CN104404288B - 一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备轻质Nb‑Ti‑Al基多孔材料的方法，属于粉末冶金多孔材料技术领域。工艺流程为：首先将铌粉、钛粉、铝粉及其它合金元素的元素粉末进行高能球磨，得到机械合金化粉末。将Nb‑Ti‑Al基合金粉末和旋转电极雾化铌合金粉末通过球磨混合均匀，并在200～700MPa的压力下成形，得到成形坯体。成形坯体经过真空无压烧结和热处理后就得到Nb‑Ti‑Al基多孔材料。该发明利用Al元素的偏扩散在基体中产生孔隙的Kirkendall效应来造孔，并结合雾化合金粉末形成的烧结颈来提高多孔体的强度。制备工艺简单，孔隙结构容易控制。

Description

一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金多孔材料技术领域，特别提供了一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法。
背景技术
铌在难熔金属中的密度最小，在铌基体中添加Ti、Al等强化元素后能够进一步降低铌合金的密度，并保持了铌基合金熔点高、高温力学性能和焊接性能优异等特点。Nb-Ti-Al基多孔材料是一种轻质的结构-功能一体化材料，其使用温度大于1200℃，比目前使用的镍基合金多孔材料及TiAl金属间化合物多孔材料具有更高的使用温度，在高温条件下使用的催化剂载体、过滤器和热交换器等领域具有重要的应用前景。铌合金多孔材料的制备方法主要有松散粉末烧结法、泡沫浸渍法等方法。松散粉末烧结法较难制备出高孔隙度、孔径大小和分布均匀的多孔铌。泡沫浸渍法以聚氨酯泡沫或其它多孔模板为载体，首先用铌或铌合金粉末浆料浸渍多孔模板，然后将含有粉末浆料的多孔模板进行干燥、脱脂和烧结，得到多孔铌合金材料。该方法制备的多孔铌虽然孔隙度高，但是强度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法，旨在制备出具有较高强度、孔隙率和通孔率的轻质铌基合金。
本发明以机械合金化粉末和旋转电极雾化预合金粉末为原料，采用真空无压烧结工艺制备多孔Nb-Ti-Al基合金。机械合金化Nb-Ti-Al基合金粉末中，Ti、Al元素在铌基体中分布均匀，并固溶于铌基体中形成过饱和固溶体。当烧结温度低于Al熔点时，Al与Nb、Ti及其它合金元素之间存在一定的固相扩散。当烧结温度超过Al熔点后，铝液流动铺展并快速向Nb、Ti中扩散，由于Al元素的本征扩散系数远大于Nb和Ti的本征扩散系数，Al向Nb、Ti中的偏扩散导致Al原位产生大量孔隙，孔隙的不断积聚便产生孔洞。Ti和Al之间急剧的放热反应会造成体积膨胀。为了抑制和控制多孔体的膨胀，可在原料粉末中添加旋转电极雾化工艺制备的单一粒径的球形Nb-Ti-Al基预合金粉末。预合金粉末在烧结过程中以形成烧结颈为主，不会发生Al元素的偏扩散现象，也不会形成孔隙。混合粉末烧结后，粒径较大的预合金粉末之间局部粘结并形成骨架，限制了机械合金化粉末在造孔过程中的过度膨胀，有效提高了多孔体的强度。在热处理阶段，Ti、Al元素在Nb基体中进一步扩散，达到平衡相成分均匀化。本发明依靠反应物自身的组元来造孔，能够制备出具有较高强度和较高孔隙度的多孔铌基材料，多孔体中的孔隙相互连通，解决了多孔铌合金的强度和孔隙率之间不能良好匹配的问题。该发明制备工艺简单，孔隙结构容易控制。
一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法，具体工艺步骤有：
1、机械合金化粉末的制备：按照机械合金化粉末的成分配比进行称量，原料粉末为-300目铌粉、-300目钛粉、-200目铝粉、-300目铬粉、-500目钨粉、-500目石墨粉末；在原料粉末中另外添加0.5～2wt.％的硬脂酸后预混合均匀，然后在高纯Ar气氛中通过高能球磨将各种合金元素均匀分散在铌基体中，形成过饱和固溶体。球磨时球/料比为(15～20)/1，球磨机的转速为350～500转/分，球磨时间为24～72小时，得到平均粒径为3～40μm的机械合金化粉末。
