多孔金属间化合物的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属材料领域，具体的，本发明涉及金属间化合物，更具体的，本发明涉及一种制备多孔金属间化合物的方法以及一种多孔金属间化合物。
【背景技术】
[0002]目前，在粉末冶金领域主要采用金属粉末烧结法和自蔓延高温合成法等来制备多孔金属材料。中国专利(201310555757.2)将Ti元素粉和Al元素粉混合，在800MPa下冷压制坯，然后在真空度5 X 10—3Pa、温度620°C下烧结4h得到一种闭孔隙TiAl基多孔绝热材料。这种方法虽然工艺简单，能够制备出较高孔隙率的多孔金属材料，但难以实现近净成形，需后续加工处理，在后续的加工中往往容易破坏多孔结构。
[0003]TiAl合金作为一种典型的金属间化合物，具有低密度、高熔点、良好的高温力学性能、高温抗氧化性(800°C?1000°C )以及耐腐蚀性等，被认为是一种新型的高温材料而受到广泛的关注。中国专利(申请号:201310099463.3)将Ti元素粉末和Al元素粉末混合、压制预成型坯，然后在压力为100MPa?1200MPa、温度为500°C下对预成型坯进行模锻成型，在1100°C?1250°C下进行烧结，最后通过高温复压矫形得到TiAl金属间化合物的零件。如果将TiAl金属间化合物制备成为多孔材料，将能够适用于苛刻的服役条件，可以作为高温或是腐蚀条件下的过滤、吸附材料或是催化剂载体，从而扩展多孔金属材料的应用范围。
[0004]金属粉末注射成型(ΜΠΟ是将塑料注射成型技术引入到粉末冶金领域而形成的一种新型近净成形技术。M頂技术结合了粉末冶金与塑料注射成形两大技术的优点，既突破了传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制，同时能够用于大批量、高效率成形具有复杂形状的零件，具有常规粉末冶金、精密加工和精密铸造等加工方法无法比拟的优势。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少解决上述问题至少之一或者提供至少一种可选择的商业手段。
[0006]以下发现及设想，是发明人作出本发明的基础:
[0007]如果能使用MM方法来制备多孔金属材料，确定工艺的步骤、调整参数条件等，可能可以实现复杂零部件的低成本连续生产，为金属多孔材料的应用领域开辟一条新途径。拟通过粉末注射成型的工艺，制备出不同孔隙率和孔径的多孔金属间化合物。
[0008]依据本发明的一方面，本发明提供一种多孔金属间化合物的制备方法，该方法包括:(I)将Xl元素粉末与X2元素粉末以摩尔比1:3-3:1混合均匀，得到混合粉末；(2)将(I)中的混合粉末与粘结剂进行混炼，所述混合粉末的体积百分比为50-70%，其中包括，将(I)中的混合粉末与粘结剂的部分组成成分进行第一混炼，获得第一混炼产物，将所述粘结剂的其它组成成分加至所述第一混炼产物进行第二混炼，获得混炼产物；(3)将(2)中的混炼产物注射成型，获得生坯；(4)对(3)中的生坯进行脱脂，获得脱脂产物；(5)将(4)中的脱脂产物进行烧结，其中包括，以1-2摄氏度/min的升温速度升至500-650摄氏度进行第一烧结，获得第一烧结产物，在真空条件下，以5-10摄氏度/min的升温速度升至1000-1400摄氏度进行第二烧结，获得所述多孔金属间化合物。
[0009]上述本发明这一方面的方法，其步骤、条件以及比例是发明人通过大量试验优化确定下来的，发明人通过控制金属粉末之间的比例、金属粉末和粘结剂的比例、混合粉末的装载量、混炼工艺以及烧结工艺来实现金属间化合物的孔结构的控制，包括孔隙、孔隙结构和孔径的控制，使能够获得具有多孔结构、孔隙率大、三维连通佳以及良好力学性能的金属间化合物。并且，利用本发明的这一方面的方法可以很容易的就能实现多孔金属间化合物产品的近净成形，方便得到各种复杂形状要求的零部件。
[0010]根据本发明的实施例，本发明的这一方面的方法还可以具有以下附加技术特征至少之一:
[0011 ]本发明的这一方法特别适用于烧结过程中存在Kirkendal I效应的合金体系，如制备T1-Al、Fe-Al、N1-Al、N1-Ti等多孔金属间化合物。根据本发明的实施例，由所述Xl元素粉末和所述X2元素粉末组成不相同的金属粉末，可以是T1-Al、Fe-Al、N1-Al、N1-Ti等合金体系中的任意一种。
[0012]根据本发明的一个实施例，Xl元素粉末和X2元素粉末分别为Ti粉和Al粉。本发明的实施例对单质金属粉末的来源和类型不受限制，例如单质钛粉可来自球形钛粉、氢化脱氢钛粉或者二者的混合粉末。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述粘结剂为P0M-(10?30wt%) (PE-EVA-PW-SA)，表示该粘结剂由P0M、PE、EVA、PW和SA组成，PE、EVA、PW和SA占的重量比为10-30%，即该粘结剂中POM占的重量比为70-90%。其中各英文缩写，在本领域中都是常见的表示方式，例如POM指聚甲醛、PE指聚乙烯、EVA指乙烯-乙酸乙烯共聚物、PW指石蜡、SA指硬脂酸。该粘结剂的组成以及比例是发明人多次试验确定的，利于多孔金属间化合物的制备。