多孔金屬間化合物的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料領域，具體的，本發(fā)明涉及金屬間化合物，更具體的，本發(fā)明涉及一種制備多孔金屬間化合物的方法以及一種多孔金屬間化合物。
【背景技術】
[0002]目前，在粉末冶金領域主要采用金屬粉末燒結法和自蔓延高溫合成法等來制備多孔金屬材料。中國專利(201310555757.2)將Ti元素粉和Al元素粉混合，在800MPa下冷壓制坯，然后在真空度5 X 10—3Pa、溫度620°C下燒結4h得到一種閉孔隙TiAl基多孔絕熱材料。這種方法雖然工藝簡單，能夠制備出較高孔隙率的多孔金屬材料，但難以實現(xiàn)近凈成形，需后續(xù)加工處理，在后續(xù)的加工中往往容易破壞多孔結構。
[0003]TiAl合金作為一種典型的金屬間化合物，具有低密度、高熔點、良好的高溫力學性能、高溫抗氧化性(800°C?1000°C )以及耐腐蝕性等，被認為是一種新型的高溫材料而受到廣泛的關注。中國專利(申請?zhí)?201310099463.3)將Ti元素粉末和Al元素粉末混合、壓制預成型坯，然后在壓力為100MPa?1200MPa、溫度為500°C下對預成型坯進行模鍛成型，在1100°C?1250°C下進行燒結，最后通過高溫復壓矯形得到TiAl金屬間化合物的零件。如果將TiAl金屬間化合物制備成為多孔材料，將能夠適用于苛刻的服役條件，可以作為高溫或是腐蝕條件下的過濾、吸附材料或是催化劑載體，從而擴展多孔金屬材料的應用范圍。
[0004]金屬粉末注射成型(ΜΠΟ是將塑料注射成型技術引入到粉末冶金領域而形成的一種新型近凈成形技術。M頂技術結合了粉末冶金與塑料注射成形兩大技術的優(yōu)點，既突破了傳統(tǒng)金屬粉末模壓成形工藝在產(chǎn)品形狀上的限制，同時能夠用于大批量、高效率成形具有復雜形狀的零件，具有常規(guī)粉末冶金、精密加工和精密鑄造等加工方法無法比擬的優(yōu)勢。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明旨在至少解決上述問題至少之一或者提供至少一種可選擇的商業(yè)手段。
[0006]以下發(fā)現(xiàn)及設想，是發(fā)明人作出本發(fā)明的基礎:
[0007]如果能使用MM方法來制備多孔金屬材料，確定工藝的步驟、調整參數(shù)條件等，可能可以實現(xiàn)復雜零部件的低成本連續(xù)生產(chǎn)，為金屬多孔材料的應用領域開辟一條新途徑。擬通過粉末注射成型的工藝，制備出不同孔隙率和孔徑的多孔金屬間化合物。
[0008]依據(jù)本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供一種多孔金屬間化合物的制備方法，該方法包括:(I)將Xl元素粉末與X2元素粉末以摩爾比1:3-3:1混合均勻，得到混合粉末；(2)將(I)中的混合粉末與粘結劑進行混煉，所述混合粉末的體積百分比為50-70%，其中包括，將(I)中的混合粉末與粘結劑的部分組成成分進行第一混煉，獲得第一混煉產(chǎn)物，將所述粘結劑的其它組成成分加至所述第一混煉產(chǎn)物進行第二混煉，獲得混煉產(chǎn)物；(3)將(2)中的混煉產(chǎn)物注射成型，獲得生坯；(4)對(3)中的生坯進行脫脂，獲得脫脂產(chǎn)物；(5)將(4)中的脫脂產(chǎn)物進行燒結，其中包括，以1-2攝氏度/min的升溫速度升至500-650攝氏度進行第一燒結，獲得第一燒結產(chǎn)物，在真空條件下，以5-10攝氏度/min的升溫速度升至1000-1400攝氏度進行第二燒結，獲得所述多孔金屬間化合物。
[0009]上述本發(fā)明這一方面的方法，其步驟、條件以及比例是發(fā)明人通過大量試驗優(yōu)化確定下來的，發(fā)明人通過控制金屬粉末之間的比例、金屬粉末和粘結劑的比例、混合粉末的裝載量、混煉工藝以及燒結工藝來實現(xiàn)金屬間化合物的孔結構的控制，包括孔隙、孔隙結構和孔徑的控制，使能夠獲得具有多孔結構、孔隙率大、三維連通佳以及良好力學性能的金屬間化合物。并且，利用本發(fā)明的這一方面的方法可以很容易的就能實現(xiàn)多孔金屬間化合物產(chǎn)品的近凈成形，方便得到各種復雜形狀要求的零部件。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實施例，本發(fā)明的這一方面的方法還可以具有以下附加技術特征至少之一:
[0011 ]本發(fā)明的這一方法特別適用于燒結過程中存在Kirkendal I效應的合金體系，如制備T1-Al、Fe-Al、N1-Al、N1-Ti等多孔金屬間化合物。根據(jù)本發(fā)明的實施例，由所述Xl元素粉末和所述X2元素粉末組成不相同的金屬粉末，可以是T1-Al、Fe-Al、N1-Al、N1-Ti等合金體系中的任意一種。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，Xl元素粉末和X2元素粉末分別為Ti粉和Al粉。本發(fā)明的實施例對單質金屬粉末的來源和類型不受限制，例如單質鈦粉可來自球形鈦粉、氫化脫氫鈦粉或者二者的混合粉末。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述粘結劑為P0M-(10?30wt%) (PE-EVA-PW-SA)，表示該粘結劑由P0M、PE、EVA、PW和SA組成，PE、EVA、PW和SA占的重量比為10-30%，即該粘結劑中POM占的重量比為70-90%。其中各英文縮寫，在本領域中都是常見的表示方式，例如POM指聚甲醛、PE指聚乙烯、EVA指乙烯-乙酸乙烯共聚物、PW指石蠟、SA指硬脂酸。該粘結劑的組成以及比例是發(fā)明人多次試驗確定的，利于多孔金屬間化合物的制備。當粘結劑為P0M-(10~30wt% )(PE-EVA-Pff-SA)，發(fā)明人進一步確定步驟(2)具體包括:在密煉機中，將(I)中的混合粉末與Ρ0Μ、ΡΕ以及EVA于180-190攝氏度下進行所述第一混煉，直至混合粉末與粘結劑均勻混合，獲得所述第一混煉產(chǎn)物，將PW和SA加至所述第一混煉產(chǎn)物中進行所述第二混煉，所述第二混煉的溫度為180-190攝氏度，任選的所述第二混煉的時間為3-8min，獲得所述混煉產(chǎn)物。所稱的混煉，指通過機械作用使原料與各種配合劑均勻混合的過程，本質來說是配合劑在金屬粉末中均勻分散的過程。進行第一混煉的時間，本領域技術人員可以依據(jù)X1、X2元素粉末的類型、各自的量以及與P0M、PE、EVA的量和混合程度來控制，所稱的“均勻混合”，本領域技術人員可以通過目測大致判斷;根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，Xl和X2分別為Ti和Al，比例為52:48，進行第一混煉的時間為30min能達到混合均勻。該步驟中的將粘結劑組分先后與混合粉末混煉、各混煉的時間、溫度，是發(fā)明人結合粘結劑的組成、比例、以及與混合粉末的比例，多次試驗調整確定下來的，利于高效地制備孔徑大小均一、空隙率高的多孔金屬間化合物。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，進行步驟(3)之前，將步驟(2)中的混煉產(chǎn)物進行造粒，獲得顆粒狀喂料。利用造粒機將步驟(2)中的混煉產(chǎn)物擠成顆粒，獲得均勻密實的顆粒狀喂料，利于后續(xù)注射成型。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當粘結劑為P0M-( 10?30wt % ) (PE-EVA-PW-SA)時，步驟(3)中，所述注射的溫度為180-200攝氏度，注射所用模具的溫度為90-100攝氏度。注射模具可以根據(jù)樣品的需求來選擇，注射后得到生坯。該注射成型條件是發(fā)明人結合粘結劑的組成比例、以及與混合粉末的比例，多次試驗調整確定下來的，利于高效地制備孔徑大小均一、空隙率高的多孔金屬間化合物。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當粘結劑為P0M-( 10?30wt% ) (PE-EVA-PW-SA)時，步驟(4)中，所述脫脂在催化脫脂爐中進行，所述脫脂利用氣態(tài)硝酸進行。脫脂以去除大部分的該粘結劑。