CN109702214B - 一种铝锌基多元合金球形粉末及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝锌基多元合金球形粉末及其制备方法与应用，属于合金粉末技术领域。包括铝、锌和组元金属元素，所述组元金属元素包括Li、Mg、Bi、Sb和Pb中的一种或多种。组元金属锂和镁的熔、沸点较低，易挥发会形成蒸汽，蒸汽会阻碍氧化物的形成；且锂镁在气相中燃烧容易形成气相扩散火焰，加热速率快，形成氧化物机会少；因此镁锂添加到铝锌中可以增加铝锌燃料活性，降低点火温度并且改善燃烧性能。组元金属铋、锑和铅三者密度远远大于金属铝，并且由于其氧化物的特殊性能，可以通过提高铝颗粒的高体积冲量和能量密度，增加铝颗粒的燃烧效率。实施例表明：粉末燃烧热达27kJ/g，点火温度低至960℃，燃烧率达90％。
Description
技术领域
本发明涉及合金粉末技术领域，尤其涉及一种铝锌基多元合金球形粉末及其制备方法与应用。
背景技术
铝粉作为金属燃料，具有相对高的体积燃烧焓以及较高的能量密度，可以广泛应用于推进剂、炸药和烟火药等领域。铝的熔点为660℃，沸点为2327℃，同时铝的气化热为291.4kJ/mol，很多燃烧条件并不能达到铝沸点温度，因此，液态的铝并不易被气化。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，该气相反应速率取决于铝粒子的气化速率。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。
随着科技的发展，人们发现在铝粉中添加锌能够解决纳米铝燃烧不完全、燃烧率低以及点火温度高等缺点，改善铝粉的性能。但是，该铝锌合金燃料的燃烧热为23～26kJ/g，点火温度仍为1050～1300℃，燃烧率为60～70％，相比单纯铝粉的燃烧性能，提高幅度有限。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝锌基多元合金球形粉末及其制备方法与应用，本发明提供的铝锌基多元合金球形粉末相比一般合金燃料具有较高的燃烧热和燃烧率及较低的点火温度，同时在一般的贮存和工艺条件下不易被氧化。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铝锌基多元合金球形粉末，包括铝、锌和组元金属元素，所述组元金属元素包括Li、Mg、Bi、Sb和Pb中的一种或多种。
优选地，所述铝锌基多元合金球形粉末中铝的质量分数为90～55％，锌的质量分数为5～40％。
优选地，所述铝锌基多元合金球形粉末中Li、Mg、Bi、Sb和Pb的质量分数独立地为2～5％。
优选地，所述铝锌基多元合金球形粉末的粒度为0.5～200μm。
优选地，所述铝锌基多元合金球形粉末的密度值为2.57～3.89g/cm3，圆度值≥0.88。
本发明还提供了上述技术方案所述铝锌基多元合金球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
(1)在惰性气氛下，依次将铝锭、锌锭和组元金属熔融混合，得到熔炼液；
(2)在惰性气氛下，将所述步骤(1)得到的熔炼液经雾化和快速冷凝，得到所述铝锌基多元合金球形粉体。
优选地，所述熔融混合的温度为680～730℃。
优选地，所述雾化所用雾化器的频率为55～65Hz。
优选地，所述惰性气氛包括纯度为99.99％以上的氩气或氦气。
本发明还提供了上述技术方案所述铝锌基多元合金球形粉末或所述制备方法得到的铝锌基多元合金球形粉末在推进剂、炸药和烟火药领域中的应用。
本发明提供了一种铝锌基多元合金球形粉末，包括铝、锌和组元金属元素，所述组元金属元素包括Li、Mg、Bi、Sb和Pb中的一种或多种。组元金属锂镁的熔、沸点较低，易挥发会形成蒸汽，蒸汽会阻碍氧化物的形成；且锂镁在气相中燃烧容易形成气相扩散火焰，加热速率快，形成氧化物机会少；因此将锂镁添加到铝锌中可以增加铝锌合金燃料活性，降低点火温度并且改善燃烧性能。组元金属铋熔点为271℃，密度达到9.78g/cm3，金属锑熔点为630℃，密度为6.70g/cm3，金属铅熔点为327.5℃，密度11.34g/cm3；三者密度远远大于金属铝，并且由于其氧化物的特殊性能，可以通过提高铝颗粒的高体积冲量和能量密度，增加铝颗粒的燃烧效率。实施例的数据表明：本发明提供的铝锌基多元合金球形粉末的燃烧热为25.30～27kJ/g，高于对比例的24.78kJ/g；点火温度为960～1060℃，低于对比例的1200℃；燃烧率为71～90％，高于对比例的65％。
附图说明
图1为实施例1所得铝锌基多元合金球形粉末的扫描电子显微镜图；
图2为实施例1所得铝锌基多元合金球形粉末的粒度分布图。
