專利名稱：通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法及該材料的孔結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)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，本發(fā)明還涉及經(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。化學(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，第四卷第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(duì)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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，本發(fā)明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，本發(fā)明這種孔徑調(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，由于本發(fā)明僅僅是對(duì)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?？紤]一般過濾的需要，本發(fā)明的優(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0. 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)降低本發(fā)明在孔徑調(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，本發(fā)明優(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0. 1 100 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。本發(fā)明對(duì)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1 12h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在0. 8 1. 0 %，最后得到厚度為1 30 μ m的滲碳層。本發(fā)明對(duì)MAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲碳的具體工藝為先將MAl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1. 0 1. 2 %，最后得到厚度為0. 5 25 μ m的滲碳層。本發(fā)明對(duì)!^Al金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲碳的具體工藝為先將!^Al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1 9h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在0.8 1.2%，最后得到厚度為1 50 μ m的滲碳層。上述對(duì)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 ο—1 μ m 10 μ m數(shù)量級(jí)之間的滲碳層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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。本發(fā)明對(duì)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?. 8 1. 0%，最后得到厚度為0. 5 20 μ m的滲氮層。本發(fā)明對(duì)MAl金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲氮的具體工藝為先將MAl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 同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在1. 0 1.2%，最后得到厚度為0.5 15 μ m的滲氮層。本發(fā)明對(duì)!^Al金屬間化合物多孔材料進(jìn)行滲氮的具體工藝為先將!^Al金屬間化合物多孔材料置于滲氮的活性氣氛中，然后在陽0 750°C下保溫2 18h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢控制在0. 8 1. 2 %，最后得到厚度為1 25 μ m的滲氮層。上述對(duì)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ΙΟ—1 μ m 10 μ m數(shù)量級(jí)之間的滲氮層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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。本發(fā)明對(duì)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1 16h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢和氮?jiǎng)菘刂圃?. 8 1. 0%，最后得到厚度為0. 5 25 μ m的碳氮共滲層。本發(fā)明對(duì)MAl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MAl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?. 0 1. 2 %，最后得到厚度為0. 5 20 μ m的碳氮共滲層。本發(fā)明對(duì)!^Al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!^Al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?. 8 1. 2 %，最后得到厚度為1 35 μ m的碳氮共滲層。上述對(duì)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 ο—1 μ m 10 μ m數(shù)量級(jí)之間的碳氮共滲層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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，本發(fā)明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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)較大。當(dāng)其用于過濾時(shí)，就可以利用孔徑相對(duì)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。以上即為本發(fā)明所提供的金屬多孔材料的孔徑調(diào)節(jié)方法。除此以外，本發(fā)明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，本發(fā)明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。考慮一般過濾的需要，所述孔洞的平均孔徑為0. 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)印B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。本發(fā)明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1 30 μ m厚的滲碳層。本發(fā)明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MAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有0. 5 25 μ m厚的滲碳層。本發(fā)明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!^Al金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有1 50μπι厚的滲碳層。本發(fā)明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0. 5 20 μ m的滲氮層。本發(fā)明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MAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為0. 5 15 μ m的滲氮層。本發(fā)明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!^Al金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為1 25 μ m的滲氮層。本發(fā)明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0. 5 25 μ m的碳氮共滲層。本發(fā)明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MAl金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為0. 5 20 μ m的碳氮共滲層。本發(fā)明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!^Al金屬間化合物多孔材料，其孔表面設(shè)置有厚度為1 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，本發(fā)明的金屬多孔材料即形成類似于“非對(duì)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(duì)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(duì)較大。當(dāng)其用于過濾時(shí)，就可以利用孔徑相對(duì)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(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。本申請(qǐng)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(qǐng)的實(shí)踐了解到。


圖1為本發(fā)明金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)的平面示意圖。圖2為圖1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)記為孔洞1、滲層2。
具體實(shí)施例方式下面首先通過以下多組實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的孔徑調(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(duì)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1所示。表 權(quán)利要求
1.通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，其特征在于通過將碳、氮元素滲入材料的孔表面而使其平均孔徑縮小至一定范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，其特征在于通過將碳、氮元素滲入材料的孔表面而使其平均孔徑縮小至0. 05 100 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，其特征在于通過將碳、氮元素滲入材料的孔表面而使其平均孔徑縮小0. 1 100 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，其特征在于所述金屬多孔材料是指Al系金屬間化合物多孔材料。
5.如權(quán)利要求4所述的通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，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、NiAl金屬間化合物多孔材料、 ^ΑΙ金屬間化合物多孔材料中的一種。
6.如權(quán)利要求5所述的通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，其特征在于先將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1 16h，同時(shí)將爐內(nèi)碳勢和氮?jiǎng)菘刂圃?. 8 1. 0%，最后得到厚度為0. 5 25 μ m的碳氮共滲層。
7.如權(quán)利要求5所述的通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，其特征在于先將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?.0 1.2%，最后得到厚度為0.5 20 μ m的碳氮共滲層。
8.如權(quán)利要求5所述的通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，其特征在于先將!^Al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?.8 1.2%，最后得到厚度為1 35 μ m的碳氮共滲層。
9.如權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，其特征在于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碳氮共滲層厚度呈現(xiàn)前后的非對(duì)稱性。
10.金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，包括分布于材料表面的孔洞(1)，其特征在于所述孔洞(1)的孔表面設(shè)置有滲層0)，該滲層O)為碳氮共滲層。
11.如權(quán)利要求10所述的金屬多孔材料的孔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述孔洞(1)的平均孔徑為0. 05 100 μ m。
12.如權(quán)利要求10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。
13.如權(quán)利要求12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。
14.如權(quán)利要求13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0. 5 25 μ m的碳氮共滲層。
15.如權(quán)利要求13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0. 5 20 μ m的碳氮共滲層。
16.如權(quán)利要求13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1 35 μ m的碳氮共滲層。
17.如權(quán)利要求10至16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(1)方向從前向后逐漸減小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過碳氮共滲實(shí)現(xiàn)金屬多孔材料孔徑調(diào)節(jié)的方法，具體是通過將碳、氮元素滲入材料的孔表面而使其平均孔徑縮小至一定范圍內(nèi)。當(dāng)碳、氮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，本發(fā)明這種孔徑調(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。除此以外，本發(fā)明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，本發(fā)明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，該滲層為碳氮共滲層。
文檔編號(hào)C23C8/30GK102560331SQ20111044814
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)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, 賀躍輝, 高麟 申請(qǐng)人:成都易態(tài)科技有限公司