权利要求
1.一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末，其特征在于，按照质量百分比包括：
基体成分：包括电解铁和还原铁粉的混合基体，电解铁纯度≥99.9%，还原铁粉D50≤45μm，二者总添加量占合金质量的余量;
耐磨相强化元素：
铬：2.0%-4.0%;
钼：0.8%-2.0%;
钒：0.3%-1.5%;
钨：1.0%-3.0%;
韧性相元素：
镍 0.3%-3.0%;
钴0.5%-2.5%;
脱氧剂：铝：0.2%-1%;
功能改性剂：
氧化钇：0.05%-0.3%;
纳米碳管：0.5%-2.0%，且纳米碳管表面经硅烷偶联剂KH550改性处理。
2.一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
①熔炼合金化：将电解铁、还原铁粉与铬铁、钼铁、钒铁、钨铁投入真空感应熔炼炉，氩气保护下加热;
②脱氧精炼：熔炼后期加入铝粒，搅拌速率80-120rpm，反应8-15min，氧含量≤0.08%;
③功能改性：
纳米碳管预处理：与KH550按100:1溶解于乙醇-水，体积比3:1，50℃水解1h;
超声雾化喷涂包覆：改性液喷涂量0.5-2.0wt%，纳米碳管包覆后温度呈梯度递升;
④雾化成型：合金熔体过热度150-250℃，气雾化制粉后磁场分级，D50≤45μm;
⑤等离子体球化：球化温度1000-1100℃，时间30-60min，氩气流量0.5-1.0L/min;
⑥筛分与干燥：真空干燥，80-120℃，2-4h，氩气保护，氧含量≤0.05%。
3.如权利要求2所述的一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方法，其特征在于，两段升温程序包括：
①脱模剂分解阶段：1000-1100℃保温10min;
②合金熔化阶段：阶梯升温至1550-1650℃，升温速率10℃/min。
4.如权利要求3所述的一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方法，其特征在于，烷偶联剂KH550乙醇溶液浓度为0.5-2.0wt%，超声分散功率200-400W，时间30min。
5.如权利要求2所述的一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方法，其特征在于，球化后粉末粒径D50≤45μm。
6.如权利要求2所述的一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方
法，其特征在于，干燥过程中持续通入氩气，流量为0.1-0.3L/min。
7.如权利要求2所述的一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方法，其特征在于，纳米碳管包覆后高温烧结梯度为：
预烧结：300℃氩气保护1h;
主烧结：500℃氩气保护1h，梯度升温速率5℃/min。
8.如权利要求2所述的一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤①中真空感应熔炼炉的真空度≤5Pa，熔炼温度分两段控制：
①第一阶段：1400-1450℃保温20-30min，使铬、钼、钒、钨铁完全熔解;
②第二阶段：梯度升温至1580-1620℃，保温15-25min，形成均质熔体。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于金属粉体材料制备技术领域，尤其涉及一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末及其制备方法。
背景技术
[0002]目前，耐磨合金材料(如高铬铸铁、钨钼合金等)普遍通过单一强化相(如碳化铬、碳化钨)提升硬度，但存在韧性显著下降的问题;例如，传统高铬铸铁的冲击韧性通常低于5J/cm²，难以满足矿山机械、盾构刀具等高冲击载荷工况需求;另一方面，部分韧性合金(如镍基合金)虽具备抗疲劳性，但表面硬度不足(HRC≤50)，易在磨损工况下失效;现有技术中，通过添加碳化钽(TaC)、碳氮化钛(TiCN)等硬质相虽可提升耐磨性，但往往因与基体界面结合弱导致分散不均，引发裂纹萌生;此外，纳米增强相(如碳纳米管)在合金熔体中易团聚，且缺乏化学键合机制，无法有效传递载荷，导致增材制造部件的疲劳寿命低于预期;
