CN102922791A - Ni-Al合金蜂窝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
Ni-Al合金蜂窝材料，其核心为纯铝或铝合金材质，具体为线状或管状材料；其外层为纯镍或镍基合金材质形成的包覆层；其横截面形状径向尺寸范围为0.001mm-10mm；核心线状材料的直径或者核心管状材料的壁厚二者之一和包覆层的厚度之比为0.05-1。本发明还涉及Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法。利用镍铝复合线材或管材中元素Ni和Al扩散的Kirkendall效应形成中空结构，从而获得Ni-Al合金蜂窝材料，可解决现有金属蜂窝材料高温力学性能和抗高温腐蚀性能普遍较低的问题，并适于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属蜂窝材料及其制备技术，特别提供了Ni-Al合金蜂窝材料及其制备方法。
背景技术
金属蜂窝是金属骨架和蜂窝孔相间的新型金属材料，因其内部所含蜂窝状直通孔而得名。这种材料具有质轻、隔音、隔热、吸能减震等特性，是典型的结构功能一体化材料，比如采用铝蜂窝制备的轻质夹芯板具有优异的吸收冲击能的作用，以及良好的隔热作用[H.N.G.Wadley,Multifunctional periodic cellular metals,Philosophical Transactions of the RoyalSocietyA,364(2006)31-68]。金属蜂窝材料的应用领域涉及到航空航天、电子、环保、能源、建筑等。同时它也是优异的催化剂载体材料[张建国，郏景省，张纯希，王树东，Pt/Al2O3涂层金属蜂窝催化剂的制备及其CO选择性氧化催化性能，催化学报，29(2008)421-425]，用于汽车尾气处理和染料电池氢源处理等领域[陈勇军，左孝青，史庆南，宿罡，王茗，金属蜂窝的开发、发展及应用，材料导报，17(2003)32-35]。然而目前金属蜂窝材料普遍存在耐温低或抗高温腐蚀性能较差的问题，难以用于高温领域特别是高温腐蚀性环境。该领域对金属蜂窝材料同样有着巨大的需求，如汽车尾气过滤和催化装置中所用材料要求耐高温腐蚀性能，陶瓷材料由于脆性问题寿命有限，因而当前对抗高温腐蚀的金属蜂窝材料有着迫切的需求。又比如在洁净煤技术领域的整体煤气化联合循环发电技术中，高温煤气化气体和烟气净化除尘，都需要大量的抗高温腐蚀的金属蜂窝材料[参见文献：张健，汤慧萍，奚正平，汪强兵.高温气体净化用金属多孔材料的发展现状，稀有金属材料与工程，35(2006)438-441；汪强兵，汤慧萍，奚正平，张健，李增峰.煤气化技术用金属多孔材料研究进展，稀有金属材料与工程，35(2006)448-451]。
Ni-Al金属间化合物使用温度高、比强度高，抗高温腐蚀性能优异，是一种可用于高温腐蚀环境中的理想候选材料[参见文献：李婷婷，彭超群，王日出，王小锋，刘兵，王志勇.Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金属间化合物多孔材料的研究进展，中国有色金属学报，21(2011)784-795]。国内外对多孔Ni-Al金属间化合物及其制备方法有大量的研究[参见文献：A.M.Hodge,D.C.Dunand,Synthesis of nickel-aluminide foams by pack-aluminization ofnickel foams,Intermetallics,9(2001)581-589;H.Omar,D.P.Papadopoulos,S.A.Tsipas,H.Lefakis,Aluminizing nickel foam by a slurry coating process,Materials Letters,63(2009)1387-1389;吴靓，贺跃辉，董虹星.Ni-Al金属间化合物多孔材料的制备，粉末冶金材料科学与工程，14(2009)52-56]，然而尚未出现蜂窝结构的Ni-Al金属间化合物及其制备方法的报道。
人们期望获得一种技术效果优良的Ni-Al合金蜂窝材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决当前金属蜂窝材料高温强度、抗高温腐蚀性能较低，而提出抗高温腐蚀的Ni-Al合金蜂窝材料及其制备方法。
本发明Ni-Al合金蜂窝材料，其特征在于：其核心为纯铝或铝合金材质，具体为线状或管状材料；其外层为纯镍或镍基合金材质形成的包覆层；其横截面形状径向尺寸范围为0.001mm-10mm；
当为线状材料时，其核心线状材料的直径与包覆层的厚度之比为0.05-1；当为管状材料时，其核心管状材料的壁厚与包覆层的厚度之比为0.05-1。
所述Ni-Al合金蜂窝材料，还包含有下述内容要求：
在镍铝复合线材或镍铝复合管材表面涂覆有粘结剂层，粘结剂层的体积为镍铝复合线材或镍铝复合管材的1%-98%；
Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种。
粘结剂为固态或液态粘结剂，具体为下述几种之一或其组合：金属粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸钾水玻璃。
本发明还涉及Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法，其特征在于：
