鈦、鋁元素粉末反應合成製備鈦鋁金屬間化合物過濾膜的方法
2023-04-22 15:49:01
專利名稱：鈦、鋁元素粉末反應合成製備鈦鋁金屬間化合物過濾膜的方法
技術領域：
本發明涉及半滲透膜的生產，用於分離工藝的半透膜的專用製備方法，具體是鈦鋁元素粉末反應合成TiAl金屬間化合物過濾膜的製備方法。
背景技術：
膜工業在21世紀的多數工業中佔據著重要的戰略地位，被認為是20世紀末到21世紀中期最有發展前途的高技術之一。膜分離藉助於外界能量或化學位差的推動，對兩組分或多組分混合的氣體或液體進行分離、分級、提純和富集，過程中大多無相變化，具有高效、節能、工藝簡便、投資少、汙染小等優點，廣泛應用於國民經濟各生產、研究部門以及國防建設領域。分離膜按製備材料可分為無機膜和有機高分子膜，其中無機膜由於具有高的熱穩定性、化學穩定性和機械穩定性而愈來愈受到重視。目前無機膜所用材料主要有陶瓷體，如氧化鋁和玻璃，以及銅、鎳和不鏽鋼等金屬，所採用的製備技術主要有固態粒子燒結法製備載體及過渡膜；採用溶膠—凝膠法製備超濾、微濾膜；採用分相法製備玻璃膜；採用化學氣相沉積、無電鍍等製備微孔膜或緻密膜等。這些製備技術往往存在工藝較複雜，成本較高，過濾膜孔徑難以控制等缺點。與製備工藝相比，無機膜的質量更大程度的受到其所用材料的限制。對金屬材料而言，其抗氧化性能、耐酸鹼腐蝕性能往往很差，使得過濾膜的使用環境受到很大限制，並且金屬材料的組織穩定性較差，使用壽命較短，同時由於氫脆等問題難以與其它緻密膜等複合。對陶瓷材料而言，由於陶瓷為硬脆相，採用固態粒子燒結法製備過濾膜，陶瓷粒子的成形性和燒結性能往往較差，生產過程能耗高，同時陶瓷的脆而不易焊接組件化等缺點限制了陶瓷膜的應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種製備方法，向無機膜中引入物理性能及力學性能優異的TiAl金屬間化合物，以大幅度提高無機膜的抗氧化性能、抗腐蝕性能、力學性能，過濾性能和使用壽命，擴大它的使用範圍，簡化其生產工藝流程，降低能耗，減少汙染。
本發明採用的技術方案是首先將成分配比為50～60at.％Ti粉和40～50at.％Al粉進行均勻的混合；Ti粉的粒徑200～10μm，Al粉的粒徑200～5μm。
然後，採用模壓成形或冷等靜壓成形的方式，製成片狀或管狀坯。採用模壓成形時，壓強為50～600MPa；採用冷等靜壓成形時，其壓強為50～200MPa，芯杆錐度為0.1～2°，脫模後對冷等靜壓坯外徑進行少量機加工，製成外徑均勻，內徑略成錐度，厚度為1～3mm的管狀成形坯。
隨後，通過低溫預反應和高溫短時反應兩階段合成法燒結，低溫預反應階段的溫度為500～800℃，時間為20～60分鐘；高溫短時反應階段的溫度為1200～1400℃，時間為10～30分鐘。燒結方式採用真空無壓燒結，真空度為1×10-1～1×10-3Pa；或者採用低壓熱等靜壓方式，氣氛為Ar氣，壓強為0.01～5MPa。
反應完成後，控制冷卻速度10～50℃/min降溫，從而製得TiAl金屬間化合物過濾膜。
本發明製備鈦鋁金屬間化合物過濾膜的方法與現有技術相比，具有以下優點1.由於TiAl金屬間化合物具有優良的力學性能，耐酸鹼腐蝕性能和抗氧化性能，其抗氧化極限可達800～950℃，採用TiAl金屬間化合物製備無機過濾膜材料，大幅度改善了過濾膜的抗氧化性能、抗腐蝕性能和力學性能，提高了過濾膜的過濾性能和使用壽命，並擴大了無機膜的使用範圍。
2.採用TiAl金屬間化合物製備無機過濾膜材料，有利於控制無機膜的孔徑分布。採用Ti、Al元素粉末製備無機膜的造孔機制是Al元素偏擴散引起Kirkendall效應。除了粉末冶金工藝本身帶來一定量的孔隙外，Kirkendall效應可造成TiAl合金20～30％的開孔率，通過控制一定的工藝條件，比如Ti、Al粉末粒度配比和成分配比，反應合成的溫度和保溫時間等，可得到孔徑精確控制的通孔。
3.Ti、Al元素粉末反應合成製備TiAl金屬間化合物過濾膜材料過程中，不需要添加造孔劑即可獲得40～50％的孔隙率，避免了傳統工藝中的脫除造孔劑環節，降低了能耗，而且幾乎無汙染。
4.一定成分配比的TiAl金屬間化合物在1300℃以下具有高的顯微組織和晶粒尺寸穩定性，保證了TiAl無機膜的使用穩定性，並有利於TiAl無機膜與其它緻密膜的複合。
