1.本发明属于合金粉体领域，尤其涉及铝硅合金粉体，特别涉及一种高质量热值铝硅合金粉体材料。


背景技术：

2.高能推进剂、烟火材料等需要高热值密度、高热焓密度、高活性的铝合金球形粉体，要求与铝形成合金的金属元素具有高密度和较高的热值。
3.铝的能量密度较高，氧化速率快，在含能材料体系中被广泛用作可燃剂。在含能材料体系反应过程中，铝粒子与含能材料燃烧产物中的水、二氧化碳、氧气等进行气相反应。由于铝粒子的气化是表面气化，所以，铝粉的燃烧速率主要取决于铝粒子的尺寸。要提高燃烧速率，必须降低铝粒子的尺寸。而纳米尺寸的铝粒子活性低、易自发团聚成大颗粒，且与含能材料复合的工艺性差，难以实现提高含能材料能量释放速率的作用。
4.硅是一种高质量热值材料，被广泛应用于混合炸药、固体推进剂、烟火药等领域。铝与其它金属或非金属的合金化制备，有效的拓展铝在含能材料领域中的应用，使其在能量释放及点火特性方面具有特殊的性质。
5.但是，铝的熔点为660℃，而硅的熔点为1414℃，如果将两者制作成合金，则面临着高熔点差多元金属混合的技术难点。同时如何制备一种高质量热值铝合金粉体材料也是现在面临的技术问题之一。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高质量热值铝硅合金粉体材料及其制备方法，其中，铝的熔点为660℃，沸点为2327℃，密度2.7g/cm3，同时铝的燃烧热为822.9kj/mol。非金属硅的熔点为1414℃，沸点2355℃，密度为2.49g/cm3。用硅的高质量热值特性，不仅使得铝合金的整体质量热值得到提高，同时可以较低的硅的含量达到所需的高热值，同时，利用磁悬浮真空熔化技术制取高熔点差的铝硅合金，提高铝粉的燃烧热值。。
7.本发明的目的之一在于提供一种高质量热值铝硅合金粉体材料，其中包括铝元素、硅元素和功能性添加元素，其中，硅的含量在5wt％～15wt％之间，铝的含量在85wt％～95wt％之间，功能性添加元素的含量在0～5wt％之间。
8.其中，用硅的高质量热值特性，不仅使得铝合金的整体质量热值得到提高，同时可以较低的硅的含量达到所需的高热值。因此，硅适合与铝形成合金，增加合金体系的整体热值。加上10.5wt％以上的硅热值可以达到31.11kj/g以上。硅含量10.5％左右热值大于30kj/g，密度在2.7g/cm3与3.0g/cm3之间，高于铝。
9.在一种优选的实施方式中，在所述粉体材料中，硅的含量在6wt％～12wt％之间，铝的含量在88wt％～94wt％之间，功能性添加元素的含量在0～3wt％之间。
10.在一种优选的实施方式中，所述功能性添加元素选自镁元素、锌元素、铁元素或铜
元素、稀土元素中的至少一种。
11.其中，锌元素可以提高多元合金的密度值；镁元素利用其氧化活性高，可以增加合金粉体的燃烧活性；铁元素/铜元素可以在合金粉体的燃烧产物中的产生铁氧化物/铜氧化物，所述氧化物可以催化含铝炸药含铝推进剂的燃烧。
12.在进一步优选的实施方式中，所述稀土元素选自钐、镧、铈和钪中的至少一种。
13.其中，所述稀土元素可以促进各元素结合更紧密，起到粘性作用。
14.在一种优选的实施方式中，在所述铝硅合金粉体中，镁的含量在0～1.5wt％之间，锌的含量在0～2.5wt％之间，铁元素或铜元素的含量在0～0.3wt％之间，稀土元素的含量在0～0.2wt％之间。
