一種制備輕質(zhì)Nb-Ti-Al基多孔材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種制備輕質(zhì)Nb-Ti-Al基多孔材料的方法，屬于粉末冶金多孔材料【技術(shù)領(lǐng)域】。工藝流程為：首先將鈮粉、鈦粉、鋁粉及其它合金元素的元素粉末進(jìn)行高能球磨，得到機(jī)械合金化粉末。將Nb-Ti-Al基合金粉末和旋轉(zhuǎn)電極霧化鈮合金粉末通過(guò)球磨混合均勻，并在200～700MPa的壓力下成形，得到成形坯體。成形坯體經(jīng)過(guò)真空無(wú)壓燒結(jié)和熱處理后就得到Nb-Ti-Al基多孔材料。該發(fā)明利用Al元素的偏擴(kuò)散在基體中產(chǎn)生孔隙的Kirkendall效應(yīng)來(lái)造孔，并結(jié)合霧化合金粉末形成的燒結(jié)頸來(lái)提高多孔體的強(qiáng)度。制備工藝簡(jiǎn)單，孔隙結(jié)構(gòu)容易控制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種制備輕質(zhì)仙-了丨-八丨基多孔材料的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于粉末冶金多孔材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別提供了一種制備輕質(zhì)他-11-八1基多孔材料的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]鈮在難熔金屬中的密度最小，在鈮基體中添加I1、八1等強(qiáng)化元素后能夠進(jìn)一步降低鈮合金的密度，并保持了鈮基合金熔點(diǎn)高、高溫力學(xué)性能和焊接性能優(yōu)異等特點(diǎn)。他-11-八1基多孔材料是一種輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)-功能一體化材料，其使用溫度大于12001，比目前使用的鎳基合金多孔材料及I'認(rèn)1金屬間化合物多孔材料具有更高的使用溫度，在高溫條件下使用的催化劑載體、過(guò)濾器和熱交換器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。鈮合金多孔材料的制備方法主要有松散粉末燒結(jié)法、泡沫浸潰法等方法。松散粉末燒結(jié)法較難制備出高孔隙度、孔徑大小和分布均勻的多孔鈮。泡沫浸潰法以聚氨酯泡沫或其它多孔模板為載體，首先用鈮或鈮合金粉末漿料浸潰多孔模板，然后將含有粉末漿料的多孔模板進(jìn)行干燥、脫脂和燒結(jié)，得到多孔鈮合金材料。該方法制備的多孔鈮雖然孔隙度高，但是強(qiáng)度較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種制備輕質(zhì)他-11-八1基多孔材料的方法，旨在制備出具有較高強(qiáng)度、孔隙率和通孔率的輕質(zhì)鈮基合金。
[0004]本發(fā)明以機(jī)械合金化粉末和旋轉(zhuǎn)電極霧化預(yù)合金粉末為原料，采用真空無(wú)壓燒結(jié)工藝制備多孔他-11-八1基合金。機(jī)械合金化他-11-八1基合金粉末中，I1、八1元素在鈮基體中分布均勻，并固溶于鈮基體中形成過(guò)飽和固溶體。當(dāng)燒結(jié)溫度低于八1熔點(diǎn)時(shí)，八1與他、丁1及其它合金元素之間存在一定的固相擴(kuò)散。當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)八1熔點(diǎn)后，鋁液流動(dòng)鋪展并快速向他、II中擴(kuò)散，由于八1元素的本征擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于他和II的本征擴(kuò)散系數(shù)，八1向他、XI中的偏擴(kuò)散導(dǎo)致八1原位產(chǎn)生大量孔隙，孔隙的不斷積聚便產(chǎn)生孔洞。II和八1之間急劇的放熱反應(yīng)會(huì)造成體積膨脹。為了抑制和控制多孔體的膨脹，可在原料粉末中添加旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝制備的單一粒徑的球形他-!'1-^1基預(yù)合金粉末。預(yù)合金粉末在燒結(jié)過(guò)程中以形成燒結(jié)頸為主，不會(huì)發(fā)生八1元素的偏擴(kuò)散現(xiàn)象，也不會(huì)形成孔隙。