专利名称：含碳氮共渗层的金属多孔材料的孔结构的制作方法
技术领域：
本申请涉及对金属多孔材料的化学热处理技术。其中首次提出了以化学热处理来调节金属多孔材料的孔径，从而既保证过滤精度，并可附带改善金属多孔材料的表面性能；此外，本申请还涉及经过化学热处理后的金属多孔材料的孔结构。
背景技术：
化学热处理是指将金属工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的种类繁多，最常见的是渗碳、渗氮以及碳氮共渗。化学热处理的目的一般是提高工件的表面耐磨性、抗疲劳强度以及抗蚀性与抗高温氧化性。“TiAl基合金的表面渗碳行为及其机理，江垚、贺跃辉等，材料研究学报，第19卷第2期，2005年4月”一文探讨了通过渗碳改善TiAl基合金的高 温抗氧化性的问题；另外，“TiAl基合金的表面渗碳处理方法，徐强等，热处理技术与装备，第29卷第5期，2008年10月”也提到了类似观点。目前，化学热处理工艺主要应用于改善较致密金属材料的表面性能，但尚未见到在金属多孔材料上的应用。另一方面，基于金属多孔材料具有渗透性的特点，人们已经开发出了多种以金属多孔材料制成的过滤元件。常见的金属多孔材料有不锈钢、铜及铜合金、镍及镍合金、钛及钛合金等；这类金属多孔材料的可加工性能较好，但抗腐蚀性较差。还有一类金属多孔材料为Al系金属间化合物多孔材料，其主要包括TiAl金属间化合物多孔材料、NiAl金属间化合物多孔材料、FeAl金属间化合物多孔材料；这类金属多孔材料既有可加工性能好的优点，同时又兼具很好的抗腐蚀性。无论是常见的金属多孔材料还是Al系金属间化合物多孔材料，它们都是通过粉末冶金法制造出来的，在其制造过程中，很多因素都会影响金属多孔材料最终的孔径大小，例如，所选用粉末的平均粒度、粒度分布、颗粒形状以及烧结温度等等。总之，目前来讲，当本领域技术人员为适应不同的过滤要求而去调节金属多孔材料的孔径时，往往只会从粉末冶金工艺的角度来寻找调整的办法，由于对粉末冶金工艺的调整容易改变材料的力学性能，因此通常需要经过大量的试制才能确定出可行的方案；并且可调控的孔径尺寸大小范围有限。
实用新型内容本申请旨在提供一种通过化学热处理实现孔径调节的金属多孔材料的孔径调节方法。为此，本申请的金属多孔材料的孔径调节方法具体是通过将至少一种元素渗入材料的孔而使其平均孔径缩小至一定范围内。当元素渗入金属多孔材料的孔表面后，引起金属多孔材料的孔洞表层发生晶格畸变膨胀，或在孔内表层形成新相层，从而使金属多孔材料上的原有孔洞缩小，以达到调节孔径的目的。因此，本申请这种孔径调节方法比现有孔径调节方法更加方便，且可控性更好；并且，由于本申请仅仅是对材料表面进行的处理，因此不会显著损伤材料力学性能。[0007]考虑一般过滤的需要，本申请的优选方案是通过将至少一种元素渗入材料的孔表面而使其平均孔径缩小至0. 05 100 u m。材料平均孔径缩小的量与具体的化学热处理工艺有关。若材料平均孔径缩小量很小，则会降低本申请在孔径调节方面的实际作用；而若材料平均孔径缩小量很大，则可能将金属多孔材料上的原有孔洞封闭，导致过滤通量急剧下降。因此，本申请优选的方案是通过将至少一种元素渗入材料的孔表面而使其平均孔径缩小0. I 100 i! m。进一步的，所述金属多孔材料是指Al系金属间化合物多孔材料。作为优选，所述Al系金属间化合物多孔材料是指TiAl金属间化合物多孔材料、NiAl金属间化合物多孔材料、FeAl金属间化合物多孔材料中的一种。作为优选，所述被渗入元素是指碳、氮、硼、硫、硅、铝、铬中的一种或几种。本申请对TiAl金属间化合物多孔材料进行渗碳的具体工艺为先将TiAl金属间化合物多孔材料置于渗碳的活性气氛中，然后在800 1200°C下保温I 12h，同时将炉内碳势控制在0. 8 I. 0%,最后得到厚度为I 30 ii m的渗碳层。本申请对NiAl金属间化合物多孔材料进行渗碳的具体工艺为先将NiAl金属间化合物多孔材料置于渗碳的活性气氛中，然后在800 1200°C下保温2 10h，同时将炉内碳势控制在I. 0 I. 2%，最后得到厚度为0. 5 25ii m的渗碳层。本申请对FeAl金属间化合物多孔材料进行渗碳的具体工艺为先将FeAl金属间化合物多孔材料置于渗碳的活性气氛中，然后在800 1200°C下保温I 9h，同时将炉内碳势控制在0. 8 I. 2%,最后得到厚度为I 50iim的渗碳层。上述对TiAl金属间化合物多孔材料、NiAl金属间化合物多孔材料、FeAl金属间化合物多孔材料的渗碳工艺能够得到厚度在KT1 y m 10 y m数量级之间的渗碳层，从而实现对渗碳层厚度的精确控制。并且，将渗碳层厚度维持在此范围能够明显改善材料的高温抗抗氧化性和抗腐蚀性。本申请对TiAl金属间化合物多孔材料进行渗氮的具体工艺为先将TiAl金属间化合物多孔材料置于渗氮的活性气氛中，然后在800 1000°C下保温4 20h，同时将炉内氮势控制在0. 8 I. 0%，最后得到厚度为0. 5 20 ii m的渗氮层。