一种用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法，包括如下步骤：第一步，浆料分散；第二步，喷雾干燥；第三步，真空脱脂烧结；第四步，等离子球化。进一步包括，第五步，分级筛分。本发明专利技术提供的难熔熵控材料包含Ta、W和可变元素M；其中，M为Nb、Zr、Mo、Hf、Ti、Re、V中一种或多种，还可以包括非金属元素N，其中，N为C、B或Si。本发明专利技术提供的难熔熵控材料粉体制备方法流程简便，过程可控，物料损失少，且制备的难熔熵控材料粉体形貌和粒径可控、成分均匀、生产效率高，实现了成本低廉的难熔熵控材料粉体宏量制备的技术突破。材料粉体宏量制备的技术突破。材料粉体宏量制备的技术突破。

【技术实现步骤摘要】
一种用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法


[0001]本专利技术属于难熔熵控材料粉体制备领域，特别涉及一种用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法。

技术介绍

[0002]增材制造，通常称为金属3D打印，是一种新型的制造技术。该技术基于数字模型，以粉体为原料，采用激光、电子束、特殊波长光源、电弧以及各类能源的组合作为高能热源，利用“离散
‑
堆积”成型原理制造出复杂、致密、均匀、性能优异的实体成形件。
[0003]难熔熵控材料包括难熔中熵合金材料、难熔高熵合金材料、高熵陶瓷材料、高熵复合材料，属于应用前景十分广阔的高温结构材料，利用增材制造技术能够避免难熔熵控材料由于脆性难于加工的工艺难题。
[0004]目前，难熔熵控粉体常用的制备方法主要有机械合金化、旋转电极、熔体雾化等方法。如专利CN202011304272.2公开了一种采用高能球磨技术制备的WMoTaTi高熵合金粉体，粉体合金化程度良好，但长达60小时的球磨时间严重限制了高熵合金粉体生产效率，难以实现粉体的批量制备。专利CN201711397084.7公开了一种基于旋转电极工艺制备CoCrMo球形粉体的工艺，但根据专利CN201611174427.9可知，旋转电极用电极棒的制备工艺复杂，对于高熔点元素更加困难，冗杂的工艺，高昂的成本，限制了难熔高熵粉体的批量生产。专利202011254788.0公开了一种通过高真空电弧熔炼获得难熔高熵合金铸锭，再对铸锭进行氢化破碎、振动研磨、等离子球化，进而制备难熔高熵合金粉体的技术，该方法可用于难熔金属球形粉体制备，但是电弧熔炼制备较大尺寸的难熔高熵合金工艺复杂，成本较高，且受水冷铜坩埚冷却影响，铸锭极易出现成分偏析，组织不均匀的现象，这都会对粉体的质量产生影响。从上述专利可以看出，难熔熵控材料熔点极高，用于增材制造研究进展缓慢。
[0005]因此，获得成分均匀、球形度高、粒径可控、形貌良好的高品质粉体成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法，该方法制备的难熔熵控材料粉体形貌和粒径可控、成分均匀、物料损失少、生产效率高。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供一种用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法，包括如下步骤：
[0008]第一步，浆料分散：
[0009]将难熔熵控材料原料粉末按摩尔分数计算后，并转化为质量分数进行配料，然后与溶胶液放入胶体分散器中混合得到浆料；
[0010]使用胶体分散器既可以有效细化原料粉末，又可以避免粉末因密度不同发生沉降、分层，从而得到粉体颗粒均匀分散的悬浊液浆料。
[0011]第二步，喷雾干燥：
[0012]将浆料送入到封闭气流式喷雾干燥设备中，浆料先经雾化成为细小液滴，随后细小液滴被干燥形成多孔团聚粉体，通过旋风分离器收集该多孔团聚粉体；
[0013]为了避免粉体因密度不同发生沉降，影响多孔团聚粉体的均匀性，喷雾干燥过程中，利用磁力搅拌对浆料进行实时搅拌。
[0014]封闭气流式喷雾干燥系统能够根据增材成形的需要，调控喷嘴孔径来控制多孔团聚粉体的粒径。
[0015]第三步，真空脱脂烧结：
[0016]将收集的多孔团聚粉体放入真空热炉中进行脱脂烧结，得到脱脂烧结粉体；
[0017]真空脱脂烧结可以去除粘结剂引入的碳氧等杂质元素，使相互接触的单质金属发生一定程度的固态扩散，从而增加团聚粉体的内部结合，提高等离子球化前粉体的流动性；
[0018]第四步，等离子球化：
[0019]将脱脂烧结粉体送入等离子球化设备中进行球化处理，得到难熔熵控材料粉体，粉体粒径范围为5～150μm。
[0020]更进一步地，还包括：第五步，分级筛分：
[0021]将难熔熵控材料粉体根据增材制造的需求进行筛分，振动时间300秒，得到筛分后的难熔熵控材料粉体。
[0022]喷雾干燥后的多孔团聚粉体可以快速熔凝，得到多组元复杂成分难熔熵控材料的致密球形粉体，根据增材成形设备对粉体粒径的要求，进行分级筛分。