混合粉末燒結(jié)后，粒徑較大的預(yù)合金粉末之間局部粘結(jié)并形成骨架，限制了機(jī)械合金化粉末在造孔過(guò)程中的過(guò)度膨脹，有效提高了多孔體的強(qiáng)度。在熱處理階段，I1、八1元素在他基體中進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡相成分均勻化。本發(fā)明依靠反應(yīng)物自身的組元來(lái)造孔，能夠制備出具有較高強(qiáng)度和較高孔隙度的多孔鈮基材料，多孔體中的孔隙相互連通，解決了多孔鈮合金的強(qiáng)度和孔隙率之間不能良好匹配的問(wèn)題。該發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，孔隙結(jié)構(gòu)容易控制。
[0005]一種制備輕質(zhì)他-11-八1基多孔材料的方法，具體工藝步驟有:
[0006]1、機(jī)械合金化粉末的制備:按照機(jī)械合金化粉末的成分配比進(jìn)行稱量，原料粉末為-300目鈮粉、-300目鈦粉、-200目鋁粉、-300目鉻粉、-500目鎢粉、-500目石墨粉末；在原料粉末中另外添加0.5?2被.％的硬脂酸后預(yù)混合均勻，然后在高純紅氣氛中通過(guò)高能球磨將各種合金元素均勻分散在鈮基體中，形成過(guò)飽和固溶體。球磨時(shí)球/料比為(15?20)/1,球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為350?500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為24?72小時(shí)，得到平均粒徑為3?40 III的機(jī)械合金化粉末。
[0007]所述的機(jī)械合金化粉末的成分為:(27?40被.% )11-(6?10被.% )^1-(2?
10界 1:.% )0-(1 ?6界 1:.% )1- (0.01 ?0.1 界 1:.% ) 0-余量他；
[0008]2、機(jī)械合金化粉末與霧化粉末的混合:將機(jī)械合金化粉末和旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末通過(guò)球磨混合均勻。旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末呈單一粒徑分布，粒徑為60?150 9%重量百分含量為30?65%。兩種粉末在200?300轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下混合3?10小時(shí)，得到混合粉末。
[0009]所述的旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末的成分為:(20?26被.% )11-(2?5被.% )^1-(2?
10界 1:.% )0-(1 ?6界 1:.% )1- (0.01 ?0.1 界 1:.% ) 0-余量他；
[0010]3、成形:在混合粉末中添加0.5?5被.％糊精或聚乙烯醇，在300?800即3的壓力下成形，得到壓坯；
[0011]4、真空無(wú)壓燒結(jié):將壓坯放在真空燒結(jié)爐中，抽真空。待真空度達(dá)到1X10—3?4X10^8后開(kāi)始升溫，以1?21 /111111的速率升溫到400?5501，保溫20?6001111，然后以0.2?0.500 /111111的速率升溫到7001，保溫60分鐘，接著以101 /111111的速率升溫到1500?18201，保溫2?3小時(shí)，得到多孔燒結(jié)坯。
[0012]5、熱處理:多孔燒結(jié)坯在1200?1600【進(jìn)行均勻化處理，保溫時(shí)間為2?6小時(shí)，得到輕質(zhì)他-11-八1基多孔材料。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:利用他-11-八1基合金中八1元素的偏擴(kuò)散在基體中產(chǎn)生孔隙的效應(yīng)來(lái)造孔，通過(guò)控制燒結(jié)升溫速率和預(yù)熱溫度來(lái)控制八1、11元素之間反應(yīng)合成過(guò)程中的放熱反應(yīng)來(lái)形成多孔結(jié)構(gòu)，并結(jié)合霧化合金粉末形成的燒結(jié)頸來(lái)提高多孔材料的強(qiáng)度。可以通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械合金化參數(shù)，升溫速率，霧化合金粉末的粒徑和含量、以及燒結(jié)溫度來(lái)控制孔隙率、孔徑大小和孔隙分布狀態(tài)。該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、操作靈活方便。所制備的輕質(zhì)鈮合金多孔材料的孔隙度為20?50%，孔隙尺寸為20?500 ^ 0，壓縮強(qiáng)度為60?300腿^之間。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
