[发明专利]一种纳米颗粒增强TC4金属粉末材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米颗粒增强TC4金属粉末及其制备方法，属于金属粉末材料制备领域。本发明所述制备方法采用熔盐‑超声分散结合步骤制备产品，有效的将纳米尺寸的固体陶瓷颗粒引入至TC4金属材料中，所述方法制备的金属粉末材料具有硬度高、强度高、耐磨性高等特性，为扩展TC4基复合材料在工业领域中的应用提供了原料上的保证，所述陶瓷颗粒具有较高的纳米颗粒利用率；同时，纳米碳化钛颗粒增强TC4粉末材料同样能够扩展钛基复合类材料在增材制造、热等静压和粉末冶金领域的应用。本发明所述材料制备方法操作步骤简单，重复性高，安全环保，可实现工业化小规模生产。

技术领域

本发明涉及金属粉末材料制备领域，具体涉及一种纳米颗粒增强TC4金属粉末材料及其制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁性等优异性能，其相关制品广泛应用在航空、航天、航海、医疗器械、火力发电等领域。其中，TC4钛合金材料作为α+β型钛合金，其综合力学性能更加优异。但是，随着外部环境的变化，传统的TC4钛合金以接近其使用极限，难以满足日益苛刻的使用条件。因此，提高其力学性能或者提高其高温条件下的力学性能是未来TC4基复合材料研究的新方向。目前，钛合金制品的主要成型方式有粉末冶金、热等静压和增材制造技术，而其主要原料为钛合金粉体。因而，获得具有优异性能的钛合金原料粉体是制备高性能钛合金材料的前提。

陶瓷颗粒增强金属基复合材料，是指在金属基体中加入弥散分布的增强相陶瓷颗粒而形成的一类金属基复合材料。增强相主要选择具有高强度、高硬度、高熔点的陶瓷颗粒。由于增强相含量相对较低、分布较为均匀、颗粒细小，所以复合材料基本保持了基体金属原有的物理性能。另外增强相陶瓷颗粒在金属基体中弥散分布，颗粒的钉扎作用可以有效地阻碍金属基体中的位错运动，因此能够极大提高材料的力学性能。传统的增强相材料主要以微米或亚微米尺寸的颗粒为主。有研究表明，与传统的微米或亚微米尺寸的颗粒相比，同质量或同体积分数的纳米颗粒在基体中的强化效果要更加明显。

碳化钛陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高导热、密度低、抗腐蚀等优异性能，其制品在石油、化工、微电子、汽车、航天、航空、造纸、激光、矿业及原子能等工业领域获得了广泛的应用。纳米碳化钛陶瓷颗粒继承了碳化钛陶瓷优点，如果将纳米碳化钛陶瓷颗粒引入到TC4粉末当中，制备出纳米碳化钛陶瓷增强TC4粉末，即可提高TC4粉体的力学性能，对扩大钛合金基复合材料在工业领域中的应用具有积极的意义。

发明内容

基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供了纳米颗粒增强TC4金属粉末材料的制备方法，该方法通过熔盐-超声分散的方法，将高强度纳米陶瓷材料颗粒碳化钛引入TC4粉体当中，从而达到增强产品硬度、强度等力学性能的目的，且可保障其具有较高的纳米颗粒利用率。该方法操作步骤简易可控，规模化生产效率高，批次间产品品质有保障。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种纳米颗粒增强TC4金属粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)将TC4金属粉末、纳米碳化钛及无机盐混合均匀并进行球磨处理，过筛，得前驱粉体A；所述TC4金属粉末与纳米碳化钛的质量比为1:0.07～0.35，所述TC4金属粉末与纳米碳化钛的质量之和与无机盐的质量比为：m(TC4金属粉末+纳米碳化钛)：m(无机盐)＝3～15:85～97；

(2)将步骤(1)所述前驱粉体A进行真空加热，待粉体熔化后将所得熔体进行超声分散处理，冷却，所得块状固体粉碎至粉体颗粒粒径＜5mm，得前驱粉体B；所述真空加热时的真空度≤6×10^-2；

(3)将步骤(2)所得前驱粉体B置于去离子水中溶解搅拌，随后对溶解后的悬浊液进行沉淀，再将上层悬浊液倒出，留下底层黑色的颗粒状物质，并重复本步骤三次，得底层混合溶液C；

(4)将步骤(3)所得底层混合溶液C经抽滤、烘干后，所得黑色粉末依次进行粉碎和过筛处理，即得所述纳米颗粒增强TC4金属粉末。