15.在进一步优选的实施方式中，在所述铝硅合金粉体中，镁的含量在0～1.2wt％之间，锌的含量在0～2wt％之间，铁元素或铜元素的含量在0～0.2wt％之间，稀土元素的含量在0～0.15wt％之间。
16.其中，为了提高铝硅双元的活性，加入不多于1.5％的镁，催化活化。加入不多于0.3％的铁元素或铜元素，利用合金粉体的燃烧产物中的铁氧化物催化含铝炸药含铝推进剂的燃烧。加入不多于0.2％的稀土元素，促进多元合金的细化晶粒，提高组分均匀性。
17.在一种优选的实施方式中，所述粉体材料的理论密度在2.4g/cm3～2.7g/cm3之间，热值≥30kj/g。
18.本发明目的之二在于提供一种本发明目的之一所述高质量热值铝硅合金粉体材料的制备方法，包括以下步骤：
19.步骤1、在惰性气体存在下，于磁悬浮真空熔炼内对原料进行熔炼，得到熔炼液；
20.步骤2、在惰性气体反吹下对所述熔炼液依次进行离心雾化和后处理得到所述高质量热值铝硅合金粉体材料。
21.在一种优选的实施方式中，在步骤1之前进行步骤1’：
22.步骤1’：对原料进行表面除杂。
23.其中，除杂如下进行：
①
使用砂纸打磨原料。
②
然后将原料置于氢氧化钠溶液中：温度50-60度，氢氧化钠浓度5％，时间0.5-1分钟；同时采取超声震荡，超声震荡的功率为10～60kw，频率为160khz。
③
水洗原料，并在惰性气氛中进行干燥。
24.在一种优选的实施方式中，在步骤1中，所述原料包括金属铝和非金属硅。
25.在进一步优选的实施方式中，在步骤1中，所述原料进一步包括金属锌、金属镁、金属铁或金属铜、稀土金属中的至少一种。
26.在更进一步优选的实施方式中，所述稀土金属选自金属钐、金属镧、金属铈和金属钪中的至少一种。
27.在一种优选的实施方式中，所述原料中各组分的用量如下：非金属硅为5～15份，金属铝为85～95份，金属锌为0～2.5份，金属镁为0～1.5份，金属铁或金属铜为0～0.3份，稀土金属为0～0.2份。
28.在进一步优选的实施方式中，非金属硅为6～12份，金属铝为88～94份，金属锌为0～2份，金属镁为0～1.2份，金属铁或金属铜为0～0.2份，稀土金属为0～0.15份。
29.在一种优选的实施方式中，在步骤1中，所述惰性气体选自氩气。
30.在进一步优选的实施方式中，在步骤1中，所述熔炼的温度为1400℃～2000℃，优
选1500～1800℃，控制液相黏度。
31.在现有技术中，本领域一般技术人员认为熔点差较大的两种或多种金属是不能一起熔化的，尤其是会发生互化反应的组分，例如铝和硅，因此，现有技术中大多是对铝和硅分别进行熔化处理，再混合进行雾化。但是，发明人通过大量实验发现，采用磁悬浮真空熔炼技术可以实现具有高熔点差的铝和硅一起熔化、而不发生互化反应，克服了技术偏见。
32.在本发明中，发明人经过大量的实验发现，通过磁悬浮真空熔炼技术，减少液态铝和液态硅共存的时间，从而降低其参加互化反应的量，可以实现熔点差较大的两种或多种物质的共熔化。
33.在一种优选的实施方式中，在步骤2中，在离心雾化时，沿离心方向相反的方向向离心雾化体系内吹入惰性气体。
34.其中，所述离心方向是指离心时的剪切方向，所述反向吹入是指：当沿顺时针离心剪切时、则自罐壁处沿逆时针吹入惰性气体；当沿逆时针离心剪切时，则自罐壁处沿顺时针吹入惰性气体。发明人经过大量实验研究发现，采用惰性气体与离心方向反吹的效果要明显优于与离心方向同向吹入惰性气体。
35.在更进一步优选的实施方式中，步骤2中所述惰性气体的温度为0～50℃，优选为0～30℃，更优选地，所述惰性气体选自氩气。
