專利名稱：金屬基微納粉制備用醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米漿料，尤其是一種雙相納米漿料，具體地說是一種金屬基微納粉制備用醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料及制備方法。
背景技術：
相對于其他再制造技術而言，激光再制造技術具有眾多優點如再制造界面為冶金結合、組織細小、成分可控、熱影響較小等，再加上激光加工的高柔性、高效率、低污染及易于實現計算機控制等光加工特點，使之成為一項備受關注的再制造關鍵技術之一。然而，現有激光再制造用粉多采用微米金屬粉，熔燒微米金屬粉需要較大的激光能量，造成對基體尤其是再制造對象為薄壁件時的熱輸入偏大，進而導致再制造件變形較大、再制造區組織惡化、性能下降等，甚至失去再制造的價值。可見，提高激光再制造用粉對激光的吸收率，是實現解決上述問題的一個重要途徑。碳黑粉體是一種平均粒徑為20nm的黑色納米粉體，若能將碳黑顆粒有效包覆在微米金屬顆粒表面構建微納粉，充分發揮黑色物質的強吸光性和納米顆粒的表面效應，將會極大地提高粉體對激光的吸收率。納米氧化鈰粉體是最常用的一種稀土材料，具有稀土材料特有的活性元素效應。若在微米金屬粉中同時引入納米碳黑粉和納米氧化鑭粉，既可以提高粉體對激光的吸收性能，又可避免碳黑的引入對微米金屬粉使用性能造成的不利影響，如可較好地消除微界面增加誘發的微觀缺陷增多等問題。根據王宏宇等的專利“一種納米陶瓷/微米金屬復合粉體的機械制備方法(ZL 2007 10024996. X)”，要想實現納米顆粒有效包覆于微米顆粒表面，需采用分散穩定的納米漿料作為球磨介質的納米引入方式。但是，現有碳黑或氧化鈰納米漿料均為單相納米漿料，若在制備微納粉過程中先后引入或同時加入，都將會造成納米組分分布不均勻而極大地影響微納粉的品質。因此，開發一種碳 黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，對于制備出品質優良的碳黑和氧化鈰雙相納米增強的金屬基微納粉至關重要。
發明內容
本發明的目的是針對現有碳黑或氧化鈰納米漿料均為單相納米漿料，造成所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強的金屬基微納粉品質尚不夠理想等問題，發明一種金屬基微納粉制備用醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料。本發明的技術方案是
一種金屬基微納粉制備用醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，其特征是它由納米碳黑粉、納米氧化鈰粉和醇水混合溶液組成；其中，納米碳黑粉占漿料質量分數的O. 059Γ0. 15%，納米氧化鈰粉的質量分數為所加納米碳黑粉質量分數的3-5倍，其余為醇水混合溶液；所述的醇水混合溶液由乙醇和水組成，其中乙醇占混合溶液體積的3(Γ70%。所述納米碳黑粉，其特征是該納米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T 7046-2003標準檢測的著色強度不低于120%，其平均粒徑為 Γ22ηπι。所述納米氧化鋪粉,其特征是該納米氧化鋪粉的平均粒徑為l(T30nm。所述乙醇最好為無水乙醇，所述水最好為去離子水。一種金屬基微納粉制備用醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料制備方法，其特征是它包括以下步驟
首先，按照所需體積分數配制醇水混合溶液；
然后，將納米碳黑粉和納米氧化鈰粉分別按照所需配比分散到醇水混合溶液中，制成單相納米碳黑懸浮液和單相納米氧化鈰懸浮液；
最后，將已制成的單相納米碳黑懸浮液和單相納米氧化鈰懸浮液進行球磨混合，即可獲得醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料。所述球磨混合處理工藝參數為球磨轉速為500轉/分鐘、球料比5:1、球磨時間為I小時、磨球直徑不大于4_。本發明的有益效果