增材制造工艺的局限性
在增材制造领域，金属粉末的熔融凝固过程易产生气孔、未熔颗粒及显微裂纹等缺陷;传统熔炼工艺(如电弧炉熔炼)对氧含量控制不足(通常≥0.1%)，导致氧化物夹杂成为裂纹源;雾化制粉过程中，粗大雾滴(D50>50μm)与卫星球结构会降低粉末流动性，影响铺粉质量;此外，等离子球化工艺若未结合梯度冷却，易形成粗大片层晶粒(晶粒度≥50μm)，显著降低材料的断裂韧性;现有专利技术(如CN2018XXXXXX)虽采用真空感应熔炼，但未对脱氧剂加入速率与搅拌强度进行协同优化，导致脱氧效率低(氧残留量≥0.12%)，且缺乏晶粒细化手段，难以平衡致密性与力学性能;
界面改性的技术缺陷
纳米碳管作为增强体时，现有技术多依赖物理吸附或简单机械混合法，导致其与基体界面结合强度不足(界面剪切强度≤10 MPa);例如，采用聚乙烯亚胺(PEI)包覆的碳纳米管虽可改善分散性，但高温增材制造过程中界面易氧化失效，无法发挥其高模量特性;此外，未改性的碳纳米管在熔体中易发生团聚，形成应力集中点，加速疲劳裂纹扩展。
发明内容
[0003]本发明提供一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末及其制备方法，旨在解决现有的耐磨合金及增材工艺存单一强化致韧降、相界面弱致裂、纳米团聚载差、粉缺陷多、氧控差、晶粒粗、脱氧低、纳米管结合弱且高温失效的问题。
[0004]本发明是这样实现的，一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末，包括按照质量百分比包括：
基体成分：包括电解铁和还原铁粉的混合基体，电解铁纯度≥99.9%，还原铁粉D50≤45μm，二者总添加量占合金质量的余量;
耐磨相强化元素：
铬：2.0%-4.0%;
钼：0.8%-2.0%;
钒：0.3%-1.5%;
钨：1.0%-3.0%;
韧性相元素：
镍 0.3%-3.0%;
钴0.5%-2.5%;
脱氧剂：铝：0.2%-1%;
功能改性剂：
氧化钇：0.05%-0.3%;
纳米碳管：0.5%-2.0%，且纳米碳管表面经硅烷偶联剂KH550改性处理。
[0005]本发明还提供一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
①熔炼合金化：将电解铁、还原铁粉与铬铁、钼铁、钒铁、钨铁投入真空感应熔炼炉，氩气保护下加热;
②脱氧精炼：熔炼后期加入铝粒，搅拌速率80-120rpm，反应8-15min，氧含量≤0.08%;
③功能改性：
纳米碳管预处理：与KH550按100:1溶解于乙醇-水，体积比3:1，50℃水解1h;
超声雾化喷涂包覆：改性液喷涂量0.5-2.0wt%，纳米碳管包覆后温度呈梯度递升;
④雾化成型：合金熔体过热度150-250℃，气雾化制粉后磁场分级，D50≤45μm;
⑤等离子体球化：球化温度1000-1100℃，时间30-60min，氩气流量0.5-1.0L/min;
⑥筛分与干燥：真空干燥，80-120℃，2-4h，氩气保护，氧含量≤0.05%。
[0006]优选地，两段升温程序包括：
①脱模剂分解阶段：1000-1100℃保温10min;
②合金熔化阶段：阶梯升温至1550-1650℃，升温速率10℃/min。
[0007]优选地，烷偶联剂KH550乙醇溶液浓度为0.5-2.0wt%，超声分散功率200-400W，时间30min。
[0008]优选地，球化后粉末粒径D50≤45μm。
[0009]优选地，干燥过程中持续通入氩气，流量为0.1-0.3L/min。
[0010]优选地，纳米碳管包覆后高温烧结梯度为：
预烧结：300℃氩气保护1h;
主烧结：500℃氩气保护1h，梯度升温速率5℃/min。
[0011]优选地，步骤①中真空感应熔炼炉的真空度≤5Pa，熔炼温度分两段控制：
①第一阶段：1400-1450℃保温20-30min，使铬、钼、钒、钨铁完全熔解;
②第二阶段：梯度升温至1580-1620℃，保温15-25min，形成均质熔体。
与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：
