CN102329978A - 利用非固溶合金腐蚀烧结制备多孔材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用非固溶合金腐蚀烧结制备多孔材料的方法，属于多孔材料技术领域，本发明的工艺路线是熔炼、铸锭加工、热处理、产品成型、腐蚀、清洗、烧结、终处理。采用非固溶合金腐蚀烧结，减少了传统粉末烧结法中的粉末制备工序，从而减少了对设备的需求，样品的成型工艺采用机加工，灵活性更高。本发明还无氧酸作腐蚀液，在多孔材料的制备过程中减少颗粒表面的氧化，提高了多孔材料的最终性能。本发明工艺和设备简单，制备的多孔材料杂质含量少、更能使用于高纯气体的提纯。

Description

利用非固溶合金腐蚀烧结制备多孔材料的方法

技术领域

本发明属于多孔材料技术领域，涉及一种多孔材料的制备方法，特别涉及一种利用非固溶合金腐蚀烧结法制备多孔材料的方法。

背景技术

多孔材料在工业生产、精密仪器以及高科技设备中运用广泛，在国民经济、国防、科研中作用巨大。多孔材料在实际使用中常用于过滤、吸附净化以及催化剂载体，其中，钛/锆类多孔材料因其良好的耐腐蚀性能和优良的吸附过滤性能而应用广泛。

目前钛多孔材料制备的方法主要为粉末烧结法，其工艺流程大致为粉末制取→粉末筛选→粉末零件成型→烧结。粉末烧结制备多孔材料的工艺所需设备复杂特别是粉末制备设备昂贵，粉末烧结的样品因粉末表面活性大和工艺的间隔而杂质含量高，难以适用于高纯环境。粉末烧结法因工艺的限制而难以制备出性能优良的小尺寸零件。粉末烧结法因零件成型需用模具而灵活性较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用非固溶合金腐蚀的方法制备出纯净的多孔材料结构，再通过高温烧结从而获得具有一定力学性能、杂质含量低的钛/锆多孔材料。本发明所采用的非固溶合金腐蚀烧结法因没有粉末制备工序而大大减少了设备的需求，工艺更简单，材料纯度易于控制。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

本发明利用非固溶合金腐蚀烧结法制备多孔材料的方法，其工艺流程为：

    熔炼→铸锭加工→热处理→产品成型→腐蚀→清洗→烧结→终处理

其每一步流程具体操作为：

①熔炼：将高纯度的Ti（钛）/Zr（锆）和金属Y（钇）按一定配比配好，根据所需多孔材料的孔隙率及强度要求可调，Y（钇）质量分数在20%-60%范围内可调，在真空电弧炉或真空感应炉中熔炼均匀并快速冷却，冷却的速度和方式决定了最终材料的组织形貌；

②铸锭加工：熔炼好的铸锭为通过加工获得更多的产品或获得特殊的组织，可以将铸锭在900-1000℃加热后热轧获得不同的固态形状，此工序需根据产品需求来选择，可以不采用；

③热处理：将经铸锭加工好的样品在真空中经1000℃热处理8-16小时，以使两相分离更彻底；

④产品成型：将经热处理的铸锭用机械加工的方法如线切割按所需的产品尺寸加工好，机械加工的产品应进行表面处理以除去机械加工的影响，加工时应考虑表面处理所带来的尺寸误差；

