專利名稱：含滲氮層的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及對金屬多孔材料的化學(xué)熱處理技術(shù)。其中首次提出了以化學(xué)熱處理來調(diào)節(jié)金屬多孔材料的孔徑，從而既保證過濾精度，并可附帶改善金屬多孔材料的表面性能；此外，本申請還涉及經(jīng)過化學(xué)熱處理后的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
化學(xué)熱處理是指將金屬工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理的種類繁多，最常見的是滲碳、滲氮以及碳氮共滲?；瘜W(xué)熱處理的目的一般是提高工件的表面耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度以及抗蝕性與抗高溫氧化性?！癟iAl基合金的表面滲碳行為及其機(jī)理，江垚、賀躍輝等，材料研究學(xué)報(bào)，第19卷第2期，2005年4月”一文探討了通過滲碳改善TiAl基合金的高溫抗氧化性的問題；另外，“TiAl基合金的表面滲碳處理方法，徐強(qiáng)等，熱處理技術(shù)與裝備， 第29卷第5期，2008年10月”也提到了類似觀點(diǎn)。目前，化學(xué)熱處理工藝主要應(yīng)用于改善較致密金屬材料的表面性能，但尚未見到在金屬多孔材料上的應(yīng)用。另一方面，基于金屬多孔材料具有滲透性的特點(diǎn)，人們已經(jīng)開發(fā)出了多種以金屬多孔材料制成的過濾元件。常見的金屬多孔材料有不銹鋼、銅及銅合金、鎳及鎳合金、鈦及鈦合金等；這類金屬多孔材料的可加工性能較好，但抗腐蝕性較差。還有一類金屬多孔材料為Al系金屬間化合物多孔材料，其主要包括TiAl金屬間化合物多孔材料、NiAl金屬間化合物多孔材料、FeAl金屬間化合物多孔材料；這類金屬多孔材料既有可加工性能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又兼具很好的抗腐蝕性。無論是常見的金屬多孔材料還是Al系金屬間化合物多孔材料，它們都是通過粉末冶金法制造出來的，在其制造過程中，很多因素都會(huì)影響金屬多孔材料最終的孔徑大小，例如，所選用粉末的平均粒度、粒度分布、顆粒形狀以及燒結(jié)溫度等等?？傊?，目前來講，當(dāng)本領(lǐng)域技術(shù)人員為適應(yīng)不同的過濾要求而去調(diào)節(jié)金屬多孔材料的孔徑時(shí)，往往只會(huì)從粉末冶金工藝的角度來尋找調(diào)整的辦法，由于對粉末冶金工藝的調(diào)整容易改變材料的力學(xué)性能，因此通常需要經(jīng)過大量的試制才能確定出可行的方案；并且可調(diào)控的孔徑尺寸大小范圍有限。

實(shí)用新型內(nèi)容本申請旨在提供一種通過化學(xué)熱處理實(shí)現(xiàn)孔徑調(diào)節(jié)的金屬多孔材料的孔徑調(diào)節(jié)方法。為此，本申請的金屬多孔材料的孔徑調(diào)節(jié)方法具體是通過將至少一種元素滲入材料的孔而使其平均孔徑縮小至一定范圍內(nèi)。當(dāng)元素滲入金屬多孔材料的孔表面后，引起金屬多孔材料的孔洞表層發(fā)生晶格畸變膨脹，或在孔內(nèi)表層形成新相層，從而使金屬多孔材料上的原有孔洞縮小，以達(dá)到調(diào)節(jié)孔徑的目的。因此，本申請這種孔徑調(diào)節(jié)方法比現(xiàn)有孔徑調(diào)節(jié)方法更加方便，且可控性更好；并且，由于本申請僅僅是對材料表面進(jìn)行的處理，因此不會(huì)顯著損傷材料力學(xué)性能。[0007]考慮一般過濾的需要，本申請的優(yōu)選方案是通過將至少一種元素滲入材料的孔表面而使其平均孔徑縮小至O. 05 100 μ m。材料平均孔徑縮小的量與具體的化學(xué)熱處理工藝有關(guān)。若材料平均孔徑縮小量很小，則會(huì)降低本申請?jiān)诳讖秸{(diào)節(jié)方面的實(shí)際作用；而若材料平均孔徑縮小量很大，則可能將金屬多孔材料上的原有孔洞封閉，導(dǎo)致過濾通量急劇下降。因此，本申請優(yōu)選的方案是通過將至少一種元素滲入材料的孔表面而使其平均孔徑縮小O. I 100 μ m。進(jìn)一步的，所述金屬多孔材料是指Al系金屬間化合物多孔材料。作為優(yōu)選，所述Al系金屬間化合物多孔材料是指TiAl金屬間化合物多孔材料、NiAl金屬間化合物多孔材料、FeAl金屬間化合物多孔材料中的一種。作為優(yōu)選，所述被滲入元素是指碳、氮、硼、硫、硅、鋁、鉻中的一種或幾種。本申請對TiAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲碳的具體工藝為先將TiAl金屬間 化合物多孔材料置于滲碳的活性氣氛中，然后在800 1200°C下保溫I 12h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在O. 8 I. O最后得到厚度為I 30 μ m的滲碳層。本申請對NiAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲碳的具體工藝為先將NiAl金屬間化合物多孔材料置于滲碳的活性氣氛中，然后在800 1200°C下保溫2 10h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在I. O I. 2 %，最后得到厚度為O. 