36.在一种优选的实施方式中，在步骤2中，控制离心线速度为20m/s～100m/s(例如25m/s、35m/s、45m/s、55m/s、65m/s、75m/s、85m/s或95m/s)保证雾滴致密，通过控制旋转速度和液体温度来控制雾滴的尺寸分布。
37.本发明所述金属铝硅合金粉体制备方法采用磁悬浮真空熔化-氩气悬浮搅拌，绝氧闭环、惰性气体环境高速蝶式离心雾化法生产，通过非平衡冷凝进行析晶控制。本发明在金属加热熔化、喷雾、冷凝成型的整个过程中均在高纯惰性气体的保护下进行，避免在高温条件下被氧化，提高铝硅合金粉体中活性金属含量。
38.在本发明中，(1)通过控制氩气温度，实现快速非平衡冷凝析晶，控制铝和硅的合金具有非晶合金属性。如果采用超低温氮气(例如液氮冷却氮气，-80℃)，由于温差太大，会对粉末的性能有影响，而发明人发现本发明在熔炼时已经是高温，所述高温与0～50℃之间的温度差已经足够实现冷却，同时又不会对粉末的性能造成影响。(2)离心雾化过程中，使用惰性气体对高速雾滴进行反吹以形成涡旋，保证合金粉体处于非均相合金。同时惰性气体反吹可以保护雾化的液滴不受污染。
39.在一种优选的实施方式中，所述离心雾化于雾化罐内进行，在所述雾化罐内设置有雾化盘。
40.在进一步优选的实施方式中，在所述雾化罐内自上而下依次设置有雾化盘、落料管、储粉仓和收粉罐。
41.其中，在离心雾化过程中会有少部分粉体直接落入雾化罐的收粉罐，但是该部分一般是粒径较大或者粒径分布不均匀，因为小粒径的粉体会直接进入冷却器、最后进入布袋收粉器进行收集。但是，雾化罐本身收集的粉体可以作为下次的原料重新进入磁悬浮熔炼炉内。
42.在一种优选的实施方式中，在所述雾化器的罐壁上设置有多个惰性气体吹入口。
43.在进一步优选的实施方式中，在所述雾化罐的罐壁(优选与雾化盘同一水平面的
罐壁上)沿周向(均匀地)设置有多个惰性气体吹入口。
44.在一种优选的实施方式中，在步骤2中，所述后处理包括冷却、缓冲和收集。
45.在进一步优选的实施方式中，所述后处理于冷却器、缓冲罐和布袋收集器内进行。
46.在更进一步优选的实施方式中，在收集所述多组元高密度热值铝硅合金粉体后任选地进行过筛分级，得到所需要粒径的产品。
47.在步骤1和步骤2中，所述惰性气体选自氩气。
48.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
49.(1)利用硅的高质量热值特性，不仅使得铝合金的整体质量热值得到提高，同时可以较低的硅的含量达到所需的高热值；
50.(2)先采用磁悬浮真空熔炼实现高熔点差的两种或多种金属的直接混合熔炼；再通过离心雾化得到各元素的宏观均匀、又保持独立的特性的球体粉末。
附图说明
51.图1示出所述雾化器中原位蝶式离心雾化示意图；
52.a-离心方向，b-惰性气体反吹方向，在图中可以看出，当逆时针离心雾化时、则按顺时针反吹惰性气体。
具体实施方式
53.下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
54.实施例与对比例中采用的原料，如果没有特别限定，那么均是现有技术公开的，例如可直接购买获得或者根据现有技术公开的制备方法制得。
55.【实施例1】
56.按如下步骤制备铝硅合金粉：
57.(1)将重量为85:15的铝锭与硅锭，置于真空冶炼炉中，采用高温惰性气体吹扫，除去表面吸附的含氧化性气氛的气体；