其一：本发明通过精准配比耐磨相强化元素与韧性相元素，在基体中形成高硬度硬质点与韧性相的梯度分布，结合表面改性纳米碳管的高强界面结合，有效平衡了硬度与韧性的矛盾，使合金在承受高负荷摩擦时兼具优异的耐磨性与抗冲击性，满足复杂工况下的服役需求。
[0012]其二：本发明采用真空感应熔炼、铝粒脱氧、等离子体球化等工艺，结合微量氧化钇的晶粒细化作用，形成低氧含量、高致密度的微观组织,该结构显著减少了氧化物夹杂与孔隙缺陷，通过细化晶粒提升强度与韧性，同时降低裂纹扩展风险，保障材料在极端环境下的稳定性。
[0013]其三：本发明表面改性纳米碳管通过硅烷偶联剂KH550与基体形成化学键合，其高强度、高模量特性与合金基体协同作用，在微观尺度上构建了三维增强网络，该网络不仅抑制了纳米碳管的团聚，还通过载荷传递效应显著提升合金的耐磨性与抗疲劳性能，为增材制造提供了兼具高强度与高可靠性的粉末材料。
附图说明
[0014]图1是本发明的金属粉体材料制备示意图;
图2是本发明的关键反应示意图;
具体实施方式
[0015]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同;本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请;本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
[0016]在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0017]本发明实施例提供了一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末，如图1-2所示，按照质量百分比包括：
基体成分：包括电解铁和还原铁粉的混合基体，电解铁纯度≥99.9%，还原铁粉D50≤45μm，二者总添加量占合金质量的余量;
耐磨相强化元素：
铬：2.0%-4.0%;
钼：0.8%-2.0%;
钒：0.3%-1.5%;
钨：1.0%-3.0%;
韧性相元素：
镍 0.3%-3.0%;
钴0.5%-2.5%;
脱氧剂：铝：0.2%-1%;
功能改性剂：
氧化钇：0.05%-0.3%;
纳米碳管：0.5%-2.0%，且纳米碳管表面经硅烷偶联剂KH550改性处理。
[0018]需要说明的是，由于现有的耐磨合金及增材工艺存单一强化致韧降、相界面弱致裂、纳米团聚载差、粉缺陷多、氧控差、晶粒粗、脱氧低、纳米管结合弱且高温失效的问题，本方案通过多尺度协同强化设计，实现了合金性能的突破性提升：在成分设计层面，通过耐磨相与韧性相的梯度分布，结合纳米碳管改性后的强界面结合，在微观至介观尺度上构建了硬度与韧性的动态平衡;在制备工艺层面，依托真空熔炼、脱氧精炼、等离子体球化及晶粒细化技术，在宏观至纳米尺度上形成了低氧高致密的组织结构，有效抑制了缺陷与裂纹扩展;在纳米增强层面，改性纳米碳管与基体的化学键合形成了三维增强网络，显著提升了材料的耐磨性与抗疲劳性能;三者协同作用，使合金兼具高强度、高韧性、优异的耐磨性及抗冲击性，全面满足增材制造对高性能粉末材料在复杂工况下的严苛需求。
[0019]具体地，在本实施例中，本方案增材制造的高强耐磨合金粉末，以高纯度电解铁与细粒径还原铁粉构成混合基体，二者协同作为合金骨架，提供基础力学支撑与增材制造所需的良好流动性;通过精准配比添加耐磨相强化元素，在合金中形成高硬度碳化物与金属间化合物等硬质点，这些硬质点均匀分布于基体中，显著提升合金的硬度与耐磨性能，使其在承受高负荷摩擦时仍能保持表面完整性;
为平衡高硬度带来的脆性风险，引入韧性相元素，这些元素通过固溶强化与第二相强化机制，在合金中形成韧性相，有效阻碍裂纹扩展，提升合金的抗冲击性与韧性，确保其在复杂应力环境下的结构稳定性;
在熔炼过程中，适量添加脱氧剂铝，利用其强脱氧能力去除合金熔体中的氧，净化熔体，减少氧化物夹杂，提升合金纯净度与力学性能;微量氧化钇作为晶粒细化剂，通过钉扎晶界与抑制晶粒长大，显著细化合金晶粒，提高强度与韧性;而表面经硅烷偶联剂KH550改性处理的纳米碳管，凭借其高强度、高模量特性及与基体的良好界面结合，进一步增强合金的力学性能，特别是耐磨性与抗疲劳性能。
[0020]本发明还提供一种用于增材制造的高强耐磨合金粉末的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