[0015]圖2為輕質(zhì)多孔鈮基合金的顯微組織。

【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1:孔隙度為25%的輕質(zhì)他-1141基多孔材料的制備
[0017]以-300目鈮粉、-300目鈦粉、-200目鋁粉、-300目鉻粉、-500目鎢粉、-500目石墨粉末為原料，按照機(jī)械合金化粉末的成分配比進(jìn)行稱量。機(jī)械合金化粉末的成分為:27扎% 丁1-6扎%八1-2扎% 0-1被.% 1-0.02扎% 0余量他。在原料粉末中另外添加0.5被.％的硬脂酸后預(yù)混合均勻，然后在高純紅氣氛中通過(guò)高能球磨將各種合金元素均勻分散在鈮基體中，形成過(guò)飽和固溶體。球/料比為15/1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為36小時(shí)，得到平均粒徑為18 9 III的機(jī)械合金化粉末。將機(jī)械合金化粉末和旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末通過(guò)球磨混合均勻。旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末的成分為20被.% 11-2被.%八1-2被.%0-1被.% 1-0.02被.% 0-余量他。旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末呈單一粒徑分布，粒徑為65 ^ III，重量百分含量為30%。兩種粉末在200轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下混合7小時(shí)，得到混合粉末。在混合粉末中添加0.5被.％聚乙烯醇，在300即3的壓力下成形，得到壓坯；將壓坯放在真空燒結(jié)爐中，抽真空。待真空度達(dá)到2父10—4？3后開(kāi)始升溫，以/111111的速率升溫到5501，保溫60分鐘，然后以0.500 /111111的速率升溫到7001，保溫60分鐘，接著以101 /111111的速率升溫到18151，保溫2小時(shí)，得到多孔燒結(jié)坯。多孔燒結(jié)坯在16001進(jìn)行均勻化處理，保溫時(shí)間為2小時(shí)，得到輕質(zhì)他-!'141基多孔材料。多孔材料的孔隙度為25%，平均孔隙尺寸為76 9 III，壓縮強(qiáng)度為286肥3。
[0018]實(shí)施例2:孔隙度為29%的輕質(zhì)他-1141基多孔材料的制備
[0019]以-300目鈮粉、-300目鈦粉、-200目鋁粉、-300目鉻粉、-500目鎢粉、-500目石墨粉末為原料，按照機(jī)械合金化粉末的成分配比進(jìn)行稱量。機(jī)械合金化粉末的成分為:28界1:.% % 41-4界七% 0-5界七% )1-0.03界1:.% 0余量他。在原料粉末中另外添加1被.％的硬脂酸后預(yù)混合均勻，然后在高純紅氣氛中通過(guò)高能球磨將各種合金元素均勻分散在鈮基體中，形成過(guò)飽和固溶體。球/料比為17/1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為24小時(shí)，得到平均粒徑為32 9 III的機(jī)械合金化粉末。將機(jī)械合金化粉末和旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末通過(guò):22界1:.% 11-3界1:.%% 0-5界七% 1-0.03界1:.% 0余量他。旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末呈單一粒徑分布，粒徑為74 9 %重量百分含量為65%。兩種粉末在250轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下混合6小時(shí)，得到混合粉末。在混合粉末中添加1.5被.％聚乙烯醇，在400即3的壓力下成形，得到壓坯；將壓坯放在真空燒結(jié)爐中，抽真空。待真空度達(dá)到2X10—4？3后開(kāi)始升溫，以/111111的速率升溫到5001，保溫40分鐘，然后以0.400加化的速率升溫到7001，保溫60分鐘，接著以101 /111111的速率升溫到17001，保溫2小時(shí)，得到多孔燒結(jié)坯。多孔燒結(jié)坯在15001進(jìn)行均勻化處理，保溫時(shí)間為6小時(shí)，得到輕質(zhì)他-！'141基多孔材料。多孔材料的孔隙度為29%，平均孔隙尺寸為1210%壓縮強(qiáng)度為2511？3。
