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(fù)合漿料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(fù)合漿料及制備方法。
背景技術(shù)：
相對于其他再制造技術(shù)而言，激光再制造技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)如再制造界面為冶金結(jié)合、組織細(xì)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等光加工特點(diǎn)，使之成為一項(xiàng)備受關(guān)注的再制造關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，現(xiàn)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(shí)的熱輸入偏大，進(jìn)而導(dǎo)致再制造件變形較大、再制造區(qū)組織惡化、性能下降等，甚至失去再制造的價(jià)值?？梢?，提高激光再制造用粉對激光的吸收率，是實(shí)現(xiàn)解決上述問題的一個(gè)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(gòu)建微納粉，充分發(fā)揮黑色物質(zhì)的強(qiáng)吸光性和納米顆粒的表面效應(yīng)，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(yīng)。若在微米金屬粉中同時(shí)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(fā)的微觀缺陷增多等問題。根據(jù)王宏宇等的專利“一種納米陶瓷/微米金屬復(fù)合粉體的機(jī)械制備方法(ZL 2007 10024996. X)”，要想實(shí)現(xiàn)納米顆粒有效包覆于微米顆粒表面，需采用分散穩(wěn)定的納米漿料作為球磨介質(zhì)的納米引入方式。但是，現(xiàn)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(shí)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(zhì)。因此，開發(fā)一種碳 黑和氧化鈰雙相納米復(fù)合漿料，對于制備出品質(zhì)優(yōu)良的碳黑和氧化鈰雙相納米增強(qiáng)的金屬基微納粉至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)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(qiáng)的金屬基微納粉品質(zhì)尚不夠理想等問題，發(fā)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(fù)合漿料。本發(fā)明的技術(shù)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(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的O. 059Γ0. 15%，納米氧化鈰粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為所加納米碳黑粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(biāo)準(zhǔn)檢測的著色強(qiáng)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(fù)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?jǐn)?shù)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(jìn)行球磨混合，即可獲得醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)合漿料。所述球磨混合處理工藝參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘、球料比5:1、球磨時(shí)間為I小時(shí)、磨球直徑不大于4_。本發(fā)明的有益效果
(I)本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了制備醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)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(chǔ)，采用該復(fù)合漿料所制備的雙相納米增強(qiáng)的金屬基微納粉品質(zhì)及其使用性能遠(yuǎn)高于采用現(xiàn)有單相納米漿料所制備的金屬基微納粉。(2)本發(fā)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(guān)系，不僅保留了納米碳黑粉的深黑色以充分發(fā)揮其強(qiáng)吸光性，而且該漿料還具有不低于單相納米漿料的分散穩(wěn)定性，可穩(wěn)定分 散3個(gè)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(fā)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(xiàn)象，有利于充分發(fā)揮納米碳黑粉和納米氧化鈰各自的功能特性，并經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究，獲得了球磨混合的最佳工藝組合。(4)本發(fā)明漿料以醇水混合溶液為液體介質(zhì)，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(zhì)組分對漿料使用性能的不利影響。


圖1是采用本發(fā)明所述雙相納米復(fù)合漿料制備的微納粉SM形貌。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。以下是本發(fā)明的方法所制備的醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)合漿料實(shí)例，但不僅僅限于這些實(shí)例，只要采用本發(fā)明所述方法，均可達(dá)到本發(fā)明的目的。以下實(shí)例中假定乙醇的比重為O. 78，水的比重為1，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際比重進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和調(diào)整；此外，需要說明的是，考慮到所添加納米粉占漿料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小，故以液體介質(zhì)質(zhì)量作為漿料總質(zhì)量計(jì)算納米粉的添加量。實(shí)施例一。實(shí)例所用材料市購普通袋裝碳黑粉體，平均粒徑18nm，著色強(qiáng)度為135%，碳黑粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)，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(shí)，先將納米碳黑粉體進(jìn)行干法球磨預(yù)處理，以打破其中原有大團(tuán)聚體顆粒，再將稱量后的納米碳黑粉體與醇水混合溶液進(jìn)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(shè)備中進(jìn)行恒溫超聲分散，控制恒溫溫度為20±5°C，分散時(shí)間為3(Γ60分鐘，即可得到分散穩(wěn)定的單相納米碳黑懸浮液，醇水混合溶液的加入量應(yīng)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(zhì)量百分比不大于1%。在制備單相納米氧化鈰懸浮液時(shí)，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(jìn)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(guī)的分散方法(如中國專利ZL2007 10133580.1的方法等)進(jìn)行分散，如果有沉淀現(xiàn)象出現(xiàn)，應(yīng)適當(dāng)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(jìn)行球磨混合，球磨混合處理工藝參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘、球料比5:1、球磨時(shí)間為I小時(shí)、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(fù)合漿料。所制得的復(fù)合漿料呈現(xiàn)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(xiàn)象。實(shí)施例二。 實(shí)例所用材料市購普通袋裝碳黑粉體，平均粒徑22nm，著色強(qiáng)度為125%，碳黑粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)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(fù)合漿料，該復(fù)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(xiàn)象。采用該復(fù)合漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強(qiáng)的金屬基微納粉達(dá)到了較為理想的品質(zhì)。實(shí)施例三。實(shí)例所用材料市購普通袋裝碳黑粉體，平均粒徑14nm，著色強(qiáng)度為140%，碳黑粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)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(fù)合漿料，該復(fù)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(xiàn)象。