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述粘結劑為PW_45wt %PE_3wt % SA，表示該粘結劑由PW、PE和SA組成，PE占的重量比為45%，SA占的重量比為3%，剩余的為PW。該粘結劑的組成以及比例是發(fā)明人多次試驗確定的，利于多孔金屬間化合物的制備。當粘結劑為PW-45wt %PE-3wt % SA時，發(fā)明人進一步確定步驟(2)具體包括:在密煉機中，將步驟(I)中的混合粉末與PW以及PE于140-150攝氏度下進行所述第一混煉，直至混合粉末與粘結劑均勻混合，以獲得所述第一混煉產(chǎn)物，接著將SA加至所述第一混煉產(chǎn)物中進行所述第二混煉，所述第二混煉的溫度為140-150攝氏度，任選的所述第二混煉的時間為3-8min，較佳的為5min，以獲得所述混煉產(chǎn)物。該步驟中的將粘結劑組分先后與混合粉末混煉、各組成混煉的時間、溫度，是發(fā)明人結合粘結劑的組成、比例、以及與混合粉末的比例，多次試驗調整確定下來的，利于高效地制備孔徑大小均一、空隙率高的多孔金屬間化合物。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，進行步驟(3)之前，將步驟(2)中的混煉產(chǎn)物進行造粒，獲得顆粒狀喂料。利用造粒機將步驟(2)中的混煉產(chǎn)物擠成顆粒，獲得均勻密實的顆粒狀喂料，利于后續(xù)注射成型。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當粘結劑為PW-45wt %PE-3wt % SA時，步驟(3)中，所述注射的溫度為140-160攝氏度，注射所用模具的溫度為80-90攝氏度。該注射成型條件是發(fā)明人結合所用粘結劑的組成比例、以及與混合粉末的比例，多次試驗調整確定下來的，利于高效地制備孔徑大小均一、空隙率高的多孔金屬間化合物。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當粘結劑為PW-45wt%PE-3wt%SA時，步驟⑷中，所述脫脂利用加熱的溶劑進行。根據(jù)本發(fā)明的一個較佳實施例，所述溶劑為正己烷。采用溶劑脫脂的方法，將生坯浸入到正己烷中并加熱到40°C進行萃取，從生坯中脫除大部分的粘結劑。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟(5)中，所述第一燒結在氬氣中進行。在氬氣的保護下進行燒結，能夠減小樣品的氧化，并將可能揮發(fā)的殘余粘結劑去除。
[0022]依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種多孔金屬間化合物，其利用上述本發(fā)明一方面或者任一實施例中的方法制備獲得。
[0023]利用上述本發(fā)明一方面或者任一實施例的方法制備的多孔金屬間化合物，特別是制備燒結過程中存在Kirkendall效應的合金體系，如制備T1-Al ,Fe-Al、Ni_Al、Ni_Ti等多孔金屬間化合物，具有多孔結構、孔隙率大、三維連通佳以及良好的力學性能。并且，獲得的多孔金屬間化合物近凈成形，不需后續(xù)加工或者需要的后續(xù)加工少。
[0024]依據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供上述多孔金屬間化合物在廢水處理和/或汽車尾氣凈化中的用途。利用本發(fā)明方法制備得的金屬間化合物，特別適合于在強腐蝕性、強氧化性等苛刻環(huán)境下的應用。
【附圖說明】
[0025]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施方式的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0026]圖1顯示本發(fā)明的一個實施例中的注射成型制備TiAl金屬間化合物的工藝流程。
[0027]圖2顯示本發(fā)明的一個實施例中的分階段燒結的工藝流程。
[0028]圖3顯示本發(fā)明的一個實施例中的T1-48A1樣品斷口的電鏡掃描下的微觀孔隙結構。
【具體實施方式】
[0029]下面【具體實施方