1.本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种元素分布均匀、粒径细小的高比重钨镍钴纳米粉体及其合金的制备方法。
背景技术：
2.钨基高比重合金是由钨为基体、镍、钴、铁、铜等为主要粘结相组成的两相复合材料，具有强度高、塑性好、抗冲击性能和穿透能力强，耐腐蚀性和抗高温氧化性能好、热膨胀系数小、导电导热性能好，吸收射线能力强，不仅可进行车、铣、磨、刨、钻、攻丝等机加工，还可以进行轧制、旋锻和锻造加工等大形变强化处理，钨基高比重合金已广泛地应用于现代军工工业和民用工业中，如兵器工业的穿甲弹和破甲弹，航空航天中导航仪表的陀螺仪外缘转子，核工业中防射线屏蔽材料、砧块材料等。
3.随着科技的发展，对钨基高比重合金的性能要求更高，例如更高的致密度、更好的力学性能和屏蔽射线的能力等。目前存在钨晶粒粗大和组织不均匀的问题，研究表明，钨镍钴系合金比传统的钨镍铁系合金的脆性相析出几率小，并且用钴替代铁可以降低烧结润湿角，提高烧结致密化速度，镍钴可以起到协同强化的作用，烧结后有利于得到晶粒细小的钨基高比重合金。因此提供一种元素分布均匀且粒径细小的钨镍钴纳米粉体及其合金的制备方法能够有利于钨基高比重合金性能的提升。
4.目前，制备钨基高比重合金粉体传统的方法主要有机械合金化法、化学共沉淀法以及溶胶凝胶法等。机械合金化法由于球罐及球粒易磨损，容易引入杂质元素，降低烧结后合金材料的性能。化学共沉淀法虽然工艺简单，但是粉体团聚较严重，减缓了烧结致密化速率，使材料难以达到致密。溶胶凝胶法所需时间较长，操作简单但难以批量生产。与传统的制备方法相比，利用高频感应热等离子体还原技术，可以一步合成钨镍钴纳米粉体，粉体的元素分散性好、结构均匀、粒径细小，烧结反应活性更高，更有利于得到均匀致密和优异性能的高比重钨镍钴合金。
技术实现要素：
5.本发明目的在于提供一种元素分布均匀、粒径细小的高比重钨镍钴纳米粉体及其合金的制备方法，解决传统方法制备出的粉体粒径分布不均及易团聚的问题。采用高频感应热等离子体技术，以氧化钨、钴盐、镍盐为原料，通过高频感应热等离子体设备制备出元素分布均匀、粒径细小的高比重钨镍钴纳米粉体，并通过传统烧结得到性能优异的钨镍钴重合金。
6.本发明所述的一种元素分布均匀、粒径细小的高比重钨镍钴纳米粉体及其合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.(1)按照一定的比例将一定量的氧化钨、钴盐、镍盐机械混合，将混合后的粉体用80目的筛子过筛，由此得到前驱体粉。
8.(2)将步骤(1)得到的前驱体粉通过载气氢气送入氩等离子体炬中，待反应结束整个系统完全冷却后收集各部位的粉体；通过调节加料过程中的引风负压使整个系统维持微负压状态，确保设备参数及等离子弧的稳定。反应结束待整个系统完全冷却后收集各部位的粉体，粉末粒径约为25nm。
9.(3)将步骤(2)得到的粉体装入不锈钢模具中，进行冷压成型。
10.(4)将步骤(3)得到的压坯在氢气气氛下加热到一定温度并保温一定时间，随后随炉冷却或按一定速率降至室温，便得到钨镍钴合金。
11.步骤(1)中，氧化钨选自二氧化钨、三氧化钨等，钴盐、镍盐可为钴、镍的硫酸盐、硝酸盐、氯化盐等。三种原料中镍和钴元素质量之和占钨镍钴三元素总和的0-20％，且镍和钴含量不同时为0。
12.步骤(2)中，等离子体装置功率为30kw，氢气流量为0.5-5l/h，氩气流量为20-30l/h，送粉速率为1-40g/min。
13.步骤(3)中，冷压成型压制压力为200-600mpa，保压时间为0.5-10min，最优压制压力为400mpa，最优保压时间为5min。
14.步骤(4)中，氢气流量为50-300ml/min，升温速率为1-20℃/min，保温时间为0.5-3h，烧结温度为1300-1550℃，降温速率为1-20℃/min。
15.本发明的有益效果体现在：
16.本发明提供一种元素分布均匀、粒径细小的高比重钨镍钴纳米粉体的制备方法。制备出的纳米级粉体的颗粒尺寸约为25nm，烧结得到的钨基高比重合金致密度高、晶粒细小、钨基体相和粘结相分布均匀。烧结后钨基重合金的相对密度》99％，屏蔽测试结果显示线吸收系数为铅的1.31倍。附图说明(对应实施例1)
17.图1是钨镍钴粉体的扫描电镜图。
18.图2是钨镍钴粉体的x射线衍射图。
19.图3是钨镍钴粉体的透射电镜图片及元素分布图。
20.图4为烧结后钨镍钴重合金的断口扫描电镜图。
具体实施方式
21.为了进一步说明本发明，给出下列实施例。这些实施例只是对本发明的举例说明，不是对本发明所要求的保护范围的限制。
22.实施例1
23.(1)按照质量分数w：ni：co＝90：7：3的比例将原料三氧化钨、氯化钴、氯化镍机械混合均匀，用80目的筛子过筛，由此得到前驱体粉。