5 25 μ m的滲碳層。本申請對FeAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲碳的具體工藝為先將FeAl金屬間化合物多孔材料置于滲碳的活性氣氛中，然后在800 1200°C下保溫I 9h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在O. 8 I. 2%,最后得到厚度為I 50 μ m的滲碳層。上述對TiAl金屬間化合物多孔材料、NiAl金屬間化合物多孔材料、FeAl金屬間化合物多孔材料的滲碳工藝能夠得到厚度在10-Ιμπι IOym數(shù)量級之間的滲碳層，從而實(shí)現(xiàn)對滲碳層厚度的精確控制。并且，將滲碳層厚度維持在此范圍能夠明顯改善材料的高溫抗抗氧化性和抗腐蝕性。本申請對TiAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲氮的具體工藝為先將TiAl金屬間化合物多孔材料置于滲氮的活性氣氛中，然后在800 1000°C下保溫4 20h，同時(shí)將爐內(nèi)氮?jiǎng)菘刂圃贠. 8 I. 0%，最后得到厚度為O. 5 20 μ m的滲氮層。本申請對NiAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲氮的具體工藝為先將NiAl金屬間化合物多孔材料置于滲氮的活性氣氛中，然后在700 900°C下保溫2 26h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在I. O I. 2%,最后得到厚度為O. 5 15 μ m的滲氮層。本申請對FeAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲氮的具體工藝為先將FeAl金屬間化合物多孔材料置于滲氮的活性氣氛中，然后在550 750°C下保溫2 18h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在O. 8 I. 2%,最后得到厚度為I 25 μ m的滲氮層。上述對TiAl金屬間化合物多孔材料、NiAl金屬間化合物多孔材料、FeAl金屬間化合物多孔材料的滲氮工藝能夠得到厚度在10-1 μ 10 μ m數(shù)量級之間的滲氮層，從而實(shí)現(xiàn)對滲氮層厚度的精確控制。并且，將滲氮層厚度維持在此范圍能夠明顯改善材料的防腐蝕性。本申請對TiAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行碳氮共滲的具體工藝為先將TiAl金屬間化合物多孔材料置于碳氮共滲的活性氣氛中，然后在800 1000°C下保溫I 16h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢和氮?jiǎng)菘刂圃贠. 8 I. O最后得到厚度為O. 5 25 μ m的碳氮共滲層。[0020]本申請對NiAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行碳氮共滲的具體工藝為先將NiAl金屬間化合物多孔材料置于碳氮共滲的活性氣氛中，然后在750 950°C下保溫2 18h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢和氮?jiǎng)菘刂圃贗. O I. 2%,最后得到厚度為O. 5 20 μ m的碳氮共滲層。本申請對FeAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行碳氮共滲的具體工藝為先將FeAl金屬間化合物多孔材料置于碳氮共滲的活性氣氛中，然后在700 900°C下保溫2 10h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢和氮?jiǎng)菘刂圃贠. 8 I. 2%,最后得到厚度為I 35 μ m的碳氮共滲層。上述對TiAl金屬間化合物多孔材料、NiAl金屬間化合物多孔材料、FeAl金屬間化合物多孔材料的碳氮共滲工藝能夠得到厚度在10-1 μ m 10 μ m數(shù)量級之間的碳氮共滲層，從而實(shí)現(xiàn)對碳氮共滲層厚度的精確控制。并且，將碳氮共滲層厚度維持在此范圍能夠明顯改善材料的防腐蝕性和高溫抗氧化性。 進(jìn)一步的，本申請可通過在金屬多孔材料的局部進(jìn)行防滲處理以使最終形成滲層厚度呈現(xiàn)前后的非對稱性。其中的術(shù)語“前后”以滲層所在的孔洞的前后來定義；而術(shù)語“非對稱性”應(yīng)理解為滲層的厚度沿孔洞方向從前向后逐漸減小。由此，經(jīng)化學(xué)熱處理后的金屬多孔材料即形成類似于“非對稱膜”的結(jié)構(gòu)形態(tài)，金屬多孔材料的一側(cè)表面上的孔洞因滲層厚度較厚而孔徑相對較小，而另一側(cè)表面上的孔洞因滲層厚度較薄而孔徑相對較大。當(dāng)其用于過濾時(shí)，就可以利用孔徑相對較小一側(cè)來實(shí)現(xiàn)待過濾介質(zhì)的分離，從而既可提高金屬多孔材料的滲透能力，并且還能夠提高反洗效果。以上即為本申請所提供的金屬多孔材料的孔徑調(diào)節(jié)方法。除此以外，本申請還要提供一種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，該孔結(jié)構(gòu)能夠使金屬多孔材料達(dá)到要求的孔徑大小。