所述的机械合金化粉末的成分为：(27～40wt.％)Ti-(6～10wt.％)Al-(2～10wt.％)Cr-(1～6wt.％)W-(0.01～0.1wt.％)C-余量Nb；
2、机械合金化粉末与雾化粉末的混合：将机械合金化粉末和旋转电极雾化粉末通过球磨混合均匀。旋转电极雾化粉末呈单一粒径分布，粒径为60～150μm，重量百分含量为30～65％。两种粉末在200～300转/分的转速下混合3～10小时，得到混合粉末。
所述的旋转电极雾化粉末的成分为：(20～26wt.％)Ti-(2～5wt.％)Al-(2～10wt.％)Cr-(1～6wt.％)W-(0.01～0.1wt.％)C-余量Nb；
3、成形：在混合粉末中添加0.5～5wt.％糊精或聚乙烯醇，在300～800MPa的压力下成形，得到压坯；
4、真空无压烧结：将压坯放在真空烧结炉中，抽真空。待真空度达到1×10-3～4×10-4Pa后开始升温，以1～2℃/min的速率升温到400～550℃，保温20～60mim，然后以0.2～0.5℃/min的速率升温到700℃，保温60分钟，接着以10℃/min的速率升温到1500～1820℃，保温2～3小时，得到多孔烧结坯。
5、热处理：多孔烧结坯在1200～1600℃进行均匀化处理，保温时间为2～6小时，得到轻质Nb-Ti-Al基多孔材料。
本发明的优点在于：利用Nb-Ti-Al基合金中Al元素的偏扩散在基体中产生孔隙的Kirkendall效应来造孔，通过控制烧结升温速率和预热温度来控制Al、Ti元素之间反应合成过程中的放热反应来形成多孔结构，并结合雾化合金粉末形成的烧结颈来提高多孔材料的强度。可以通过调节机械合金化参数，升温速率，雾化合金粉末的粒径和含量、以及烧结温度来控制孔隙率、孔径大小和孔隙分布状态。该工艺过程简单、操作灵活方便。所制备的轻质铌合金多孔材料的孔隙度为20～50％，孔隙尺寸为20～500μm，压缩强度为60～300MPa之间。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为轻质多孔铌基合金的显微组织。
具体实施方式
实施例1：孔隙度为25％的轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的制备
以-300目铌粉、-300目钛粉、-200目铝粉、-300目铬粉、-500目钨粉、-500目石墨粉末为原料，按照机械合金化粉末的成分配比进行称量。机械合金化粉末的成分为：27wt.％Ti-6wt.％Al-2wt.％Cr-1wt.％W-0.02wt.％C-余量Nb。在原料粉末中另外添加0.5wt.％的硬脂酸后预混合均匀，然后在高纯Ar气氛中通过高能球磨将各种合金元素均匀分散在铌基体中，形成过饱和固溶体。球/料比为15/1，球磨机的转速为500转/分，球磨时间为36小时，得到平均粒径为18μm的机械合金化粉末。将机械合金化粉末和旋转电极雾化粉末通过球磨混合均匀。旋转电极雾化粉末的成分为20wt.％Ti-2wt.％Al-2wt.％Cr-1wt.％W-0.02wt.％C-余量Nb。旋转电极雾化粉末呈单一粒径分布，粒径为65μm，重量百分含量为30％。两种粉末在200转/分的转速下混合7小时，得到混合粉末。在混合粉末中添加0.5wt.％聚乙烯醇，在300MPa的压力下成形，得到压坯；将压坯放在真空烧结炉中，抽真空。待真空度达到2×10-4Pa后开始升温，以1℃/min的速率升温到550℃，保温60分钟，然后以0.5℃/min的速率升温到700℃，保温60分钟，接着以10℃/min的速率升温到1815℃，保温2小时，得到多孔烧结坯。多孔烧结坯在1600℃进行均匀化处理，保温时间为2小时，得到轻质Nb-Ti-Al基多孔材料。多孔材料的孔隙度为25％，平均孔隙尺寸为76μm，压缩强度为286MPa。