采用該復(fù)合漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強(qiáng)的金屬基微納粉達(dá)到了較為理想的品質(zhì)。以下是本發(fā)明的對比試驗(yàn)方法。一、采用本發(fā)明的復(fù)合漿料制備雙相納米增強(qiáng)的微納粉。步驟I，按本發(fā)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(jìn)行球形化預(yù)處理，獲得預(yù)處理后的微米金屬粉； 步驟3，將預(yù)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(jìn)行球磨復(fù)合，獲得碳黑/氧化鈰雙相納米和微米金屬復(fù)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(xié)同增強(qiáng)的金屬基微納粉。采用該雙相納米復(fù)合漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強(qiáng)的金屬基微納粉，達(dá)到了較為理想的品質(zhì)。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(shí)，采用該微納粉進(jìn)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(shù)不變的情況，獲得品質(zhì)優(yōu)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(qū)組織致密細(xì)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(fā)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(jìn)行球形化預(yù)處理，獲得預(yù)處理后的微米金屬粉；第三，將預(yù)處理后的微米金屬粉，加入碳黑單相納米懸浮液后進(jìn)行球磨復(fù)合，獲得單相納米碳黑和微米金屬復(fù)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(qiáng)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(qiáng)的金屬基微納粉，進(jìn)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(shù)不變的情況，獲得品質(zhì)優(yōu)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(qū)組織較為致密細(xì)小，但組織中出現(xiàn)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(fā)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(jìn)行球形化預(yù)處理，獲得預(yù)處理后的微米金屬粉；
第三，將預(yù)處理后的微米金屬粉，加入氧化鈰單相納米懸浮液后進(jìn)行球磨復(fù)合，獲得單相納米氧化鈰和微米金屬復(fù)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(qiáng)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(qiáng)的金屬基微納粉，進(jìn)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(shù)不變的情況，獲得品質(zhì)優(yōu)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(qū)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(qiáng)的微納粉。首先，參照本發(fā)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(jìn)行球形化預(yù)處理，獲得預(yù)處理后的微米金屬粉； 第三，將預(yù)處理后的微米金屬粉，同時(shí)加入碳黑單相納米懸浮液和氧化鈰單相納米懸
浮液后進(jìn)行球磨復(fù)合，獲得碳黑/氧化鈰雙相納米和微米金屬復(fù)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(xié)同增強(qiáng)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(qiáng)的金屬基微納粉，進(jìn)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(shù)不變的情況，獲得品質(zhì)優(yōu)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(qū)組織較為致密細(xì)小，但均勻性較差多處出現(xiàn)組織偏析、碳化物夾雜等缺陷?？梢?，采用本發(fā)明碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)合漿料制備雙相納米增強(qiáng)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(yuǎn)好于單相納米增強(qiáng)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(qiáng)微納粉。此外，所獲得的再制造薄壁件品質(zhì)，也表現(xiàn)出類似的優(yōu)點(diǎn)。此外，申請人用鈦基、鐵基和鎳基微米金屬粉進(jìn)行了相同的試驗(yàn)，數(shù)據(jù)與前述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的趨同性。上述描述和說明只是表達(dá)了本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和特點(diǎn)及其具有代表性的實(shí)施案例，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思實(shí)質(zhì)所做的等效變化或者修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明未涉及部 分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)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(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的O.059Γ0. 15%，納米氧化鈰粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為所加納米碳黑粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jù)權(quán)利要求1所述的醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)合漿料，其特征是所述的納米碳黑粉按照ASTMD-3849或GB/T7046-2003標(biāo)準(zhǔn)檢測的著色強(qiáng)度不低于120%，其平均粒徑為 14 22nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)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(jù)權(quán)利要求1所述的醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)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(quán)利要求1所述復(fù)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?jǐn)?shù)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(jìn)行球磨混合，即可獲得醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)合漿料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述球磨混合處理工藝參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘、球料比 5:1、球磨時(shí)間為I小時(shí)、磨球直徑不大于4mm_。
全文摘要
本發(fā)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(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.05%~0.15%，納米氧化鈰粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為所加納米碳黑粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了制備醇水系碳黑和氧化鈰雙相納米復(fù)合漿料，較好地解決了采用現(xiàn)有單相納米漿料所制備的碳黑和氧化鈰雙相納米增強(qiáng)的金屬基微納粉品質(zhì)尚不夠理想的問題。本發(fā)明所述漿料不僅組分純凈且具有良好的分散穩(wěn)定性，可穩(wěn)定分散3個(gè)月以上不沉降，具有很好的使用性能和工程應(yīng)用價(jià)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(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)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(xué)