性劑納米球形鈰組輕稀土氧化物粉(ceo2)的sem圖譜。圖2為本發明實施例1中所制備的改性劑納米球形鈰組輕稀土氧化物粉(ceo2)的粒度分布圖。圖3為本發明實施例1中所制備的改性劑納米球形鈰組輕稀土氧化物粉(ceo2)的xrd圖譜。圖4為采用常規制備方法中所采用的超細ceo2粉末的結構示意圖。具體實施方式下面通過具體實施例對本發明進行具體描述，在此指出以下實施例只用于對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術熟練人員可以根據上述
發明內容對本發明作出一些非本質的改進和調整。實施例1一種改性金屬基復合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)根據反應方程式中各元素化學計量比，分別稱取相應的碳酸氫鈉(nahco3)2mol、稀土鹽硝酸鈰(ce(no3)2·6h2o)1mol作為反應原料；再稱取占反應原料總質量的2％的十六烷基三甲基溴化銨(ctab)；將稱取的nahco3、ce(no3)2·6h2o、ctab與適量的無水乙醇混合，與瑪瑙球一起裝入瑪瑙罐，其中，反應原料與瑪瑙球的重量比為1：5，然后進行行星球磨，球磨速度為公轉300轉/分，球磨時間5小時，所得產物抽濾后再用去離子水洗滌3次，加入適量無水乙醇即得到前驅物料漿；將前驅物料漿置于轉動容器中，再用微型泵抽入到噴霧熱解裝置的霧化器中，微型泵進料速度為50ml/min，載氣為氮氣，氣體流量300ml/min，霧化噴嘴口徑為0.2mm，霧化溫度為150℃；霧化后的前驅物納米粉末用載氣帶入熱分解區分兩段對前驅物進行熱分解：一段溫度250℃，保溫1小時，除去結晶水；二段溫度600℃，保溫5小時；然后由載氣將分解產物吹入集粉器后，在氣體保護下冷至室溫，即制得改性劑納米球形鈰組輕稀土氧化物粉(ceo2)；(2)按下表所示重量比和組成，分別稱取相應的粒度小于等于10um的各配料粉末，以及步驟(1)所制得的納米球形稀土氧化物ceo2粉末進行配料，將其混合配置成粉末混料：粉末ticnwcmococeo2粉末合計重量比％50208175100再在所配好的粉末混料中，加入占其總重量4.5％的石蠟，將其混合球磨48小時后進行噴霧干燥，噴嘴直徑為0.5mm，霧化溫度125℃；將干燥后的粉末模壓成型，其壓制壓力為110kn，保壓15s，最后進行過壓燒結，燒結時爐內壓力5mpa，燒結溫度1450℃，于燒結結束前15min充入4mpa氬氣，直至燒結完成，燒結完成后即得ticn基金屬陶瓷材料。下表1所示為所制得的ticn基金屬陶瓷材料樣品的物理性能對比；其中，樣品b為經添加本例1中的改性劑球形納米顆粒ceo2粉末所制得ticn基金屬陶瓷材料；樣品a為采用與上述ticn基金屬陶瓷的制備過程相同的工藝，但對應替換采用添加常規的ceo2超細粉末(如附圖4所示，其為片狀，平均尺寸300nm)而所制得的ticn基金屬陶瓷材料。表1可見：樣品b的韌性及強度明顯優于樣品a,說明樣品b的微觀組織結構更好，晶界得到凈化，性能提高。此外，分別根據附圖1、2和3可知：改性劑納米球形鈰組輕稀土氧化物粉(ceo2)顆粒為實心球，顆粒均勻，未粘附、分布好；粒度分布呈正態分布，d50小于100nm，說明顆粒均勻，平均顆粒尺寸小于100nm；圖3中所示為氧化鈰特征峰，說明目標物為氧化鈰。改性劑納米球形鈰組輕稀土氧化物粉(ceo2)檢測：經檢測改性劑產物中的ceo2含量大于99.9％。(不含表面吸附o)icp(等離子光譜)分析結果：元素prgdybtbpmsmeurfenakmnznmgcralceo2含量(ppm)151210162011103010101210101011>99.9％氧碳分析結果：元素o(其中化合o含量35.6％)c含量％43.7％0.21％實施例2一種改性金屬基復合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)根據反應方程式中各元素化學計量比，分別稱取相應的3mol碳酸氫鈉(nahco3)、2mol稀土鹽硝酸鑭(la(no3)3·6h2o)作為反應原料；再稱取占反應原料總質量的3.5％的十六烷基三甲基溴化銨(ctab)；將稱取的nahco3、la(no3)3·6h2o、ctab與適量的無水乙醇混合，與瑪瑙球一起裝入瑪瑙罐，其中，反應原料與瑪瑙球的重量比為1：6，然后進行行星球磨，球磨速度為公轉400轉/分，球磨時間7.5小時，所得產物抽濾后再用去離子水洗滌4次，加入適量無水乙醇即得到前驅物料漿；將前驅物料漿置于轉動容器中，再用微型泵抽入到噴霧熱解裝置的霧化器中，微型泵進料速度為80ml/min，載氣為氮氣，氣體流量400ml/min，