①熔炼合金化：将电解铁、还原铁粉与铬铁、钼铁、钒铁、钨铁投入真空感应熔炼炉，氩气保护下加热;
②脱氧精炼：熔炼后期加入铝粒，搅拌速率80-120rpm，反应8-15min，氧含量≤0.08%;
③功能改性：
纳米碳管预处理：与KH550按100:1溶解于乙醇-水，体积比3:1，50℃水解1h;
超声雾化喷涂包覆：改性液喷涂量0.5-2.0wt%，纳米碳管包覆后温度呈梯度递升;
④雾化成型：合金熔体过热度150-250℃，气雾化制粉后磁场分级，D50≤45μm;
⑤等离子体球化：球化温度1000-1100℃，时间30-60min，氩气流量0.5-1.0L/min;
⑥筛分与干燥：真空干燥，80-120℃，2-4h，氩气保护，氧含量≤0.05%。
[0021]在本实施例中，将电解铁与细粒径还原铁粉作为基体，与铬铁、钼铁、钒铁、钨铁等强化合金按比例投入真空感应熔炼炉，在氩气保护下加热至熔融;此过程通过高温熔炼与电磁搅拌，使各元素原子充分扩散，形成均匀的合金熔体，为后续性能调控奠定基础;
熔炼后期，通过加入铝粒作为脱氧剂，在80-120rpm的搅拌速率下反应8-15分钟，将熔体氧含量降至≤0.08%;脱氧反应生成的Al2O3夹杂物通过浮选去除，显著提升合金纯净度，减少后续加工中的裂纹源，优化力学性能;
纳米碳管预处理：将纳米碳管与硅烷偶联剂KH550按100:1质量比溶于乙醇-水混合液，在50℃下水解1小时;KH550水解生成的硅醇基团与纳米碳管表面羟基反应，形成共价键接枝，赋予其表面活性;
超声雾化喷涂包覆：将改性液以0.5-2.0wt%的喷涂量均匀覆盖纳米碳管，通过梯度升温实现有机-无机复合包覆层的固化;此过程增强纳米碳管与基体的界面结合力，防止团聚，确保其在合金中均匀分散;
将脱氧精炼后的合金熔体在150-250℃过热度下通过气雾化技术制粉，利用高压惰性气体将熔体破碎成液滴，随后通过磁场分级技术将粉末粒径控制在D50≤45μm;此步骤实现粉末的微细化与球形化，提升其流动性和铺展性，满足增材制造对粉末性能的严苛要求;
将雾化后的粉末在1000-1100℃的等离子体火焰中球化处理30-60分钟，氩气流量0.5-1.0L/min;等离子体高温使粉末表面熔融，在表面张力作用下形成光滑球形颗粒，同时消除内部孔隙，提高堆积密度与致密度;
将球化后的粉末在真空环境下进行80-120℃低温干燥2-4小时，全程氩气保护，确保氧含量≤0.05%;此步骤彻底去除水分与残留气体，防止材料在储存或使用过程中发生氧化或性能劣化，保障粉末的长期稳定性。
[0022]本发明进一步较佳实施例中，如图1所示，两段升温程序包括：
①脱模剂分解阶段：1000-1100℃保温10min;
②合金熔化阶段：阶梯升温至1550-1650℃，升温速率10℃/min。
[0023]在本实施例中，在初始升温阶段，将系统温度稳定控制在1000-1100℃的狭窄区间内，并维持10分钟;此温度范围针对脱模剂的热分解特性设计，通过高温激发其分子链断裂，释放挥发性气体;保温过程确保脱模剂彻底分解，避免残留物在后续加工中形成气孔或夹杂，同时防止温度过高导致合金原料氧化或挥发;此阶段为合金熔化提供清洁、无杂质的反应环境;
脱模剂分解完成后，以10℃/min的稳定速率阶梯升温至1550-1650℃;此升温速率通过缓慢增加热输入，避免合金原料局部过热或熔体飞溅，同时促进元素间均匀扩散与化学反应;在目标温度区间内，合金完全熔化并形成均匀液态熔体，确保后续加工中材料性能的一致性;阶梯升温设计还兼顾了设备热应力控制，防止因快速升温导致的结构损伤。
[0024]本发明进一步较佳实施例中，如图1所示，烷偶联剂KH550乙醇溶液浓度为0.5-2.0wt%，超声分散功率200-400W，时间30min。
[0025]在本实施例中，将KH550按0.5-2.0wt%的质量浓度溶解于乙醇中，形成低黏度、高分散性的溶液;此浓度范围通过平衡KH550的溶解性与反应活性，确保其既能充分溶解，又能在后续处理中保持足够的水解活性;高浓度可提升单位体积内KH550分子数，但需配合分散工艺避免团聚;低浓度则降低处理成本，但需延长反应时间以保障接枝效果;