[0020]實(shí)施例3:孔隙度為32%的輕質(zhì)他-!'141基多孔材料的制備
[0021]以-300目鈮粉、-300目鈦粉、-200目鋁粉、-300目鉻粉、-500目鎢粉、-500目石墨粉末為原料，按照機(jī)械合金化粉末的成分配比進(jìn)行稱量。機(jī)械合金化粉末的成分為:30界1:.% 丁1-8界七%八1-6界七% 0-3界七% )1-0.05界1:.% 0余量他。在原料粉末中另外添加1.5被.％的硬脂酸后預(yù)混合均勻，然后在高純紅氣氛中通過(guò)高能球磨將各種合金元素均勻分散在鈮基體中，形成過(guò)飽和固溶體。球/料比為19/1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為48小時(shí)，得到平均粒徑為27 9 0的機(jī)械合金化粉末。將機(jī)械合金化粉末和旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末通過(guò)球磨混合均勻。旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末的成分為:24界七%%八1-6被.%0-3被.% )1-0.05被.% 0-余量他。旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末呈單一粒徑分布，粒徑為102 4爪，重量百分含量為42%。兩種粉末在300轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下混合8小時(shí)，得到混合粉末。在混合粉末中添加2.5被.％糊精，在6001？3的壓力下成形，得到壓坯；將壓坯放在真空燒結(jié)爐中，抽真空。待真空度達(dá)到2 X 10—4？3后開(kāi)始升溫，以2。。/111111的速率升溫到4501，保溫30分鐘，然后以0.300 /111111的速率升溫到7001，保溫60分鐘，接著以101 /111111的速率升溫到16201，保溫2.5小時(shí)，得到多孔燒結(jié)坯。多孔燒結(jié)坯在14001進(jìn)行均勻化處理，保溫時(shí)間為4小時(shí)，得到輕質(zhì)他-!'141基多孔材料。多孔材料的孔隙度為32%，平均孔隙尺寸為278 9 III，壓縮強(qiáng)度為167肥3。
[0022]實(shí)施例4:孔隙度為43%的輕質(zhì)他-1141基多孔材料的制備
[0023]以-300目鈮粉、-300目鈦粉、-200目鋁粉、-300目鉻粉、-500目鎢粉、-500目石墨粉末為原料，按照機(jī)械合金化粉末的成分配比進(jìn)行稱量。機(jī)械合金化粉末的成分為:36扎% 丁1-10被.%八1-10界1:.% 0-1被.% 1-0.08扎% 0余量他。在原料粉末中另外添加2被.％的硬脂酸后預(yù)混合均勻，然后在高純紅氣氛中通過(guò)高能球磨將各種合金元素均勻分散在鈮基體中，形成過(guò)飽和固溶體。球/料比為20/1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為72小時(shí)，得到平均粒徑為409 0的機(jī)械合金化粉末。將機(jī)械合金化粉末和旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末通過(guò)球磨混合均勻。旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末的成分為:26被.% 71-5被.%%0-1被.% 1-0.08被.% 0-余量他。旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末呈單一粒徑分布，粒徑為136 4爪，重量百分含量為50%。兩種粉末在200轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下混合10小時(shí)，得到混合粉末。