霧化噴嘴口徑為0.45mm，霧化溫度為150℃；霧化后的前驅物納米粉末用載氣帶入熱分解區分兩段對前驅物進行熱分解：一段溫度240℃，保溫1.5小時，除去結晶水；二段溫度700℃，保溫6小時；然后由載氣將分解產物吹入集粉器后，在氣體保護下冷至室溫，即制得改性劑粉末；(2)按下表所示重量比和組成，分別稱取相應的粒度小于等于10um的各配料粉末，以及步驟(1)所制得的改性劑粉末進行配料，將其混合配置成粉末混料：粉末ticnwcmoco改性劑粉末合計重量比％5020916.54.5100再在所配好的粉末混料中，加入占其總重量3.5％的石蠟，將其混合球磨40小時后進行噴霧干燥，噴嘴直徑為0.7mm，霧化溫度135℃；將干燥后的粉末模壓成型，其壓制壓力為150kn，保壓12s，最后進行過壓燒結，燒結時爐內壓力5mpa，燒結溫度1400℃，于燒結結束前18min充入4mpa氬氣，直至燒結完成，燒結完成后即得ticn基金屬陶瓷材料。實施例3一種改性金屬基復合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)根據反應方程式中各元素化學計量比，分別稱取相應的碳酸氫鈉(nahco3)3mol、稀土鹽硫酸釤(sm2(so4)3)2mol作為反應原料；再稱取占反應原料總質量的4.5％的十六烷基三甲基溴化銨(ctab)；將稱取的nahco3、sm2(so4)3、ctab與適量的無水乙醇混合，與瑪瑙球一起裝入瑪瑙罐，其中，反應原料與瑪瑙球的重量比為1：8，然后進行行星球磨，球磨速度為公轉480轉/分，球磨時間9.5小時，所得產物抽濾后再用去離子水洗滌5次，加入適量無水乙醇即得到前驅物料漿；將前驅物料漿置于轉動容器中，再用微型泵抽入到噴霧熱解裝置的霧化器中，微型泵進料速度為100ml/min，載氣為氮氣，氣體流量500ml/min，霧化噴嘴口徑為0.50mm，霧化溫度為150℃；霧化后的前驅物納米粉末用載氣帶入熱分解區分兩段對前驅物進行熱分解：一段溫度250℃，保溫1.5小時，除去結晶水；二段溫度800℃，保溫6小時；然后由載氣將分解產物吹入集粉器后，在氣體保護下冷至室溫，即制得改性劑粉末；(2)按下表所示重量比和組成，分別稱取相應的粒度小于等于10um的各配料粉末，以及步驟(1)所制得的改性劑粉末進行配料，將其混合配置成粉末混料：粉末ticnwcmoco改性劑粉末合計重量比％51.5188.518.53.5100再在所配好的粉末混料中，加入占其總重量2.5％的石蠟，將其混合球磨48小時后進行噴霧干燥，噴嘴直徑為0.8mm，霧化溫度145℃；將干燥后的粉末模壓成型，其壓制壓力為145kn，保壓12s，最后進行過壓燒結，燒結時爐內壓力6mpa，燒結溫度1500℃，于燒結結束前20min充入4mpa氬氣，直至燒結完成，燒結完成后即得ticn基金屬陶瓷材料。實施例4一種改性金屬基復合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)根據反應方程式中各元素化學計量比，分別稱取相應的碳酸氫鈉(nahco3)3mol、稀土鹽三氯化銪(eucl3.6h2o)2mol作為反應原料；再稱取占反應原料總質量的5％的十六烷基三甲基溴化銨(ctab)；將稱取的nahco3、eucl3.6h2o、ctab與適量的無水乙醇混合，與瑪瑙球一起裝入瑪瑙罐，其中，反應原料與瑪瑙球的重量比為1：7，然后進行行星球磨，球磨速度為公轉500轉/分，球磨時間10小時，所得產物抽濾后再用去離子水洗滌5次，加入適量無水乙醇即得到前驅物料漿；將前驅物料漿置于轉動容器中，再用微型泵抽入到噴霧熱解裝置的霧化器中，微型泵進料速度為60ml/min，載氣為氮氣，氣體流量300ml/min，霧化噴嘴口徑為0.30mm，霧化溫度為135℃；霧化后的前驅物納米粉末用載氣帶入熱分解區分兩段對前驅物進行熱分解：一段溫度235℃，保溫1小時，除去結晶水；二段溫度650℃，保溫6小時；然后由載氣將分解產物吹入集粉器后，在氣體保護下冷至室溫，即制得改性劑粉末；(2)按下表所示重量比和組成，分別稱取相應的粒度小于等于10um的各配料粉末，以及步驟(1)所制得的改性劑粉末進行配料，將其混合配置成粉末混料：粉末ticnwcmoco改性劑粉末合計重量比％50208175100再在所配好的粉末混料中，加入占其總重量5％的石蠟，將其混合球磨48小時后進行噴霧干燥，噴嘴直徑為0.6mm，霧化溫度150℃；將干燥后的粉末模壓成型，其壓制壓力為160kn，保壓14s，最后進行過壓燒結，燒結時爐內壓力4.5mpa，燒結溫度1550℃，于燒結結束前15min充入4mpa氬氣，直至燒結完成，燒結完成后即得ticn基金屬陶瓷材料。當前第1頁12