本申请对NiAl金属间化合物多孔材料进行渗氮的具体工艺为先将NiAl金属间化合物多孔材料置于渗氮的活性气氛中，然后在700 900°C下保温2 26h，同时将炉内碳势控制在I. 0 I. 2%,最后得到厚度为0. 5 15ii m的渗氮层。本申请对FeAl金属间化合物多孔材料进行渗氮的具体工艺为先将FeAl金属间化合物多孔材料置于渗氮的活性气氛中，然后在550 750°C下保温2 18h，同时将炉内碳势控制在0. 8 I. 2%,最后得到厚度为I 25 ii m的渗氮层。上述对TiAl金属间化合物多孔材料、NiAl金属间化合物多孔材料、FeAl金属间化合物多孔材料的渗氮工艺能够得到厚度在KT1 y m 10 y m数量级之间的渗氮层，从而实现对渗氮层厚度的精确控制。并且，将渗氮层厚度维持在此范围能够明显改善材料的防腐蚀性。本申请对TiAl金属间化合物多孔材料进行碳氮共渗的具体工艺为先将TiAl金属间化合物多孔材料置于碳氮共渗的活性气氛中，然后在800 1000°C下保温I 16h，同时将炉内碳势和氮势控制在0. 8 I. 0%,最后得到厚度为0. 5 25 ii m的碳氮共渗层。[0020]本申请对NiAl金属间化合物多孔材料进行碳氮共渗的具体工艺为先将NiAl金属间化合物多孔材料置于碳氮共渗的活性气氛中，然后在750 950°C下保温2 18h，同时将炉内碳势和氮势控制在I. 0 I. 2%,最后得到厚度为0. 5 20iim的碳氮共渗层。本申请对FeAl金属间化合物多孔材料进行碳氮共渗的具体工艺为先将FeAl金属间化合物多孔材料置于碳氮共渗的活性气氛中，然后在700 900°C下保温2 10h，同时将炉内碳势和氮势控制在0. 8 I. 2%,最后得到厚度为I 35iim的碳氮共渗层。上述对TiAl金属间化合物多孔材料、NiAl金属间化合物多孔材料、FeAl金属间化合物多孔材料的碳氮共渗工艺能够得到厚度在10—1 y m 10 y m数量级之间的碳氮共渗层，从而实现对碳氮共渗层厚度的精确控制。并且，将碳氮共渗层厚度维持在此范围能够明显改善材料的防腐蚀性和高温抗氧化性。 进一步的，本申请可通过在金属多孔材料的局部进行防渗处理以使最终形成渗层厚度呈现前后的非对称性。其中的术语“前后”以渗层所在的孔洞的前后来定义；而术语“非对称性”应理解为渗层的厚度沿孔洞方向从前向后逐渐减小。由此，经化学热处理后的金属多孔材料即形成类似于“非对称膜”的结构形态，金属多孔材料的一侧表面上的孔洞因渗层厚度较厚而孔径相对较小，而另一侧表面上的孔洞因渗层厚度较薄而孔径相对较大。当其用于过滤时，就可以利用孔径相对较小一侧来实现待过滤介质的分离，从而既可提高金属多孔材料的渗透能力，并且还能够提高反洗效果。以上即为本申请所提供的金属多孔材料的孔径调节方法。除此以外，本申请还要提供一种金属多孔材料的孔结构，该孔结构能够使金属多孔材料达到要求的孔径大小。为此，本申请的金属多孔材料的孔结构包括分布于材料表面的孔洞，所述孔洞的孔表面设置有渗层。由于金属多孔材料的孔表面设置有渗层，该渗层在形成过程中，金属多孔材料的孔洞表层发生晶格畸变膨胀，或在孔内表层形成新相层，从而使金属多孔材料上的原有孔洞缩小，以达到调节孔径的目的。考虑一般过滤的需要，所述孔洞的平均孔径为0. 05 100 U m。进一步的，所述金属多孔材料是指Al系金属间化合物多孔材料。作为优选，所述Al系金属间化合物多孔材料是指TiAl金属间化合物多孔材料、NiAl金属间化合物多孔材料、FeAl金属间化合物多孔材料中的一种。作为优选，所述渗层为渗碳层、渗氮层、渗硼层、渗硫层、渗硅层、渗铝层、渗铬层中的一种，或是上述这些元素中的其中几种元素的共渗层，比如碳氮共渗层。本申请具体提供的第一种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为TiAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有I 30i!m厚的渗碳层。本申请具体提供的第二种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为NiAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有0. 5 25 y m厚的渗碳层。本申请具体提供的第三种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为FeAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有I 50i!m厚的渗碳层。本申请具体提供的第四种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为TiAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为0. 5 20 y m的渗氮层。本申请具体提供的第五种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为NiAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为0. 