将配制好的KH550乙醇溶液置于超声设备中，以200-400W的功率超声分散30分钟;超声作用通过空化效应在溶液中产生微米级气泡，通过气泡破裂释放的能量破坏KH550分子间的范德华力，同时促进其与乙醇溶剂的分子级混合;高功率可加速分子运动，但需避免过热导致乙醇挥发;低功率则延长处理时间以补偿能量输入;此过程确保KH550以单分子或低聚体形式稳定存在于溶液中，为后续反应提供活性位点。
[0026]本发明进一步较佳实施例中，如图1所示，球化后粉末粒径D50≤45μm。
[0027]在本实施例中，球化后的粉末通过磁场分级或筛分技术，将粒径分布控制在≤45μm。磁场分级利用颗粒在磁场中的运动差异实现分离，筛分则通过物理孔径限制大颗粒通过，确保产品一致性。
[0028]本发明进一步较佳实施例中，如图1所示，干燥过程中持续通入氩气，流量为0.1-0.3L/min。
[0029]在本实施例中，在干燥阶段，持续通入流量为0.1-0.3L/min的氩气，形成覆盖粉末表面的惰性气体层;氩气作为化学惰性气体，不与粉末发生反应，有效隔绝空气中的氧气与水分，从根源上抑制氧化与吸湿反应，确保粉末化学稳定性;
氩气以低流速持续流动，打破干燥腔内气体分层现象，避免局部氧气或水分富集;动态流动的氩气通过分子扩散作用，加速粉末表面吸附水分的脱附，并携带挥发物排出系统，提升干燥效率与均匀性。
[0030]本发明进一步较佳实施例中，如图1所示，纳米碳管包覆后高温烧结梯度为：
预烧结：300℃氩气保护1h;
主烧结：500℃氩气保护1h，梯度升温速率5℃/min。
[0031]在本实施例中，纳米碳管包覆材料在高温烧结过程中的梯度处理工艺遵循如下连贯工作原理：首先进行预烧结阶段，在300℃温度下以氩气作为保护性气氛持续加热1小时，通过低温预处理促进材料结构初步致密化，同时避免氧化反应;随后进入主烧结阶段，以5℃/min的梯度升温速率将温度升至500℃，并维持氩气保护环境继续烧结1小时，此阶段通过精准的升温控制实现材料内部晶粒的均匀生长与界面结合强化，最终获得具有梯度性能的复合结构。
[0032]本发明进一步较佳实施例中，如图1所示，步骤①中真空感应熔炼炉的真空度≤5Pa，熔炼温度分两段控制：
①第一阶段：1400-1450℃保温20-30min，使铬、钼、钒、钨铁完全熔解;
②第二阶段：梯度升温至1580-1620℃，保温15-25min，形成均质熔体。
[0033]在本实施例中，将炉内真空度控制至≤5Pa的极低水平，以彻底排除空气干扰并防止合金元素氧化;随后通过两段式温度控制实现精准熔炼：第一阶段在1400-1450℃温度区间内保持20-30分钟，确保铬、钼、钒、钨铁等高熔点合金元素完全熔解并形成初步液态混合物;第二阶段以梯度升温方式将温度提升至1580-1620℃的精炼区间，并持续保温15-25分钟，通过高温扩散作用促进各元素充分扩散与均匀化，最终形成成分均质、组织致密的熔体，为后续铸造或成型工艺提供高质量原料基础。
[0034]需要说明的是，对于前述的各实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可能采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
[0035]本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元之间的间接耦合或通信连接，可以是电信或者其它的形式。
[0036]上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0037]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对发明的保护范围进行限制。显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部实施例。基于这些实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明所要保护的范围。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员依然可以在不冲突的情况下，不作出创造性劳动对本发明各实施例中的特征根据情况相互组合、增删或作其他调整，从而得到不同的、本质未脱离本发明的构思的其他技术方案，这些技术方案也同样属于本发明所要保护的范围。
说明书附图(2)