具體實施例方式實施例1採用粒度為100～150μm的Ti粉和粒度為50～100μm的Al粉，按Ti-46.5at.％Al的成分配比進行混料，隨後在200MPa的壓力下模壓成形，製成直徑為50mm，厚1～2mm的片狀坯；燒結採用兩階段反應法，氣氛為真空，真空度控制在1×10-2～1×10-3Pa；低溫預反應溫度為600℃，保溫時間為60min，高溫短時反應溫度為1300℃，保溫時間為20min；反應完畢後冷卻速度控制在40℃/min；由此製備的TiAl金屬間化合物片狀過濾膜，孔隙率為40～45％，開孔率為30～35％，最大孔徑為6～8μm，同時具有良好的抗氧化性能和抗腐蝕性能。
實施例2採用粒度為20～50μm的Ti粉和粒度為50～100μm的Al粉，按Ti-48at.％Al的成分配比進行混料；隨後採用冷等靜壓成形管狀坯，芯杆錐度為0.5°，壓強為150MPa，經少量機加工後，製得外徑為30mm，內徑為28～29mm，高為200mm的管狀成形坯；燒結採用兩階段反應合成法，氣氛為真空，真空度控制在1×10-2～1×10-3Pa；低溫預反應溫度為620℃，保溫時間為40min；高溫短時反應溫度為1260℃，保溫時間為30min；反應完畢後冷卻速度控制在30℃/min；由此製得滲透性能良好的TiAl金屬間化合物管狀過濾膜。
實施例3採用粒度為150～200μm的Ti粉和粒度為20～50μm的Al粉，按Ti-48.5at.％Al的成分配比進行混料；隨後在200MPa的壓力下模壓成形，製成直徑為50mm，厚1～2mm的片狀坯；燒結採用兩階段反應合成法，燒結方式為低壓熱等靜壓，氣氛為Ar氣，壓強為0.1MPa；低溫預反應溫度為580℃，保溫時間為50min；高溫短時反應溫度為1280℃，保溫時間為20min；反應完畢後冷卻速度控制在20℃/min；由此製備的TiAl金屬間化合物片狀過濾膜，孔隙率為35～40％，開孔率為25～35％，最大孔徑為8～10μm，同時具有良好的抗氧化性能和抗腐蝕性能。
實施例4採用粒度為10～40μm的Ti粉和粒度為10～40μm的Al粉，按Ti-47at.％Al的成分配比進行混料；隨後採用冷等靜壓成形管狀坯，芯杆錐度為1°，壓強為150MPa，經少量機加工後，製得外徑為40mm，內徑為37.5～38.5mm，高為200mm的管狀成形坯；燒結採用兩階段反應合成法，氣氛為真空，真空度控制在1×10-2～1×10-3Pa；低溫預反應溫度為630℃，保溫時間為30min，高溫短時反應溫度為1300℃，保溫時間為15min；反應完畢後冷卻速度控制在20℃/min；由此製得滲透性能良好的TiAl金屬間化合物管狀過濾膜。
權利要求
1.一種製備TiAl金屬間化合物過濾膜的方法，其特徵在於首先將成分配比為50～60at.％Ti粉和40～50at.％Al粉進行均勻的混合；Ti粉的粒徑200～10μm，Al粉的粒徑200～5μm。然後，採用模壓成形或冷等靜壓成形，製成片狀或管狀坯。模壓成形時，其壓強為50～600MPa；冷等靜壓成形時，其壓強為50～200MPa，芯杆錐度為0.1～2°，脫模後對冷等靜壓坯外徑進行機加工，製成外徑均勻，內徑略成錐度，厚度為1～3mm的管狀成形坯。隨後，通過低溫預反應和高溫短時反應兩階段合成法燒結，低溫預反應階段的溫度為500～800℃，時間為20～60分鐘；高溫短時反應階段的溫度為1200～1400℃，時間為10～30分鐘。燒結方式採用真空無壓燒結，真空度為1×10-1～1×10-3Pa；或者採用低壓熱等靜壓方式燒結，氣氛為Ar氣，壓強為0.01～5MPa。反應完成後，控制冷卻速度10～50℃/min降溫，從而製得TiAl金屬間化合物過濾膜。
全文摘要
本發明涉及半滲透膜的生產，用於分離工藝的半透膜的專用製備方法，它是採用Ti、Al元素粉末，用模壓成形方式或冷等靜壓成形方式制坯，通過低溫預反應和高溫短時反應兩階段真空燒結合成，低溫預反應階段的溫度為500～ 800℃，時間為20～60分鐘，高溫短時反應階段的溫度為1200～1400℃，時間為10～30分鐘。燒結方式採用真空無壓燒結或低壓熱等靜壓製備成TiAl金屬間化合物過濾膜，本過濾膜，由於採用TiAl金屬間化合物，有利於控制過濾膜的孔徑分布，製備過程不需要添加造孔劑，降低了能耗，幾乎無汙染。TiAl過濾膜具有良好的抗氧化性能、抗腐蝕性能、力學性能和過濾性能，使用壽命增長，並擴大了使用範圍。同時能夠與金屬進行焊接，有利於與其它緻密膜的複合。
文檔編號B01D71/02GK1640529SQ200410003039
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月13日 優先權日2004年1月13日
發明者賀躍輝, 江垚, 林小芹, 湯義武, 徐南平, 高海燕, 張啟修 申請人:中南大學