5 15 y m的渗氮层。[0034]本申请具体提供的第六种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为FeAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为I 25 y m的渗氮层。本申请具体提供的第七种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为TiAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为0. 5 25 y m的碳氮共渗层。本申请具体提供的第八种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为NiAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为0. 5 20 y m的碳氮共渗层。本申请具体提供的第九种金属多孔材料的孔结构为该金属多孔材料为FeAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为I 35 y m的碳氮共渗层。进一步的，所述渗层的厚度沿孔洞方向从前向后逐渐减小。由此，本申请的金属多孔材料即形成类似于“非对称膜”的结构形态，金属多孔材料的一侧表面上的孔洞因渗层厚度较厚而孔径相对较小，而另一侧表面上的孔洞因渗层厚度较薄而孔径相对较大。当其用于过滤时，就可以利用孔径相对较小一侧来实现待过滤介质的分离，从而既可提高金属多孔材料的渗透能力，并且还能够提高反洗效果。下面将结合附图和具体实施方式
对本申请做进一步的说明。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
图I为本申请金属多孔材料的孔结构的平面示意图。图2为图I中A-A向剖视图。图3为分别将TiAl和NiAl材料在不同温度下渗碳6小时后的平均孔径变化曲线。图4为将TiAl材料在900°C下保温不同时间所得平均孔径变化曲线。图5为将NiAl材料在940°C下保温不同时间所得平均孔径变化曲线。图6为渗氮后的TiAl材料与未渗氮的TiAl材料的耐腐蚀动力学曲线。图中标记为孔洞I、渗层2。
具体实施方式
下面首先通过以下多组实施例对本申请的孔径调节方法做进一步的说明。一、第一组实施例第一组实施例针对钛多孔材料分别进行渗碳、渗氮、碳氮共渗处理。在进行渗碳、渗氮和碳氮共渗处理前，该材料的初始平均孔径为20 u m,初始孔隙度为30%。该组实施例的具体工艺参数以及化学热处理后的平均孔径和孔隙度如表I所示。表I权利要求1.含碳氮共渗层的金属多孔材料的孔结构，包括分布于材料表面的孔洞(1)，其特征在于所述孔洞(I)的孔表面设置有渗层(2)，该渗层(2)为碳氮共渗层。
2.如权利要求I所述的金属多孔材料的孔结构，其特征在于所述孔洞(I)的平均孔径 为 0. 05 100 u m。
3.如权利要求I所述的金属多孔材料的孔结构，其特征在于所述金属多孔材料为Al 金属间化合物多孔材料。
4.如权利要求3所述的金属多孔材料的孔结构，其特征在于所述Al系金属间化合物多孔材料是指TiAl金属间化合物多孔材料、FeAl金属间化合物多孔材料、NiAl金属间化合物多孔材料中的一种。
5.如权利要求4所述的金属多孔材料的孔结构，其特征在于该金属多孔材料为TiAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为0. 5 25 y m的碳氮共渗层。·
6.如权利要求4所述的金属多孔材料的孔结构，其特征在于该金属多孔材料为NiAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为0. 5 20 y m的碳氮共渗层。
7.如权利要求4所述的金属多孔材料的孔结构，其特征在于该金属多孔材料为FeAl金属间化合物多孔材料，其孔表面设置有厚度为I 35 的碳氮共渗层。
8.如权利要求I至7中任意一项权利要求所述的金属多孔材料的孔结构，所述渗层(2)的厚度沿孔洞(I)方向从前向后逐渐减小。
专利摘要本实用新型公开了一种含碳氮共渗层的金属多孔材料的孔结构，该孔结构能够使金属多孔材料达到要求的孔径大小。本实用新型的孔结构包括分布于材料表面的孔洞，所述孔洞的孔表面设置有渗层，该渗层为碳氮共渗层。由于金属多孔材料的孔表面设置有碳氮共渗层，该碳氮共渗层在形成过程中，金属多孔材料的孔洞表层发生晶格畸变膨胀，或在孔内表层形成新相层，从而使金属多孔材料上的原有孔洞缩小，以达到调节孔径的目的。
文档编号C22C21/00GK202482412SQ20112055991
公开日2012年10月10日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者李波, 汪涛, 高麟 申请人:成都易态科技有限公司