当粘结剂为P0M-(10~30wt% )(PE-EVA-Pff-SA)，发明人进一步确定步骤(2)具体包括:在密炼机中，将(I)中的混合粉末与Ρ0Μ、ΡΕ以及EVA于180-190摄氏度下进行所述第一混炼，直至混合粉末与粘结剂均匀混合，获得所述第一混炼产物，将PW和SA加至所述第一混炼产物中进行所述第二混炼，所述第二混炼的温度为180-190摄氏度，任选的所述第二混炼的时间为3-8min，获得所述混炼产物。所称的混炼，指通过机械作用使原料与各种配合剂均匀混合的过程，本质来说是配合剂在金属粉末中均匀分散的过程。进行第一混炼的时间，本领域技术人员可以依据X1、X2元素粉末的类型、各自的量以及与P0M、PE、EVA的量和混合程度来控制，所称的“均匀混合”，本领域技术人员可以通过目测大致判断;根据本发明的一个实施例，Xl和X2分别为Ti和Al，比例为52:48，进行第一混炼的时间为30min能达到混合均匀。该步骤中的将粘结剂组分先后与混合粉末混炼、各混炼的时间、温度，是发明人结合粘结剂的组成、比例、以及与混合粉末的比例，多次试验调整确定下来的，利于高效地制备孔径大小均一、空隙率高的多孔金属间化合物。
[0014]根据本发明的一个实施例，进行步骤(3)之前，将步骤(2)中的混炼产物进行造粒，获得颗粒状喂料。利用造粒机将步骤(2)中的混炼产物挤成颗粒，获得均匀密实的颗粒状喂料，利于后续注射成型。
[0015]根据本发明的一个实施例，当粘结剂为P0M-( 10?30wt % ) (PE-EVA-PW-SA)时，步骤(3)中，所述注射的温度为180-200摄氏度，注射所用模具的温度为90-100摄氏度。注射模具可以根据样品的需求来选择，注射后得到生坯。该注射成型条件是发明人结合粘结剂的组成比例、以及与混合粉末的比例，多次试验调整确定下来的，利于高效地制备孔径大小均一、空隙率高的多孔金属间化合物。
[0016]根据本发明的一个实施例，当粘结剂为P0M-( 10?30wt% ) (PE-EVA-PW-SA)时，步骤(4)中，所述脱脂在催化脱脂炉中进行，所述脱脂利用气态硝酸进行。脱脂以去除大部分的该粘结剂。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述粘结剂为PW_45wt %PE_3wt % SA，表示该粘结剂由PW、PE和SA组成，PE占的重量比为45%，SA占的重量比为3%，剩余的为PW。该粘结剂的组成以及比例是发明人多次试验确定的，利于多孔金属间化合物的制备。当粘结剂为PW-45wt %PE-3wt % SA时，发明人进一步确定步骤(2)具体包括:在密炼机中，将步骤(I)中的混合粉末与PW以及PE于140-150摄氏度下进行所述第一混炼，直至混合粉末与粘结剂均匀混合，以获得所述第一混炼产物，接着将SA加至所述第一混炼产物中进行所述第二混炼，所述第二混炼的温度为140-150摄氏度，任选的所述第二混炼的时间为3-8min，较佳的为5min，以获得所述混炼产物。该步骤中的将粘结剂组分先后与混合粉末混炼、各组成混炼的时间、温度，是发明人结合粘结剂的组成、比例、以及与混合粉末的比例，多次试验调整确定下来的，利于高效地制备孔径大小均一、空隙率高的多孔金属间化合物。
[0018]根据本发明的一个实施例，进行步骤(3)之前，将步骤(2)中的混炼产物进行造粒，获得颗粒状喂料。利用造粒机将步骤(2)中的混炼产物挤成颗粒，获得均匀密实的颗粒状喂料，利于后续注射成型。
[0019]根据本发明的一个实施例，当粘结剂为PW-45wt %PE-3wt % SA时，步骤(3)中，所述注射的温度为140-160摄氏度，注射所用模具的温度为80-90摄氏度。该注射成型条件是发明人结合所用粘结剂的组成比例、以及与混合粉末的比例，多次试验调整确定下来的，利于高效地制备孔径大小均一、空隙率高的多孔金属间化合物。
[0020]根据本发明的一个实施例，当粘结剂为PW-45wt%PE-3wt%SA时，步骤⑷中，所述脱脂利用加热的溶剂进行。根据本发明的一个较佳实施例，所述溶剂为正己烷。采用溶剂脱脂的方法，将生坯浸入到正己烷中并加热到40°C进行萃取，从生坯中脱除大部分的粘结剂。
[0021]根据本发明的一个实施例，步骤(5)中，所述第一烧结在氩气中进行。在氩气的保护下进行烧结，能够减小样品的氧化，并将可能挥发的残余粘结剂去除。
[0022]依据本发明的另一方面，提供一种多孔金属间化合物，其利用上述本发明一方面或者任一实施例中的方法制备获得。
[0023]利用上述本发明一方面或者任一实施例的方法制备的多孔金属间化合物，特别是制备烧结过程中存在Kirkendall效应的合金体系，如制备T1-Al ,Fe-Al、Ni_Al、Ni_Ti等多孔金属间化合物，具有多孔结构、孔隙率大、三维连通佳以及良好的力学性能。并且，获得的多孔金属间化合物近净成形，不需后续加工或者需要的后续加工少。
[0024]依据本发明的又一方面，提供上述多孔金属间化合物在废水处理和/或汽车尾气净化中的用途。利用本发明方法制备得的金属间化合物，特别适合于在强腐蚀性、强氧化性等苛刻环境下的应用。
【附图说明】
[0025]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0026]图1显示本发明的一个实施例中的注射成型制备TiAl金属间化合物的工艺流程。
[0027]图2显示本发明的一个实施例中的分阶段烧结的工艺流程。
[0028]图3显示本发明的一个实施例中的T1-48A1样品断口的电镜扫描下的微观孔隙结构。
【具体实施方式】
[0029]下面【具体实施方