实施例2：孔隙度为29％的轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的制备
以-300目铌粉、-300目钛粉、-200目铝粉、-300目铬粉、-500目钨粉、-500目石墨粉末为原料，按照机械合金化粉末的成分配比进行称量。机械合金化粉末的成分为：28wt.％Ti-8wt.％Al-4wt.％Cr-5wt.％)W-0.03wt.％C-余量Nb。在原料粉末中另外添加1wt.％的硬脂酸后预混合均匀，然后在高纯Ar气氛中通过高能球磨将各种合金元素均匀分散在铌基体中，形成过饱和固溶体。球/料比为17/1，球磨机的转速为400转/分，球磨时间为24小时，得到平均粒径为32μm的机械合金化粉末。将机械合金化粉末和旋转电极雾化粉末通过：22wt.％Ti-3wt.％Al-4wt.％Cr-5wt.％W-0.03wt.％C-余量Nb。旋转电极雾化粉末呈单一粒径分布，粒径为74μm，重量百分含量为65％。两种粉末在250转/分的转速下混合6小时，得到混合粉末。在混合粉末中添加1.5wt.％聚乙烯醇，在400MPa的压力下成形，得到压坯；将压坯放在真空烧结炉中，抽真空。待真空度达到2×10-4Pa后开始升温，以1℃/min的速率升温到500℃，保温40分钟，然后以0.4℃/min的速率升温到700℃，保温60分钟，接着以10℃/min的速率升温到1700℃，保温2小时，得到多孔烧结坯。多孔烧结坯在1500℃进行均匀化处理，保温时间为6小时，得到轻质Nb-Ti-Al基多孔材料。多孔材料的孔隙度为29％，平均孔隙尺寸为121μm，压缩强度为251MPa。
实施例3：孔隙度为32％的轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的制备
以-300目铌粉、-300目钛粉、-200目铝粉、-300目铬粉、-500目钨粉、-500目石墨粉末为原料，按照机械合金化粉末的成分配比进行称量。机械合金化粉末的成分为：30wt.％Ti-8wt.％Al-6wt.％Cr-3wt.％)W-0.05wt.％C-余量Nb。在原料粉末中另外添加1.5wt.％的硬脂酸后预混合均匀，然后在高纯Ar气氛中通过高能球磨将各种合金元素均匀分散在铌基体中，形成过饱和固溶体。球/料比为19/1，球磨机的转速为450转/分，球磨时间为48小时，得到平均粒径为27μm的机械合金化粉末。将机械合金化粉末和旋转电极雾化粉末通过球磨混合均匀。旋转电极雾化粉末的成分为：24wt.％Ti-4wt.％Al-6wt.％Cr-3wt.％)W-0.05wt.％C-余量Nb。旋转电极雾化粉末呈单一粒径分布，粒径为102μm，重量百分含量为42％。两种粉末在300转/分的转速下混合8小时，得到混合粉末。在混合粉末中添加2.5wt.％糊精，在600MPa的压力下成形，得到压坯；将压坯放在真空烧结炉中，抽真空。待真空度达到2×10-4Pa后开始升温，以2℃/min的速率升温到450℃，保温30分钟，然后以0.3℃/min的速率升温到700℃，保温60分钟，接着以10℃/min的速率升温到1620℃，保温2.5小时，得到多孔烧结坯。多孔烧结坯在1400℃进行均匀化处理，保温时间为4小时，得到轻质Nb-Ti-Al基多孔材料。多孔材料的孔隙度为32％，平均孔隙尺寸为278μm，压缩强度为167MPa。
实施例4：孔隙度为43％的轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的制备