1）以纯铝或铝合金材质的线状或管状材料为核心，在其外部制备纯镍或镍基合金材质形成的包覆层，制得的成品横截面径向尺寸范围为0.001mm-10mm；当为线状材料时，其核心线状材料的直径与包覆层的厚度之比为0.05-1；当为管状材料时，其核心管状材料的壁厚与包覆层的厚度之比为0.05-1；Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种；
2）所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法满足下述要求：首先进行料胚制备，然后进行高温扩散处理；其中：
制备料胚前在镍铝复合线材或镍铝复合管材表面涂覆粘结剂层，粘结剂层所占体积为镍铝复合线材或镍铝复合管材的1%-98%；
在料胚制备过程中，通过拉拔或压制变形使镍铝复合线材或镍铝复合管材间形成紧密接触状态，制备工艺温度为室温至700°C；
高温扩散处理环境满足下述三种要求之一：空气、真空或保护性气氛；高温扩散处理要求的工艺温度为600-1200°C、压力为常压至200MPa，时间1分钟-100小时；
粘结剂为固态或液态粘结剂，具体是以下几种之一或其组合：金属粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸钾水玻璃。
所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法满足下述要求：
镍层厚度和铝线外径/铝管壁厚的比值为0.05-0.3；料胚制备温度为20-200°C，高温扩散在真空或保护性气氛下进行,扩散工艺温度为700-1100°C、时间为5分钟-20小时。
所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法还可能满足下述要求：
包覆层厚度和铝线外径/铝管壁厚的比值为0.4-1；料胚制备温度为20-200°C，高温扩散在真空或保护性气氛下进行,扩散工艺温度为700-1100°C、时间为5分钟-20小时。
本发明由镍铝复合线材或管材利用元素Ni和Al间扩散的Kirkendall效应形成中空结构而制成Ni-Al合金蜂窝材料。
本发明具体提出Ni-Al合金蜂窝材料及其制备方法，可解决现有金属蜂窝材料高温力学性能和抗高温腐蚀性能普遍较低的问题，并适于规模化生产。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明所用的镍铝复合线材剖面结构示意图；
图2为本发明所用的镍铝复合管材剖面结构示意图；
图3为本发明提出的由镍铝复合线材通过粘结剂粘结并经高温扩散形成Ni-Al合金蜂窝材料的示意图；
图4为本发明提出的由镍铝复合线材通过拉拔并经高温扩散形成Ni-Al合金蜂窝材料的示意图；
图5为本发明提出的由镍铝复合管材通过粘结剂粘结并经高温扩散形成Ni-Al合金蜂窝材料的示意图
图6为本发明提出的由镍铝复合管材通过拉拔并经高温扩散形成Ni-Al合金蜂窝材料的示意图；
图7为本发明提出的由镍铝复合线材通过压制并经高温扩散形成Ni-Al合金蜂窝材料的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
采用附图3所示的制备工艺可由镍铝复合线材得到玻璃或水玻璃粘结的Ni-Al合金蜂窝材料。首先将外径10nm-10mm、镍层厚度/铝线外径比0.05-1的镍铝复合线材置入有底金属套筒（高熔点金属，材质不限）内，将玻璃料浆或水玻璃注入镍铝复合线材的缝隙内形成初级料胚，其中粘结剂体积分数1%-98%。采用由室温缓慢升温（<10°C/s）的方式将其烘干完成（a）料胚制备工序。然后将该料胚放入高温炉内进行（b）高温扩散，温度600-1200°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-50小时，真空、保护性气氛或空气条件下进行。在（b）高温扩散处理阶段料胚内的镍铝复合线材发生反应形成Ni-Al合金并在其芯部形成通孔，同时玻璃软化流动将所形成的中空Ni-Al合金线材紧密包裹。由此得到玻璃或水玻璃粘结的Ni-Al合金蜂窝材料，其蜂窝孔形成于镍铝复合线材内部。Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍铝复合线材的镍层厚度/铝线外径，以及（b）高温扩散处理的温度和时间。
实施例2
采用附图4所示的制备工艺可由镍铝复合线材通过拉拔并经高温扩散得到Ni-Al合金蜂窝材料。首先将外径10nm-10mm、镍层厚度/铝线外径比0.05-1的镍铝复合线材置入金属套筒（高熔点金属，材质不限）内紧凑排放，将其通过如图4所示模具进行拉拔处理，以使镍铝复合线材间紧密接触完成（a）料胚制备工序。然后将该料胚放入高温炉内进行（b）高温扩散，温度600-1200°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-50小时，真空、保护性气氛或空气条件下进行。在（b）高温扩散处理阶段料胚内的镍铝复合线材发生反应形成Ni-Al合金并在其芯部形成通孔，由此得到Ni-Al合金蜂窝材料，其蜂窝孔形成于镍铝复合线材内部。Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍铝复合线材的镍层厚度/铝线外径，以及（b）高温扩散处理的温度和时间。
实施例3