為此，本申請的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)包括分布于材料表面的孔洞，所述孔洞的孔表面設(shè)置有滲層。由于金屬多孔材料的孔表面設(shè)置有滲層，該滲層在形成過程中，金屬多孔材料的孔洞表層發(fā)生晶格畸變膨脹，或在孔內(nèi)表層形成新相層，從而使金屬多孔材料上的原有孔洞縮小，以達(dá)到調(diào)節(jié)孔徑的目的?？紤]一般過濾的需要，所述孔洞的平均孔徑為O. 05 100 μ m。進(jìn)一步的，所述金屬多孔材料是指Al系金屬間化合物多孔材料。作為優(yōu)選，所述Al系金屬間化合物多孔材料是指TiAl金屬間化合物多孔材料、NiAl金屬間化合物多孔材料、FeAl金屬間化合物多孔材料中的一種。作為優(yōu)選，所述滲層為滲碳層、滲氮層、滲硼層、滲硫?qū)?、滲硅層、滲鋁層、滲鉻層中的一種，或是上述這些元素中的其中幾種元素的共滲層，比如碳氮共滲層。本申請具體提供的第一種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為TiAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有I 30μπι厚的滲碳層。本申請具體提供的第二種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為NiAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有O. 5 25 μ m厚的滲碳層。本申請具體提供的第三種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為FeAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有I 50μπι厚的滲碳層。本申請具體提供的第四種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為TiAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為O. 5 20 μ m的滲氮層。本申請具體提供的第五種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為NiAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為O. 5 15 μ m的滲氮層。[0034]本申請具體提供的第六種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為FeAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為I 25 μ m的滲氮層。本申請具體提供的第七種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為TiAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為O. 5 25 μ m的碳氮共滲層。本申請具體提供的第八種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為NiAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為O. 5 20 μ m的碳氮共滲層。本申請具體提供的第九種金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)為該金屬多孔材料為FeAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為I 35 μ m的碳氮共滲層。進(jìn)一步的，所述滲層的厚度沿孔洞方向從前向后逐漸減小。由此，本申請的金屬多孔材料即形成類似于“非對稱膜”的結(jié)構(gòu)形態(tài)，金屬多孔材料的一側(cè)表面上的孔洞因滲層厚度較厚而孔徑相對較小，而另一側(cè)表面上的孔洞因滲層厚度較薄而孔徑相對較大。當(dāng)其用 于過濾時(shí)，就可以利用孔徑相對較小一側(cè)來實(shí)現(xiàn)待過濾介質(zhì)的分離，從而既可提高金屬多孔材料的滲透能力，并且還能夠提高反洗效果。下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本申請做進(jìn)一步的說明。本申請附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本申請的實(shí)踐了解到。

圖I為本申請金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)的平面示意圖。圖2為圖I中A-A向剖視圖。圖3為分別將TiAl和NiAl材料在不同溫度下滲碳6小時(shí)后的平均孔徑變化曲線。圖4為將TiAl材料在900°C下保溫不同時(shí)間所得平均孔徑變化曲線。圖5為將NiAl材料在940°C下保溫不同時(shí)間所得平均孔徑變化曲線。圖6為滲氮后的TiAl材料與未滲氮的TiAl材料的耐腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線。圖中標(biāo)記為孔洞I、滲層2。