58.(2)利用磁悬浮真空冶炼法将铝锭与硅锭融化成液体，使用氩气悬浮搅拌，控制熔炼的温度为1800℃；
59.(3)绝氧闭环、惰性气体环境高速蝶式离心雾化法生产，控制离心线速度为60m/s，沿离心方向的反向吹入常温氩气，进行非平衡冷凝析晶控制，形成低氧化固态球形铝-硅合金粉体；
60.(4)大部分粉体在离心雾化后依次进入冷却器、缓冲罐和布袋收粉器。
61.(5)采用振动筛对合金粉体进行粒度分级，之后进行密封包装。
62.其中，筛分后过325目筛，筛下铝硅合金粉体的粒度为几微米到几百微米，圆度值为0.95，密度为2.66g/cm3，热值≥30kj/g。合金粉体各组分含量为al:83.6％，si:16.4％。
63.【实施例2】
64.按如下步骤制备铝硅合金粉：
65.(1)将重量为92:8的铝锭与硅锭，置于真空冶炼炉中，采用高温惰性气体吹扫，除
去表面吸附的含氧化性气氛的气体；
66.(2)利用磁悬浮真空冶炼法将铝锭与硅锭融化成液体，使用氩气悬浮搅拌，控制熔炼的温度为1800℃；
67.(3)绝氧闭环、惰性气体环境高速蝶式离心雾化法生产，控制离心线速度为60m/s，沿离心方向的反向吹入常温氩气，进行非平衡冷凝析晶控制，形成低氧化固态球形铝-硅合金粉体；
68.(4)大部分粉体在离心雾化后依次进入冷却器、缓冲罐和布袋收粉器。
69.(5)采用振动筛对合金粉体进行粒度分级，之后进行密封包装。
70.其中，筛分后过325目筛，高质量热值铝硅合金粉体材料。所述粉体材料的理论密度在2.4g/cm3～2.7g/cm3之间，热值≥30kj/g。
71.【实施例3】
72.按如下步骤制备铝硅合金粉：
73.(1)将重量为87:13:1:0.5:0.2:0.05的铝锭、硅锭、锌锭、镁锭、铜锭和钪锭，置于真空冶炼炉中，采用高温惰性气体吹扫，除去表面吸附的含氧化性气氛的气体；
74.(2)利用磁悬浮真空冶炼法将铝锭、硅锭、锌锭、镁锭、铜锭和钪锭融化成液体，使用氩气悬浮搅拌，控制熔炼的温度为1800℃；
75.(3)绝氧闭环、惰性气体环境高速蝶式离心雾化法生产，控制离心线速度为60m/s，沿离心方向的反向吹入常温氩气，进行非平衡冷凝析晶控制，形成低氧化固态球形铝-硅合金粉体；
76.(4)大部分粉体在离心雾化后依次进入冷却器、缓冲罐和布袋收粉器。
77.(5)采用振动筛对合金粉体进行粒度分级，之后进行密封包装。
78.其中，筛分后过325目筛，高质量热值铝硅合金粉体材料。所述粉体材料的理论密度在2.4g/cm3～2.7g/cm3之间，热值≥30kj/g。
79.【实施例4】
80.按如下步骤制备铝硅合金粉：
81.(1)将重量为92:8:2:0.8:0.1:0.1的铝锭、硅锭、锌锭、镁锭、铁锭和铈锭，置于真空冶炼炉中，采用高温惰性气体吹扫，除去表面吸附的含氧化性气氛的气体；
82.(2)利用磁悬浮真空冶炼法将铝锭、硅锭、锌锭、镁锭、铁锭和铈锭融化成液体，使用氩气悬浮搅拌，控制熔炼的温度为1800℃；
83.(3)绝氧闭环、惰性气体环境高速蝶式离心雾化法生产，控制离心线速度为60m/s，沿离心方向的反向吹入常温氩气，进行非平衡冷凝析晶控制，形成低氧化固态球形铝-硅合金粉体；
84.(4)大部分粉体在离心雾化后依次进入冷却器、缓冲罐和布袋收粉器。
85.(5)采用振动筛对合金粉体进行粒度分级，之后进行密封包装。
86.其中，筛分后过325目筛，高质量热值铝硅合金粉体材料。所述粉体材料的理论密度在2.4g/cm3～2.7g/cm3之间，热值≥30kj/g。