(I)本發明首次實現了制備醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，為制備出具有良好使用性能的激光再制造用微納粉奠定了必要基礎，采用該復合漿料所制備的雙相納米增強的金屬基微納粉品質及其使用性能遠高于采用現有單相納米漿料所制備的金屬基微納粉。(2)本發明所述漿料中，納米碳黑粉和納米氧化鈰粉具有合理的配比關系，不僅保留了納米碳黑粉的深黑色以充分發揮其強吸光性，而且該漿料還具有不低于單相納米漿料的分散穩定性，可穩定分 散3個月以上不沉降；采用該漿料所制備的微納粉，對激光具有很好的吸收性。(3)本發明通過球磨混合方法，保證了納米碳黑粉和納米氧化鈰粉在漿料中分布均勻，未見明顯某一單相納米粉局部集中現象，有利于充分發揮納米碳黑粉和納米氧化鈰各自的功能特性，并經過大量實驗研究，獲得了球磨混合的最佳工藝組合。(4)本發明漿料以醇水混合溶液為液體介質，不需要額外添加任何分散劑或表面活性劑，保證了漿料組分純凈，有效避免了其他雜質組分對漿料使用性能的不利影響。
圖1是采用本發明所述雙相納米復合漿料制備的微納粉SM形貌。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步的說明。以下是本發明的方法所制備的醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料實例，但不僅僅限于這些實例，只要采用本發明所述方法，均可達到本發明的目的。以下實例中假定乙醇的比重為O. 78，水的比重為1，實際使用時可根據實際比重進行相應的計算和調整；此外，需要說明的是，考慮到所添加納米粉占漿料的質量分數很小，故以液體介質質量作為漿料總質量計算納米粉的添加量。實施例一。實例所用材料市購普通袋裝碳黑粉體，平均粒徑18nm，著色強度為135%，碳黑粉質量分數為O. 1% ;市購普通袋裝氧化鈰粉體，平均粒徑20nm，呈淺黃色，氧化鈰粉質量分數為O. 4% ;醇水混合溶液中，乙醇占混合溶液的體積比為50%。制備時，首先，配制足夠的乙醇占混合溶液的體積比為50%的醇水混合溶液備用。其次，分別制備單相納米碳黑懸浮液和單相納米氧化鈰懸浮液。在制備單相納米碳黑懸浮液時，先將納米碳黑粉體進行干法球磨預處理，以打破其中原有大團聚體顆粒，再將稱量后的納米碳黑粉體與醇水混合溶液進行混合并攪拌至得到無明顯固液分層的碳黑漿料半成品，將攪拌后的碳黑漿料半成品置于超聲設備中進行恒溫超聲分散，控制恒溫溫度為20±5°C，分散時間為3(Γ60分鐘，即可得到分散穩定的單相納米碳黑懸浮液，醇水混合溶液的加入量應保證所形成的單相納米碳黑懸浮液中的納米碳黑粉體的質量百分比不大于1%。在制備單相納米氧化鈰懸浮液時，將稱量所得的氧化鈰粉體加入余量的醇水混合溶液中后，進行攪拌得到單相納米氧化鈰懸浮液；如果攪拌效果不理想還可采用超聲波分散或其它常規的分散方法(如中國專利ZL2007 10133580.1的方法等)進行分散，如果有沉淀現象出現，應適當添加氧化鈰粉體以保證最終漿料中氧化鈰粉體的含量滿足要求。最后，將已制成的單相納米碳黑懸浮液和單相納米氧化鈰懸浮液進行球磨混合，球磨混合處理工藝參數為球磨轉速為500轉/分鐘、球料比5:1、球磨時間為I小時、磨球直徑不大于4_，即可獲得醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料。所制得的復合漿料呈現與單相碳黑漿料類似的均勻黑色，未見明顯某一單相納米粉局部集中的現象。實施例二。 實例所用材料市購普通袋裝碳黑粉體，平均粒徑22nm，著色強度為125%，碳黑粉質量分數O. 05% ;市購普通袋裝氧化鈰粉體，平均粒徑30nm，呈淺黃色，氧化鈰粉質量分數O. 15% ;醇水混合溶液中，乙醇占混合溶液的體積比為30%。參照實施例一所述的方法步驟制備醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，該復合漿料呈與單相碳黑漿料類似的均勻黑色，未見明顯某一單相納米粉局部集中的現象。采用該復合漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強的金屬基微納粉達到了較為理想的品質。實施例三。實例所用材料市購普通袋裝碳黑粉體，平均粒徑14nm，著色強度為140%，碳黑粉質量分數O. 