采用附图5所示的制备工艺可由镍铝复合管材得到玻璃或水玻璃粘结的Ni-Al合金蜂窝材料。实施方式与实施例1完全相同，仅需将外径10nm-10mm、镍层厚度/铝管厚度比0.05-1的镍铝复合管材取代实施例1中的镍铝复合线材即可。同样，其蜂窝孔形成于镍铝复合线材内部。Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍铝复合线材的镍层厚度/铝线外径，以及（b）高温扩散处理的温度和时间。
实施例4
采用附图6所示的制备工艺可由镍铝复合管材通过拉拔并经高温扩散得到Ni-Al合金蜂窝材料。实施方式与实施例2完全相同，仅需将外径10nm-10mm、镍层厚度/铝管厚度比0.05-1的镍铝复合管材取代实施例1中的镍铝复合线材即可。同样，其蜂窝孔形成于镍铝复合线材内部。Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍铝复合线材的镍层厚度/铝线外径，以及（b）高温扩散处理的温度和时间。
实施例5
采用附图7所示的制备工艺可由镍铝复合线材通过压制并经高温扩散得到Ni-Al合金蜂窝材料。首先将外径10nm-10mm、镍层厚度/铝线外径比0.05-1的镍铝复合线材置入如图7所示模具内紧凑排放，在适当压力下压制，以使镍铝复合线材间紧密接触完成（a）料胚制备工序。然后将该料胚放入高温炉内进行（b）高温扩散，温度600-1200°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-50小时，真空、保护性气氛或空气条件下进行。在（b）高温扩散处理阶段料胚内的镍铝复合线材发生反应形成Ni-Al合金并在其芯部形成通孔，由此得到Ni-Al合金蜂窝材料，其蜂窝孔形成于镍铝复合线材内部。Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍铝复合线材的镍层厚度/铝线外径，以及（b）高温扩散处理的温度和时间。
实施例6
Ni-Al合金蜂窝材料，其核心为纯铝或铝合金材质，具体为线状或管状材料；其外层为纯镍或镍基合金材质形成的包覆层；其横截面形状径向尺寸范围为0.001mm-10mm；当为线状材料时，其核心线状材料的直径与包覆层的厚度之比为0.05-1；当为管状材料时，其核心管状材料的壁厚与包覆层的厚度之比为0.05-1。
在镍铝复合线材或镍铝复合管材表面涂覆有粘结剂层，粘结剂层的体积为镍铝复合线材或镍铝复合管材的1%-98%；粘结剂为固态或液态粘结剂，具体为下述几种之一或其组合：金属粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸钾水玻璃。
Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种。
实施例7
Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法，满足下述要求：
1）以纯铝或铝合金材质的线状或管状材料为核心，在其外部制备纯镍或镍基合金材质形成的包覆层，制得的成品横截面径向尺寸范围为0.001mm-10mm；当为线状材料时，其核心线状材料的直径与包覆层的厚度之比为0.05-1；当为管状材料时，其核心管状材料的壁厚与包覆层的厚度之比为0.05-1；Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种；
2）所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法满足下述要求：首先进行料胚制备，然后进行高温扩散处理；其中：
制备料胚前在镍铝复合线材或镍铝复合管材表面涂覆粘结剂层，粘结剂层所占体积为镍铝复合线材或镍铝复合管材的1%-98%；
在料胚制备过程中，通过拉拔或压制变形使镍铝复合线材或镍铝复合管材间形成紧密接触状态，制备工艺温度为室温至700°C；
高温扩散处理环境满足下述三种要求之一：空气、真空或保护性气氛；高温扩散处理要求的工艺温度为600-1200°C、压力为常压至200MPa，时间1分钟-100小时；
粘结剂为固态或液态粘结剂，具体是以下几种之一或其组合：金属粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸钾水玻璃。
镍层厚度和铝线外径/铝管壁厚的比值为0.05-0.3；料胚制备温度为20-200°C，高温扩散在真空或保护性气氛下进行,扩散工艺温度为700-1100°C、时间为5分钟-20小时。
本实施例由镍铝复合线材或管材利用元素Ni和Al间扩散的Kirkendall效应形成中空结构而制成Ni-Al合金蜂窝材料。本实施例具体提出Ni-Al合金蜂窝材料及其制备方法，可解决现有金属蜂窝材料高温力学性能和抗高温腐蚀性能普遍较低的问题，并适于规模化生产。
实施例8
Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法，满足下述要求：
1）以纯铝或铝合金材质的线状或管状材料为核心，在其外部制备纯镍或镍基合金材质形成的包覆层，制得的成品横截面径向尺寸范围为0.001mm-10mm；当为线状材料时，其核心线状材料的直径与包覆层的厚度之比为0.05-1；当为管状材料时，其核心管状材料的壁厚与包覆层的厚度之比为0.05-1；Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种；
2）所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法满足下述要求：首先进行料胚制备，然后进行高温扩散处理；其中：
制备料胚前在镍铝复合线材或镍铝复合管材表面涂覆粘结剂层，粘结剂层所占体积为镍铝复合线材或镍铝复合管材的1%-98%；