具体实施方式
本发明提供了一种铝锌基多元合金球形粉末，包括铝、锌和组元金属元素，所述组元金属元素包括Li、Mg、Bi、Sb和Pb中的一种或多种。
本发明提供的铝锌基多元合金球形粉末中优选包括质量分数为90～55％的铝，进一步优选为85～60％，更优选为80～65％。本发明将铝作为燃烧合金的基体元素。
以铝的质量分数为基准，本发明提供的铝锌基多元合金球形粉末中优选包括质量分数为5～40％的锌，进一步优选为10～35％，更优选为15～30％。
以铝的质量分数为基准，所述Li、Mg、Bi、Sb和Pb的质量分数独立地优选为2～5％，进一步优选为3～4％。在本发明中，所述组元金属元素优选包括以铝的质量分数为基准，镁3％、铅3％和铋2％组合。
在本发明中，所述铝锌基多元合金球形粉末的粒度优选为0.5～200μm，进一步优选为10～80μm，更优选为50～150μm。本发明将铝锌基多元合金球形粉末的粒度控制为0.5～200μm，较小的粒径使球形粉末具有较大的比表面积，与环境接触越充分，粒度越小，比表面积越大，与环境接触越充分，燃烧速率和燃烧效率越快，燃烧热越大。
在本发明中，所述铝锌基多元合金球形粉末的密度值优选为2.57～3.89g/cm3，进一步优选为2.7～3.7g/cm3，更优选为3.0～3.5g/cm3。在本发明中，所述铝锌基多元合金球形粉末的圆度值优选≥0.88，进一步优选为≥0.95。
本发明以铝锌为基，且铝和锌的含量在较大范围内可调；再另外添加组元金属元素锂、镁、铋、锑和铅中的一种或多种；由于锂镁的熔、沸点较低，易挥发会形成蒸汽，蒸汽会阻碍氧化物的形成；且锂镁在气相中燃烧容易形成气相扩散火焰，加热速率快，形成氧化物机会少；因此将锂镁添加到铝锌中可以增加铝锌合金燃料的活性，降低点火温度并且改善燃烧性能。组元金属铋熔点为271℃，密度达到9.78g/cm3，金属锑熔点为630℃，密度为6.70g/cm3，金属铅熔点为327.5℃，密度11.34g/cm3；三者密度远远大于金属铝，并且由于其氧化物的特殊性能，可以通过提高铝颗粒的高体积冲量和能量密度，提高铝颗粒的燃烧效率。
本发明还提供了上述技术方案所述铝锌基多元合金球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
(1)在惰性气氛下，依次将铝锭、锌锭和组元金属元素熔融混合，得到熔炼液；
(2)在惰性气氛下，将所述步骤(1)得到的熔炼液经雾化和快速冷凝，得到所述铝锌基多元合金球形粉体。
本发明在惰性气氛下，依次将铝锭、锌锭和组元金属熔融混合，得到熔炼液。在本发明中，所述铝锌基多元合金球形粉末中铝以铝锭的形式加入；锌以锌锭的形式加入；组元金属元素优选以相应的金属元素单质锭块形式加入。在本发明中，所述铝锭、锌锭和组元金属元素单质锭块在使用前优选进行表面除杂；所述表面除杂的方式优选包括采用高温惰性气体对铝锭、锌锭和组元金属元素单质锭块进行吹扫，除去表面吸附的含氧化性气氛的气体。在本发明中，当组元金属元素为多种时，在熔融混合时优选按照组元金属元素单质锭块的沸点从高到低的顺序添加；防止升温后金属气化现象。
在本发明中，所述惰性气氛优选包括纯度为99.99％以上的氩气或氦气。在本发明中，所述熔融混合的温度优选为680～730℃。本发明对所述熔融混合的时间没有特殊的限定，能够使原料充分熔融混合均匀即可。
本发明对进行所述熔融混合的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔融装置即可，具体的，如预熔化炉。
得到熔炼液后，本发明在惰性气氛下，将熔炼液经雾化和快速冷凝，得到所述铝锌基多元合金球形粉体。
在本发明中，所述惰性气氛与上述惰性气氛的选择一致，在此不再赘述。在本发明中，所述雾化所用雾化器的频率优选为55～65Hz。
本发明对进行所述雾化处理的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的雾化装置即可，具体的，如离心雾化器；所述离心雾化器的转速优选为2000～10000r/min。
在本发明中，所述快速冷凝用吹扫气体的流量优选为2～20L/min，进一步优选为5～15L/min。在本发明中，所述快速冷凝用吹扫气体的温度优选为-80℃以下。在本发明中，所述吹扫气体优选为惰性气体；所述惰性气体的冷凝方式优选为采用液氮对其进行冷却吹扫。
快速冷凝结束后，本发明优选将快速冷凝产物进行分级处理；本发明对所述分级处理的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的分级处理方式即可，具体的如，振动筛分级或风选。