15% ;市購普通袋裝氧化鈰粉體，平均粒徑10nm，呈淺黃色，氧化鈰粉質量分數O. 75% ;醇水混合溶液中，乙醇占混合溶液的體積比為70%。參照實施例一所述的方法步驟制備醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，該復合漿料呈與單相碳黑漿料類似的均勻黑色，未見明顯某一單相納米粉局部集中的現象。采用該復合漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強的金屬基微納粉達到了較為理想的品質。以下是本發明的對比試驗方法。一、采用本發明的復合漿料制備雙相納米增強的微納粉。步驟I，按本發明的方法制備獲得混合均勻的碳黑/氧化鈰雙相納米懸浮液；
步驟2，將市購Al-Si合金微米粉進行球形化預處理，獲得預處理后的微米金屬粉； 步驟3，將預處理后的微米金屬粉，加入已混合均勻的碳黑/氧化鈰雙相納米懸浮液后
進行球磨復合，獲得碳黑/氧化鈰雙相納米和微米金屬復合的微納粉漿料；
步驟4，將微納粉漿料置于干燥箱中干燥，即可獲得納米碳黑和納米氧化鈰協同增強的金屬基微納粉。采用該雙相納米復合漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強的金屬基微納粉，達到了較為理想的品質。如圖1所示，在所制備的金屬基微納粉中，納米碳黑和納米氧化鈰呈高分散性特征均勻包覆于微米顆粒表面；同時，采用該微納粉進行激光焊接再制造存在貫穿性裂紋的O. 6mm厚薄壁件，在其他工藝參數不變的情況，獲得品質優良再制造薄壁件所允許的極限掃描速度為3. 5mm/s ;此外，薄壁件激光焊接再制造區組織致密細小，基本不存在碳化物夾雜等微觀缺陷。二、制備僅含納米碳黑的微納粉。首先，參照本發明的方法將納米碳黑與醇水混合溶液混合制成碳黑單相納米懸浮液；
其次，將市購Al-Si合金微米粉進行球形化預處理，獲得預處理后的微米金屬粉；第三，將預處理后的微米金屬粉，加入碳黑單相納米懸浮液后進行球磨復合，獲得單相納米碳黑和微米金屬復合的微納粉漿料；
第四，將微納粉漿料置于干燥箱中干燥，即可獲得碳黑單相納米增強的金屬基微納粉。采用該單相漿料所制備的碳黑單相納米增強的金屬基微納粉，進行激光焊接再制造存在貫穿性裂紋的O. 6mm厚薄壁件，在其他工藝參數不變的情況，獲得品質優良再制造薄壁件所允許的極限掃描速度為3mm/s ;此外，薄壁件激光焊接再制造區組織較為致密細小，但組織中出現了眾多的碳化物夾雜、氣孔等缺陷。三、制備僅含納米 氧化鈰的微納粉。首先，參照本發明的方法將納米氧化鈰與醇水混合溶液混合制成氧化鈰單相懸浮液；
其次，將市購Al-Si合金微米粉進行球形化預處理，獲得預處理后的微米金屬粉；
第三，將預處理后的微米金屬粉，加入氧化鈰單相納米懸浮液后進行球磨復合，獲得單相納米氧化鈰和微米金屬復合的微納粉漿料；
第四，將微納粉漿料置于干燥箱中干燥，即可獲得氧化鈰單相納米增強的金屬基微納粉。采用該單相漿料所制備的氧化鈰單相納米增強的金屬基微納粉，進行激光焊接再制造存在貫穿性裂紋的O. 6mm厚薄壁件，在其他工藝參數不變的情況，獲得品質優良再制造薄壁件所允許的極限掃描速度為2. 5mm/s。此外，薄壁件激光焊接再制造區組織粗大，基本與采用未加納米顆粒的微米粉相同。四、采用兩種單相納米漿料制備雙相納米增強的微納粉。首先，參照本發明的方法分別制備碳黑單相納米懸浮液和氧化鈰單相納米懸浮液。其次，將市購Al-Si合金微米粉進行球形化預處理，獲得預處理后的微米金屬粉； 第三，將預處理后的微米金屬粉，同時加入碳黑單相納米懸浮液和氧化鈰單相納米懸
浮液后進行球磨復合，獲得碳黑/氧化鈰雙相納米和微米金屬復合的微納粉漿料；