在料胚制备过程中，通过拉拔或压制变形使镍铝复合线材或镍铝复合管材间形成紧密接触状态，制备工艺温度为室温至700°C；
高温扩散处理环境满足下述三种要求之一：空气、真空或保护性气氛；高温扩散处理要求的工艺温度为600-1200°C、压力为常压至200MPa，时间1分钟-100小时；
粘结剂为固态或液态粘结剂，具体是以下几种的组合：金属粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸钾水玻璃。
所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法还可能满足下述要求：
包覆层厚度和铝线外径/铝管壁厚的比值为0.4-1；料胚制备温度为20-200°C，高温扩散在真空或保护性气氛下进行,扩散工艺温度为700-1100°C、时间为5分钟-20小时。
本实施例由镍铝复合线材或管材利用元素Ni和Al间扩散的Kirkendall效应形成中空结构而制成Ni-Al合金蜂窝材料。本实施例具体提出Ni-Al合金蜂窝材料及其制备方法，可解决现有金属蜂窝材料高温力学性能和抗高温腐蚀性能普遍较低的问题，并适于规模化生产。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.Ni-Al合金蜂窝材料，其特征在于：其核心为纯铝或铝合金材质，具体为线状或管状材料；其外层为纯镍或镍基合金材质形成的包覆层；其横截面形状径向尺寸范围为0.001mm-10mm；
当为线状材料时，其核心线状材料的直径与包覆层的厚度之比为0.05-1；当为管状材料时，其核心管状材料的壁厚与包覆层的厚度之比为0.05-1。
2.根据权利要求1所述Ni-Al合金蜂窝材料，其特征在于：
在镍铝复合线材或镍铝复合管材表面涂覆有粘结剂层，粘结剂层的体积为镍铝复合线材或镍铝复合管材的1%-98%；
Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3A1、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种。
3.根据权利要求1所述Ni-Al合金蜂窝材料，其特征在于：粘结剂为固态或液态粘结剂，具体为下述几种之一或其组合：金属粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸钾水玻璃。
4.Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法，其特征在于：
1）以纯铝或铝合金材质的线状或管状材料为核心，在其外部制备纯镍或镍基合金材质形成的包覆层，制得的成品横截面径向尺寸范围为0.001mm-10mm；当为线状材料时，其核心线状材料的直径与包覆层的厚度之比为0.05-1；当为管状材料时，其核心管状材料的壁厚与包覆层的厚度之比为0.05-1；Ni-Al合金蜂窝材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3A1、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种；
2）所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法满足下述要求：首先进行料胚制备，然后进行高温扩散处理；其中：
制备料胚前在镍铝复合线材或镍铝复合管材表面涂覆粘结剂层，粘结剂层所占体积为镍铝复合线材或镍铝复合管材的1%-98%；
在料胚制备过程中，通过拉拔或压制变形使镍铝复合线材或镍铝复合管材间形成紧密接触状态，制备工艺温度为室温至700°C；
高温扩散处理环境满足下述三种要求之一：空气、真空或保护性气氛；高温扩散处理要求的工艺温度为600-1200°C、压力为常压至200MPa，时间1分钟-100小时；
5.按照权利要求4所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法，其特征在于：粘结剂为固态或液态粘结剂，具体是以下几种之一或其组合：金属粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸钾水玻璃。
6.按照权利要求4或5所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法，其特征在于：所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法满足下述要求：
镍层厚度和铝线外径/铝管壁厚的比值为0.05-0.3；料胚制备温度为20-200°C，高温扩散在真空或保护性气氛下进行,扩散工艺温度为700-1100°C、时间为5分钟-20小时。
7.按照权利要求4或5所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法，其特征在于：所述Ni-Al合金蜂窝材料的制备方法满足下述要求：
包覆层厚度和铝线外径/铝管壁厚的比值为0.4-1；料胚制备温度为20-200°C，高温扩散在真空或保护性气氛下进行,扩散工艺温度为700-1100°C、时间为5分钟-20小时。
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| CN102922791B (zh) | 2015-08-19 |
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