⑤腐蚀：经机械加工并表面处理的样品可以进行腐蚀，腐蚀所用腐蚀液为1-5%wt的稀HCl，所需的腐蚀液量按样品中所含Y(钇)于HCl反应生成YCl₃来计算。

计算示例：样品为20g，含量Y(钇)30%，钇的摩尔质量为89，所用浓盐酸为36%wt，密度1.021g/cm³。

则样品中Y的物质的量为20×30%÷89=0.067mol

每ml浓HCl中HCl的量为1.021×0.36÷36.5=0.01mol

则所需浓盐酸体积为0.067×3÷0.01=20.1ml

配成1.8%wt的稀盐酸溶液为20×20.1=402ml

腐蚀时样品应完全浸入溶液中，为使腐蚀产物能顺利的从样品中排出，可以在腐蚀时加上震动或磁场。以样品表面不再有气泡产生作为腐蚀完成的标志。

⑥清洗：腐蚀后的样品为将腐蚀产物去除干净以获得纯净的多孔材料需要进行清洗，清洗工艺采用超声震动清洗；共四遍，前两遍为60-80℃热水，第三遍为冷水（25℃左右），第四遍为丙酮；每遍30min。清洗完成的样品应晾干表面液体。

⑦烧结：烧结的目的是使材料获得一定的力学性能以满足实际的使用，烧结共分两步，可以在一台设备上进行也可分开进行。第一步为预烧结，其目的是将加工过程中空洞中残留的挥发性物质去除干净以便获得纯净的多孔材料，其具体工艺为真空条件下100℃保温0.5-1小时，300℃保温0.5-1小时，500℃保温0.5-1小时，750℃保温1-2小时；第二步烧结为提高材料强度，工艺为钛材料1000℃保温2小时，锆材料1100℃保温2小时。烧结的样品应冷却至室温材料从真空环境取出，真空度要求为不低于3×10^-3Pa。

⑧终处理；对烧结的样品进行筛选合格品，包装待用。

所制备的多孔材料为片状，厚度不超过2mm。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.工艺简单；本发明制备多孔材料的方法由于减少了传统粉末烧结法中的粉末制备步骤，对制备工艺是重大的改进，操作更方便。

2.产品纯净：由于没有粉末制备步骤，减少了颗粒表面的氧化和杂质的吸附，只要控制好所用原料的纯度就可以获得高纯净的多孔材料，能满足对高纯气体的进一步提纯。

3.产品制备灵活：产品的成型是采用机械加工的方法，能根据需要加工成所需的外形和尺寸，不需要设计磨具，对小批量多孔材料的制备具有优势。

4.小型零件：本发明在机械加工成型时材料具有优良的力学性能，因而能加工成微小的零件，小至mmm级别的零件都能轻易加工，又因受材料孔径的限制，所得材料的厚度只能达到2mm，超过2mm后的样品无法腐蚀透。

5. 设备需求少：本发明所用方法只需要真空熔炼炉和机加工设备以及真空烧结炉三种较大型的设备，没有传统粉末烧结法的粉末制取设备和产品成型设备，设备需求少，设备更便宜。

附图说明

图1是本发明第一实施例的产品形貌图。

图2是本发明第二实施例的产品形貌图。

具体实施方式

本发明的优选实施结合附图详述如下：

实施例一：

以质量分数为99.9%的Ti（钛）和Y（钇）为原料配制15gY(钇)含量为30%的合金，即Ti（钛）9g、Y（钇）6g。将原料置于真空电弧熔炼炉中，抽真空至3×10-3Pa，通入Ar(氩)气至0.05KPa，再抽真空至3×10^-3Pa，再充入Ar(氩)气至大气压，熔炼4遍以使合金混合均匀，每炼一遍要将锭子翻转。

将熔炼好的铸锭封装在抽真空石英管中，在1000℃保温热处理12小时，将石英管从炉中取出空冷至室温，砸开石英管取出铸锭，用线切割切割成直径为10mm，厚度为1mm的小圆片并用水砂纸将表面加工痕迹打磨干净。

将打磨好的圆片放入配好的足量的浓度为1.8%的稀盐酸中腐蚀至表面不再有气泡冒出，将腐蚀好的圆片用80℃热水超声清洗两遍各30min，再用冷水和丙酮各超声清洗30min。取出用吹风机吹干表面丙酮。