24.(2)将步骤(1)得到的前驱体粉通过载气氢气送入氩等离子体炬中，等离子体装置功率为30kw，氢气流量为2l/h，氩气为20l/h，送粉速率为10g/min，待反应结束整个系统完全冷却后收集各部位的粉体。
25.(3)将步骤(2)得到的粉体装入不锈钢模具中，进行冷压成型，压制压力为400mpa，保压时间为5min。
26.(4)将步骤(3)得到的压坯放入烧舟后送入管式炉中，在氢气气氛下烧结，氢气流
量为250ml/min，以5℃/min的升温速率升温到1400℃保温60min，保温结束后以10℃/min的速度降温至600℃后随炉冷却至室温，得到钨基重合金块体。
27.实施例2
28.(1)按照质量分数w：ni：co＝93：5：2的比例将原料三氧化钨、硝酸钴、硝酸镍机械混合均匀，用140目的筛子过筛，由此得到前驱体粉。
29.(2)将步骤(1)得到的前驱体粉通过载气氢气送入氩等离子体炬中，等离子体装置功率为30kw，氢气流量为3l/h，氩气为25l/h，送粉速率为20g/min，待反应结束整个系统完全冷却后收集各部位的粉体。
30.(3)将步骤(2)得到的粉体装入不锈钢模具中，进行冷压成型，压制压力为200mpa，保压时间为5min。
31.(4)将步骤(3)得到的压坯放入烧舟后送入管式炉中，在氢气气氛下烧结，氢气流量为300ml/min，以5℃/min的升温速率升温到1450℃保温60min，保温结束后以5℃/min的速度降温至600℃后随炉冷却至室温，得到钨基重合金块体。
技术特征：
1.一种元素分布均匀、粒径细小的高比重钨镍钴纳米粉体及合金的制备，其特征在于，包括如下步骤：(1)按照一定的比例将一定量的氧化钨、钴盐、镍盐机械混合，将混合后的粉体用80目的筛子过筛，由此得到前驱体粉；(2)将步骤(1)得到的前驱体粉通过载气氢气送入氩等离子体炬中，待反应结束整个系统完全冷却后收集各部位的粉体；通过调节加料过程中的引风负压使整个系统维持微负压状态，确保设备参数及等离子弧的稳定；反应结束待整个系统完全冷却后收集各部位的粉体。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，粉末粒径为25nm。3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，氧化钨选自二氧化钨、三氧化钨等，钴盐、镍盐可为钴、镍的硫酸盐、硝酸盐、氯化盐等。三种原料中镍和钴元素质量之和占钨镍钴三元素总和的0-20％，且镍和钴含量不同时为0。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，等离子体装置功率为30kw，氢气流量为0.5-5l/h，氩气流量为20-30l/h，送粉速率为1-40g/min。5.一种高比重钨镍钴合金的制备方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的元素分布均匀、粒径细小的高比重钨镍钴纳米粉体，具体包括以下步骤：将粉体装入不锈钢模具中，进行冷压成型；将上述得到的压坯在氢气气氛下加热到一定温度并保温一定时间，随后随炉冷却或按一定速率降至室温，便得到钨镍钴合金。6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，冷压成型压制压力为200-600mpa，保压时间为0.5-10min，最优压制压力为400mpa，最优保压时间为5min。7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，氢气流量为50-300ml/min，升温速率为1-20℃/min，保温时间为0.5-3h，烧结温度为1300-1550℃，降温速率为1-20℃/min。
技术总结
一种元素分布均匀、粒径细小的高比重钨镍钴纳米粉体及合金的制备，属于屏蔽材料和粉末冶金技术领域。该方法包括如下步骤：将三氧化钨、氯化钴、氯化镍溶于去离子水中，混合搅拌均匀后加热搅拌蒸干液体，然后在烘箱中烘干，将烘干后的结块用研钵研磨并过筛，得到前驱体粉。随后将前驱体粉通过载气氢气送入氩等离子体炬中，反应结束后收集各部位的粉体，将粉体装入不锈钢模具中，进行冷压成型并在氢气气氛下进行管式炉烧结，得到钨镍钴重合金块体。本发明制备的钨镍钴纳米粉体粒径在25nm左右，烧结后钨基重合金的相对密度>99％，屏蔽测试结果显示线吸收系数为铅的1.31倍。果显示线吸收系数为铅的1.31倍。
技术研发人员：胡鹏 刘含立 王金淑 李晓静
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.11.09
技术公布日：2022/2/11