本发明通过控制雾化的频率和快速冷凝的参数，得到了圆度值0.88以上的球形粉末；进一步地，通过分级处理，收集到了粒度范围为0.5～500μm的粉末，该粒径范围的球形粉末粒径小，比表面积大，燃烧速度快，有利于提高球形粉末的燃烧性能。
本发明还提供了上述技术方案所述铝锌基多元合金球形粉末在推进剂、炸药和烟火药领域中的应用。在本发明中，所述铝锌基多元合金球形粉末在推进剂、炸药和烟火药中的质量含量优选为15～30％。
由于本发明提供的铝锌基多元合金球形粉末具有优异的燃烧性能，在一定程度上能够降低推进剂、炸药或烟火的点火温度，提高应用性能。
下面结合实施例对本发明提供的一种铝锌基多元合金球形粉末及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种铝锌基多元合金球形粉末，包括以下质量分数的元素：铝87％，锌10％，镁3％；
制备方法包括：
(1)首先称量质量比87：10：3的铝锭、锌锭以及镁锭，采用高温氮气对铝锭、锌锭以及镁锭进行吹扫；在惰性气氛下，将铝锭加到预熔化炉中，利用中频加热圈对炉体进行加热到680～730℃熔化铝锭，然后加入锌锭；最后加入镁锭熔融混合，得到熔炼液；
(2)在惰性气氛下，将熔炼液通入雾化炉进行气雾化处理；采用325目振动筛对气雾化处理产物进行粒度分级，得到所述铝锌基多元合金球形粉末，然后进行密封包装；其中，气雾化处理的频率为55Hz。
本实施例所得铝锌基多元合金球形粉末的扫描电镜照片如图1所示。从图1可以看出：粉末为球状，且球形度良好，颗粒完整；同时粉末出现了一定程度的团聚，因为粒径越小，表面能越高，团聚的倾向就更明显。同时，少量小颗粒粉末会粘附在大颗粒粉末的表面。
本实施例所得铝锌基多元合金球形粉末的粒度分布图如图2所示。从图2可以看出：本发明所得铝锌基多元合金球形粉末的粒度分布集中，且所得铝锌基多元合金球形粉末的粒度分布符合对数正态分布：所述正态分布曲线为：
其中，y0＝-0.01406，μ＝12.95，σ＝0.53，A＝122.23。
实施例2
一种铝锌基多元合金球形粉末，包括以下质量分数的元素：铝80％，锌15％，铅3％，铋2％；
制备方法包括：
(1)首先称量质量比80：15：3：2的铝锭、锌锭、铅锭以及铋锭，采用高温氮气对铝锭、锌锭、铅锭以及铋锭进行吹扫；在惰性气氛下，将铝锭加到预熔化炉中，利用中频加热圈对炉体进行加热到680～730℃铝锭熔化，然后加入锌锭熔融混合，然后依次加入铅锭、铋锭熔融混合，得到熔炼液；
(4)在惰性气氛下，将所述熔炼液通入雾化炉中进行气雾化处理；气雾化处理结束后，采用325目振动筛对气雾化处理产物进行粒度分级，得到所述铝锌基多元合金球形粉末，然后进行密封包装；其中，气雾化处理的频率为55Hz。
对比例1
一种铝锌合金球形粉末，由包括以下质量分数的元素的原料制备得到：铝85％，锌15％；其制备方法同实施例1的粉末制备方法相同。
分别采用马尔文2000激光粒度仪、圆度仪和氧弾量热仪测试实施例1和2及对比例1所得球形粉末的粒度、圆度值和燃烧热，结果如表1所示。计算实施例1和2及对比例1中所述球形粉末理论密度，结果如表1所示。参照GB/T16429《粉尘云最低着火温度测试方法》测量所述粉末的点火温度，结果如表1所示；参照根据TG-DSC的TG的数值计算所述粉末的燃烧率，结果如表1所示。从表1可以看出，采用雾化法制备的粉末粒度分布较为集中，添加组员后燃烧热有较为明显的提高，点火温度有所降低，燃烧效率大幅度提高。
表1实施例1～2及对比例1所得铝锌基多元合金球形粉末的性能测试结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种铝锌基多元合金球形粉末的制备方法，包括以下步骤：
（1）在惰性气氛下，依次将铝锭、锌锭和组元金属熔融混合，得到熔炼液；所述熔融混合的温度为680~730℃；
（2）在惰性气氛下，将所述步骤（1）得到的熔炼液经雾化和快速冷凝，得到所述铝锌基多元合金球形粉体；所述雾化所用雾化器的频率为55~65Hz；
所述铝锌基多元合金球形粉体由铝、锌和组元金属组成，所述组元金属元素为Bi和Pb；
所述铝锌基多元合金球形粉末中铝的质量分数为90~55%，锌的质量分数为5~40%，Bi的质量分数为2%，Pb的质量分数为3%；
所述铝锌基多元合金球形粉末的粒度为0.5~200µm；
所述铝锌基多元合金球形粉末的密度值为2.57~3.89g/cm3，圆度值≥0.88。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛包括纯度为99.99%以上的氩气或氦气。
3.根据权利要求1或2所述制备方法得到的铝锌基多元合金球形粉末在推进剂、炸药和烟火药领域中的应用。
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