将清洗干净的样品放入管式真空退火炉中抽真空至3×10^-3Pa，再在100℃保温0.5小时，300℃保温0.5小时，500℃保温0.5小时，750℃保温2小时，随炉冷却至550℃，再水冷至室温，取出样品将样品封装在抽真空的石英管中，在1000℃烧结2小时，空冷至室温取出样品记得孔隙率为30%的多孔Ti材料，其显微形貌如附图1所示。

具体工艺如下：熔炼→热处理→产品成型→腐蚀→清洗→预烧结、烧结→终处理

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于所制备的为Zr(锆)多孔材料，具体过程为：

以质量分数为99.9%的Zr（锆）和Y（钇）为原料配制15gY(钇)含量为30%的合金，即Ti（钛）9g、Y（钇）6g。将原料置于真空电弧熔炼炉中，抽真空至3×10-3Pa，通入Ar(氩)气至0.05KPa，再抽真空至3×10^-3Pa，再充入Ar(氩)气至大气压，熔炼4遍以使合金混合均匀，每炼一遍要将锭子翻转。

将熔炼好的铸锭封装在抽真空石英管中，在1000℃保温热处理12小时，将石英管从炉中取出空冷至室温，砸开石英管取出铸锭，用线切割切割成直径为10mm，厚度为1mm的小圆片并用水砂纸将表面加工痕迹打磨干净。

将打磨好的圆片放入配好的足量的浓度为1.8%的稀盐酸中腐蚀至表面不再有气泡冒出，将腐蚀好的圆片用80℃热水超声清洗两遍各30min，再用冷水和丙酮各超声清洗30min。取出用吹风机吹干表面丙酮。

将清洗干净的样品放入管式真空退火炉中抽真空至3×10^-3Pa，再在100℃保温0.5小时，300℃保温0.5小时，500℃保温0.5小时，750℃保温2小时，随炉冷却至550℃，再水冷至室温，取出样品将样品封装在抽真空的石英管中，在1100℃烧结2小时，空冷至室温取出样品记得孔隙率为30%的多孔Zr材料，其显微形貌如附图2所示。

Claims (2)

1.利用非固溶合金腐蚀烧结制备多孔材料的方法，其特征在于该方法由以下步骤组成：

①熔炼：将高纯度的钛/锆和金属钇按一定配比配好，根据所需多孔材料的孔隙率及强度要求可调，钇的质量分数在20%-60%范围内，在真空电弧炉或真空感应炉中熔炼均匀并快速冷却；

②铸锭加工：熔炼好的铸锭为通过加工获得更多的产品或获得特殊的组织，可以将铸锭在900-1000℃加热后热轧获得不同的固态形状，此工序需根据产品需求来选择，可以不采用；

③热处理：将经铸锭加工好的样品在真空中经1000℃热处理8-16小时，以使两相分离更彻底；

④产品成型：将经热处理的铸锭用机械加工的方法按所需的产品尺寸加工好，机械加工的产品应进行表面处理以除去机械加工的影响；

⑤腐蚀：经机械加工并表面处理的样品可以进行腐蚀，腐蚀所用腐蚀液为1-5%wt的稀HCl，所需的腐蚀液量按样品中所含钇于HCl反应生成YCl₃来计算；

⑥清洗：腐蚀后的样品进行清洗，清洗工艺采用超声震动清洗；共四遍，前两遍为60-80℃热水，第三遍为25℃冷水，第四遍为丙酮；每遍30min；清洗完成的样品应晾干表面液体；

⑦烧结：烧结共分两步，第一步为预烧结，真空条件下100℃保温0.5-1小时，300℃保温0.5-1小时，500℃保温0.5-1小时，750℃保温1-2小时；第二步烧结，钛材料1000℃保温2小时，锆材料1100℃保温2小时；烧结的样品冷却至室温材料从真空环境取出，真空度要求为不低于3×10^-3Pa；

⑧终处理；对烧结的样品进行筛选合格品，包装待用。

2.根据权利要求1所述的利用非固溶合金腐蚀烧结制备多孔材料的方法，其特征在于，所制备的多孔材料为片状，厚度不超过2mm。

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