在混合粉末中添加5被.％糊精，在8001？3的壓力下成形，得到壓坯；將壓坯放在真空燒結(jié)爐中，抽真空。待真空度達(dá)到2 X 10—4？3后開(kāi)始升溫，以1.500加化的速率升溫到4001，保溫20分鐘，然后以0.2。。/111111的速率升溫到7001，保溫60分鐘，接著以101 /111111的速率升溫到15201，保溫3小時(shí)，得到多孔燒結(jié)坯。多孔燒結(jié)坯在12001進(jìn)行均勻化處理，保溫時(shí)間為3小時(shí)，得到輕質(zhì)他-！'141基多孔材料。多孔材料的孔隙度為43%，平均孔隙尺寸為321 9 III，壓縮強(qiáng)度為65肥3。
【權(quán)利要求】
1.一種制備輕質(zhì)Nb-T1-Al基多孔材料的方法，其特征在于: 步驟一、按照機(jī)械合金化粉末的成分配比進(jìn)行稱量，原料粉末為-300目鈮粉、-300目鈦粉、-200目鋁粉、-300目鉻粉、-500目鎢粉、-500目石墨粉末；在原料粉末中另外添加0.5?2wt.%的硬脂酸后預(yù)混合均勻，然后在高純Ar氣氛中通過(guò)高能球磨將各種合金元素均勻分散在鈮基體中，形成過(guò)飽和固溶體；球磨時(shí)球/料比為(15?20)/1，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為350?500轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為24?72小時(shí)，得到平均粒徑為3?40 μ m的機(jī)械合金化粉末； 步驟二、機(jī)械合金化粉末與霧化粉末的混合:將機(jī)械合金化粉末和旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末通過(guò)球磨混合均勻；旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末呈單一粒徑分布，粒徑為60?150 μ m，重量百分含量為30?65% ;兩種粉末在200?300轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下混合3?10小時(shí)，得到混合粉末； 步驟三、在混合粉末中添加0.5?5wt.%糊精或聚乙烯醇，在300?800MPa的壓力下成形，得到壓坯； 步驟四、將壓坯放在真空燒結(jié)爐中，抽真空。待真空度達(dá)到1X10_3?4X10_4Pa后開(kāi)始升溫，以I?2°C /min的速率升溫到400?550°C，保溫20-60分鐘，然后以0.2?0.5°C /min的速率升溫到700°C，保溫60分鐘，接著以10°C /min的速率升溫到1500-1820°C，保溫2-3小時(shí)，得到多孔燒結(jié)坯； 步驟五、多孔燒結(jié)坯在1200?1600°C進(jìn)行均勻化處理，保溫時(shí)間為2?6小時(shí)，得到輕質(zhì)Nb-T1-Al基多孔材料。
2.如權(quán)利要求1所述一種制備細(xì)粒徑及片狀氧化鋁粉末的方法，其特征在于:步驟一所述的機(jī)械合金化粉末的成分為:(27?40wt.% )T1-(6?1wt.% )A1_(2?1wt.% )Cr-(I ?6wt.% )ff-(0.01 ?0.lwt.% ) C-余量 Nb。
3.如權(quán)利要求1所述一種制備細(xì)粒徑及片狀氧化鋁粉末的方法，其特征在于:步驟二所述的旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末的成分為:(20?26wt.% )T1-(2?5wt.% )A1_(2?1wt.% )Cr-(I ?6wt.% )ff-(0.01 ?0.lwt.% ) C-余量 Nb。
4.如權(quán)利要求1所述一種制備細(xì)粒徑及片狀氧化鋁粉末的方法，其特征在于:所制備的輕質(zhì)Nb-T1-Al基多孔材料的孔隙度為30-50%，孔隙尺寸為20-500 μ m，壓縮強(qiáng)度為60-300MPa 之間。
【文檔編號(hào)】C22C1/08GK104404288SQ201410677820
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月23日
【發(fā)明者】章林, 李兵兵, 李啟軍, 曲選輝, 秦明禮, 何新波 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)