步驟4，將微納粉漿料置于干燥箱中干燥，即可獲得納米碳黑和納米氧化鈰協同增強的金屬基微納粉。采用兩種單相漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強的金屬基微納粉，進行激光焊接再制造存在貫穿性裂紋的O. 6mm厚薄壁件，在其他工藝參數不變的情況，獲得品質優良再制造薄壁件所允許的極限掃描速度為3mm/s。此外，薄壁件激光焊接再制造區組織較為致密細小，但均勻性較差多處出現組織偏析、碳化物夾雜等缺陷。可見，采用本發明碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料制備雙相納米增強的微納粉，可有效提高激光再制造用粉對激光的吸收率，不僅遠好于單相納米增強的微納粉，也好于采用兩種單相納米漿料所制備的雙相納米增強微納粉。此外，所獲得的再制造薄壁件品質，也表現出類似的優點。此外，申請人用鈦基、鐵基和鎳基微米金屬粉進行了相同的試驗，數據與前述實驗數據具有很好的趨同性。上述描述和說明只是表達了本發明的技術構思和特點及其具有代表性的實施案例，并不能以此限制本發明的保護范圍，凡根據本發明構思實質所做的等效變化或者修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。本發明未涉及部 分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種金屬基微納粉制備用醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，其特征是它由納米碳黑粉、納米氧化鈰粉和醇水混合溶液組成；其中，納米碳黑粉占漿料質量分數的O.059Γ0. 15%，納米氧化鈰粉的質量分數為所加納米碳黑粉質量分數的3-5倍，其余為醇水混合溶液；所述的醇水混合溶液由乙醇和水組成，其中乙醇占混合溶液體積的3(Γ70%。
2.根據權利要求1所述的醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，其特征是所述的納米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T7046-2003標準檢測的著色強度不低于120%，其平均粒徑為 14 22nm。
3.根據權利要求1所述的醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，其特征是所述的納米氧化鋪粉的平均粒徑為l(T30nm。
4.根據權利要求1所述的醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，其特征是所述的乙醇為無水乙醇，所述的水為去離子水。
5.一種權利要求1所述復合漿料的制備方法，其特征是它包括以下步驟首先，按照所需體積分數配制醇水混合溶液；然后，將納米碳黑粉和納米氧化鈰粉分別按照所需配比分散到醇水混合溶液中，制成單相納米碳黑懸浮液和單相納米氧化鈰懸浮液；最后，將已制成的單相納米碳黑懸浮液和單相納米氧化鈰懸浮液進行球磨混合，即可獲得醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料。
6.根據權利要求5所述球磨混合處理工藝參數為球磨轉速為500轉/分鐘、球料比 5:1、球磨時間為I小時、磨球直徑不大于4mm_。
全文摘要
本發明公開了一種金屬基微納粉制備用醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料及制備方法，其特征是它由納米碳黑粉、納米氧化鈰粉和醇水混合溶液組成；其中，納米碳黑粉占漿料質量分數的0.05%~0.15%，納米氧化鈰粉的質量分數為所加納米碳黑粉質量分數的3-5倍，其余為醇水混合溶液；所述的醇水混合溶液由乙醇和水組成，其中乙醇占混合溶液體積的30~70%。本發明首次實現了制備醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復合漿料，較好地解決了采用現有單相納米漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強的金屬基微納粉品質尚不夠理想的問題。本發明所述漿料不僅組分純凈且具有良好的分散穩定性，可穩定分散3個月以上不沉降，具有很好的使用性能和工程應用價值。
文檔編號C01F17/00GK103043651SQ201310005928
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月8日 優先權日2013年1月8日
發明者王宏宇, 陳康敏, 周建忠, 金鏡, 黎向鋒, 許曉靜, 吳志奎, 趙玉鳳, 顧純陽 申請人:江蘇大學