以-300目铌粉、-300目钛粉、-200目铝粉、-300目铬粉、-500目钨粉、-500目石墨粉末为原料，按照机械合金化粉末的成分配比进行称量。机械合金化粉末的成分为：36wt.％Ti-10wt.％Al-10wt.％Cr-1wt.％W-0.08wt.％C-余量Nb。在原料粉末中另外添加2wt.％的硬脂酸后预混合均匀，然后在高纯Ar气氛中通过高能球磨将各种合金元素均匀分散在铌基体中，形成过饱和固溶体。球/料比为20/1，球磨机的转速为350转/分，球磨时间为72小时，得到平均粒径为40μm的机械合金化粉末。将机械合金化粉末和旋转电极雾化粉末通过球磨混合均匀。旋转电极雾化粉末的成分为：26wt.％Ti-5wt.％Al-10wt.％Cr-1wt.％W-0.08wt.％C-余量Nb。旋转电极雾化粉末呈单一粒径分布，粒径为136μm，重量百分含量为50％。两种粉末在200转/分的转速下混合10小时，得到混合粉末。在混合粉末中添加5wt.％糊精，在800MPa的压力下成形，得到压坯；将压坯放在真空烧结炉中，抽真空。待真空度达到2×10-4Pa后开始升温，以1.5℃/min的速率升温到400℃，保温20分钟，然后以0.2℃/min的速率升温到700℃，保温60分钟，接着以10℃/min的速率升温到1520℃，保温3小时，得到多孔烧结坯。多孔烧结坯在1200℃进行均匀化处理，保温时间为3小时，得到轻质Nb-Ti-Al基多孔材料。多孔材料的孔隙度为43％，平均孔隙尺寸为321μm，压缩强度为65MPa。

Claims (2)

1.一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法，其特征在于：
步骤一、按照机械合金化粉末的成分配比进行称量，原料粉末为-300目铌粉、-300目钛粉、-200目铝粉、-300目铬粉、-500目钨粉、-500目石墨粉末；在原料粉末中另外添加0.5～2wt.％的硬脂酸后预混合均匀，然后在高纯Ar气氛中通过高能球磨将各种合金元素均匀分散在铌基体中，形成过饱和固溶体；球磨时球/料比为(15～20)/1，球磨机的转速为350～500转/分，球磨时间为24～72小时，得到平均粒径为3～40μm的机械合金化粉末；
步骤二、机械合金化粉末与雾化粉末的混合：将机械合金化粉末和旋转电极雾化粉末通过球磨混合均匀；旋转电极雾化粉末呈单一粒径分布，粒径为60～150μm，重量百分含量为30～65％；两种粉末在200～300转/分的转速下混合3～10小时，得到混合粉末；
步骤三、在混合粉末中添加0.5～5wt.％糊精或聚乙烯醇，在300～800MPa的压力下成形，得到压坯；
步骤四、将压坯放在真空烧结炉中，抽真空，待真空度达到1×10-3～4×10-4Pa后开始升温，以1～2℃/min的速率升温到400～550℃，保温20-60分钟，然后以0.2～0.5℃/min的速率升温到700℃，保温60分钟，接着以10℃/min的速率升温到1500-1820℃，保温2-3小时，得到多孔烧结坯；
步骤五、多孔烧结坯在1200～1600℃进行均匀化处理，保温时间为2～6小时，得到轻质Nb-Ti-Al基多孔材料；
其中步骤一所述的机械合金化粉末的成分为：(27～40wt.％)Ti-(6～10wt.％)Al-(2～10wt.％)Cr-(1～6wt.％)W-(0.01～0.1wt.％)C-余量Nb；
步骤二所述的旋转电极雾化粉末的成分为：(20～26wt.％)Ti-(2～5wt.％)Al-(2～10wt.％)Cr-(1～6wt.％)W-(0.01～0.1wt.％)C-余量Nb。
2.如权利要求1所述一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法，其特征在于：所制备的轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的孔隙度为30-50％，孔隙尺寸为20-500μm，压缩强度为60-300MPa之间。
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