具體實(shí)施方式
下面首先通過以下多組實(shí)施例對本申請的孔徑調(diào)節(jié)方法做進(jìn)一步的說明。一、第一組實(shí)施例第一組實(shí)施例針對鈦多孔材料分別進(jìn)行滲碳、滲氮、碳氮共滲處理。在進(jìn)行滲碳、滲氮和碳氮共滲處理前，該材料的初始平均孔徑為20 μ m,初始孔隙度為30%。該組實(shí)施例的具體工藝參數(shù)以及化學(xué)熱處理后的平均孔徑和孔隙度如表I所示。表I化學(xué)熱處理方式溫度(V.) 時(shí)間(h)碳勢及氮?jiǎng)?％)化學(xué)熱處理后材料孔結(jié)構(gòu)
_____平均孔徑(μ m)孔隙度(％)
I_19^2__27. 6
850_3___18. 9__26. 8_
_5L 0_18^4__25.4
__I___]^_8__23. 8
滲碳I —16.4' 20. I
314. O14. 7
950_5L 0_]X2__13^2_
___7___Π^Ο__9. O
4_19J3__27. 9
850 _8I. ο_18^7__27. 6_
12_18_0__24. 3
__16___ΓΛ_5__22. 9
滲氮4_16,_0__19. 2
8 ο137613 9
95012.12. G —11.9 —
___16___106__^4_
_2_19,_6__28. 8
850 _4I. ο_1^_0__26. 9_
6_18^3__25. I
碳氮共滲__§___18^0__24.3
_2_17Λ__22. 2
4 . ο___19. 7
950 6 — 15.4'17.8_^_ 8 I_ 13. 8 I 13. 9二、第二組實(shí)施例第二組實(shí)施例針對TiAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲碳處理。在進(jìn)行滲碳處理前，該材料的初始平均孔徑為15μπι，初始孔隙度為45%。該組實(shí)施例的具體工藝參數(shù)以及化學(xué)熱處理后的平均孔徑和孔隙度如表2所示。表權(quán)利要求1.含滲氮層的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，包括分布于材料表面的孔洞(I)，其特征在于所述孔洞(I)的孔表面設(shè)置有滲層(2)，該滲層(2)為滲氮層。
2.如權(quán)利要求I所述的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述孔洞(I)的平均孔徑為 O. 05 100 μ m。
3.如權(quán)利要求I所述的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬多孔材料為Al系金屬間化合物多孔材料。
4.如權(quán)利要求3所述的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述Al系金屬間化合物多孔材料是指TiAl金屬間化合物多孔材料、FeAl金屬間化合物多孔材料、NiAl金屬間化合物多孔材料中的一種。
5.如權(quán)利要求4所述的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，其特征在于該金屬多孔材料為TiAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為O. 5 20 μ m的滲氮層。
6.如權(quán)利要求4所述的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，其特征在于該金屬多孔材料為NiAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為O. 5 15 μ m的滲氮層。
7.如權(quán)利要求4所述的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，其特征在于該金屬多孔材料為FeAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為I 25 μ m的滲氮層。
8.如權(quán)利要求I至7中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，所述滲層(2)的厚度沿孔洞(I)方向從前向后逐漸減小。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種含滲氮層的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，該孔結(jié)構(gòu)能夠使金屬多孔材料達(dá)到要求的孔徑大小。本實(shí)用新型的孔結(jié)構(gòu)包括分布于材料表面的孔洞，所述孔洞的孔表面設(shè)置有滲層，該滲層為滲氮層。由于金屬多孔材料的孔表面設(shè)置有滲氮層，該滲氮層在形成過程中，金屬多孔材料的孔洞表層發(fā)生晶格畸變膨脹，或在孔內(nèi)表層形成新相層，從而使金屬多孔材料上的原有孔洞縮小，以達(dá)到調(diào)節(jié)孔徑的目的。
文檔編號C23C8/24GK202482411SQ201120559750
公開日2012年10月10日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者李波, 汪濤, 高麟 申請人:成都易態(tài)科技有限公司