[0023]等离子球化即可得到难熔熵控材料球形粉体，分级筛分则是针对不同增材成形设备的需要进行粒径筛选。
[0024]更进一步地，所述难熔熵控材料包含Ta、W和可变元素M；其中，M为Nb、Zr、Mo、Hf、Ti、Re、V中一种或多种；该难熔熵控材料组成用化学式(TaW)M
x
表示，其中x表示摩尔比，且x＝0～2，且每种组分的摩尔分数为5～35％。
[0025]更进一步地，所述难熔熵控材料进一步包括非金属元素N；其中，N为C、B或Si；该难熔熵控材料组成用化学式(TaW)M
y
Nz表示，其中y、z为摩尔比，且y＝0～2，z＝0～1.5，且每种组分的摩尔分数为5～35％。
[0026]优选地，所述难熔熵控材料使用的原料中Ta为Ta金属单质，W为W金属单质，Mo为Mo金属单质，Ti为Ti金属单质，Re为Re金属单质，V为V金属单质，Zr为ZrH2，Hf为HfH2；所有原料均为粉末，且粉末粒径为0.1～3μm。
[0027]所述C原料、B原料或Si原料均为单质粉末，其中C单质粉末为石墨，且粉末粒径为0.1～3μm。
[0028]由于单质Zr和Hf金属粉体十分活泼，存放和使用危险性较大，因此Zr和Hf元素分别以ZrH2和HfH2金属氢化物形式保存和使用。虽然各金属单质为难熔元素，但是熔点、密度的差异易造成混合粉末的不均匀沉降，以及等离子球化时的熔凝不同步，这给球形粉体的制备带来了相当大的难度，因此为了获得最优制备效果，所有原料粉末粒度均控制在0.1～3μm。
[0029]更进一步地，所述溶胶液由聚乙烯醇、聚丙烯酸铵、木质磺酸钠溶于无水乙醇制成；其中，溶胶液中聚乙烯醇的质量分数为2～6wt％，溶胶液中聚丙烯酸铵质量分数为0.1
～3.0wt％，溶胶液中木质磺酸钠质量分数为0～2wt％。
[0030]在溶胶液中聚乙烯醇为粘结剂，聚丙烯酸铵为分散剂，木质磺酸钠为消泡剂。
[0031]更进一步地，第一步中混合得到的浆料中固含量为30～70wt％；胶体分散器转速为2900r/min，时间为15min。
[0032]浆料固含量中固即为难熔熵控材料原料粉末，其余为溶胶液。
[0033]短时的分散能够获得均匀混合且细化的浆料。
[0034]更进一步地，第二步中进一步采用蠕动泵将浆料送入封闭气流式喷雾干燥设备中，且同时进行磁力搅拌；喷雾干燥条件为：封闭气流式喷雾干燥设备的喷嘴口径为0.5～2.0mm，进口温度为150～250℃，出口温度为100～150℃，雾化压力为0.05～1.2MPa，进料速率为1500～2500mL/h，冷冻液温度为10～20℃，冷凝出风温度为10～20℃，设置保护气为Ar或N2。
[0035]使用磁力搅拌以避免原料粉末因密度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，浆料分散：将难熔熵控材料原料粉末按摩尔分数计算后，并转化为质量分数进行配料，然后与溶胶液放入胶体分散器中混合得到浆料；第二步，喷雾干燥：将浆料送入到封闭气流式喷雾干燥设备中，浆料经雾化成为细小液滴，随后细小液滴被干燥形成多孔团聚粉体，通过旋风分离器收集该多孔团聚粉体，在喷雾干燥过程中，使用磁力搅拌对浆料进行实时搅拌；第三步，真空脱脂烧结：将收集的多孔团聚粉体放入真空热炉中进行脱脂烧结，得到脱脂烧结粉体；第四步，等离子球化：将脱脂烧结粉体送入等离子球化设备中进行球化处理，得到难熔熵控材料粉体，粉体粒径范围为5～150μm。2.如权利要求1所述的用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法，其特征在于，在第四步后进一步包括：第五步，分级筛分：将难熔熵控材料粉体根据增材制造的需求进行筛分，振动时间300秒，得到筛分后的难熔熵控材料粉体。3.如权利要求1或2所述的用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法，其特征在于，所述难熔熵控材料包含Ta、W和可变元素M；其中，M为Nb、Zr、Mo、Hf、Ti、Re、V中一种或多种；该难熔熵控材料组成用化学式(TaW)M
x
表示，其中x表示摩尔比，且x＝0～2，且每种组分的摩尔分数为5～35％。4.如权利要求3所述的用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法，其特征在于，所述难熔熵控材料进一步包括非金属元素N；N为C、B或Si；该难熔熵控材料组成用化学式(TaW)M
y
Nz表示，其中y、z为摩尔比，且y＝0～2，z＝0～1.5。5.如权利要求3或4所述的用于增材制造的难熔熵控材料球形粉体的制备方法，其特征在于，所述难熔熵控材料的原料中Ta原料为Ta金属单质粉末，W原料为W金属单质粉末，Mo原料为Mo金属单质粉末，Ti原料为Ti金属单质粉末，Re原料为Re金属单质粉末，V原料为V金属单质粉末，Zr原...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁秀兵，夏铭，陈永雄，张志彬，何鹏飞，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：