CN105386026B - 多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的方法 - Google Patents

多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的方法 Download PDF

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Abstract

一种在多孔合金骨架表面制备γ‑Al2O3纳米多孔层的方法，属于材料制备工艺技术领域。本发明的目的在于提供一种新的纳米多孔制备方法，在高Nb‑TiAl多孔合金骨架表面生成纳米多孔层，节省成本，降低能耗，减少污染。方法：一、制备Ti‑(40‑50)Al‑(5‑10)Nb多孔合金材料；二、配制KOH溶液；三、将多孔合金浸泡在KOH溶液中；四、取出材料真空干燥。本发明制备的纳米多孔层厚度200nm，孔径60±10nm，增加了多孔合金材料的比表面积，增强了过滤、吸附性和耐腐蚀性能，对高Nb‑TiAl多孔合金的实际应用具有重要的意义。

Description

多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的方法
所属技术领域
本发明涉及一种在多孔合金骨架表面制备γ-Al2O3纳米多孔层的方法，属于材料制备工艺技术领域。
背景技术
高Nb-TiAl多孔合金结合了高Nb-TiAl合金的耐高温、高比强度、抗氧化、抗酸碱腐蚀的优点，同时多孔的结构增加该材料应用于过滤、吸附、催化载体等领域的可能性。目前采用粉末冶金法制备高Nb-TiAl多孔合金的技术较为成熟。
目前对于纳米多孔的制备方法主要有溶胶凝胶法、电化学腐蚀法、化学合成法等，制备的纳米多孔材料主要为有机高分子材料，金属氧化物材料等，在Ti-Al合金上制备纳米多孔结构还没有相关报道。杨帆等人在Materials Letters上发表的文章《Innovativefabrication of Ti-48Al-6Nb porous coating by cold gas spraying and reactivesintering》(Materials Letters,2012,76:190-193)通过冷喷涂的方法在高Nb-TiAl多孔合金表面制备了孔径为1.8μm的多孔层已经是最接近纳米尺寸的研究报道了，因此在高Nb-TiAl多孔合金骨架表面制备纳米多孔层具有重要创新意义。
另外，目前对于纳米多孔的制备方法具有能耗高，工艺复杂，设备要求高，污染环境等问题，本发明采用在室温下通过KOH溶液浸泡制备纳米多孔层，制备工艺简单，节约能源，设备要求低，腐蚀后的盐溶液对环境危害小。基于以上优点，该发明具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的纳米多孔制备方法，在高Nb-TiAl多孔合金骨架表面生成纳米多孔层，节省成本，降低能耗，减少污染。
本发明通过KOH溶液的浸泡，利用高Nb-TiAl多孔合金骨架的结构特点，在成分为Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb(at％)多孔合金骨架表面生成γ-Al2O3纳米多孔层，具体步骤如下：
一、制备Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金：称取Ti粉、Al粉、Nb粉放入SFM-11实验室小型V型混料机，混合均匀得到混合粉末；称取混合粉末在压片机下压制成圆饼状压坯，在真空钽烧结炉中烧结得到Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料。
步骤一中所述的Ti粉、Al粉、Nb粉纯度为99.9％，粒度为100-300目，成分按照Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb(at％)称量；所述的混料条件是20rpm转速下混合12-24小时；所述的压坯是在200MPa压力下压制成型的；所述的真空钽烧结炉真空度达到10-3Pa以上。
二、配制碱性溶液：所述的碱性溶液为KOH、氨水、小苏打。以KOH溶液为例，量取0.28-0.56g的纯度为95％以上的KOH颗粒，放入烧杯中，加入100ml去离子水，用玻璃棒充分搅拌溶解，静置，得到KOH溶液。
三、将制备的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料放入配制好的KOH溶液中，浸泡。
步骤三中浸泡的时间为5-10小时。
四、取出浸泡好的多孔合金材料，超声波清洗后放入YZF-6020台式电热真空干燥箱中干燥，得到具有γ-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料。所述的干燥温度100℃，真空度10-1Pa左右，干燥时间为1-2小时。
本发明优点：
一、本发明通过简单方法得到具有γ-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料，纳米多孔层厚度约200nm，孔径60±10nm；
二、本发明对实验设备要求低、工艺简单、能耗少、无污染；
三、具有γ-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料，在原有多孔合金的基础上，增加了多孔材料的比表面积，增强了多孔合金的吸附、过滤性及耐腐蚀性能。
附图说明
图1为Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb粉末压坯在真空钽烧结炉中烧结的工艺曲线；
图2为γ-Al2O3纳米多孔层的X射线衍射图谱；
图3为浸泡之前多孔合金骨架表面形貌；
图4为腐蚀后γ-Al2O3纳米多孔层形貌；
图5为γ-Al2O3纳米多孔层放大图；
图6为γ-Al2O3纳米多孔层横截面图；
图7为具有γ-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料的孔径-比表面积分布曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式通过KOH的浸泡，利用高Nb-TiAl多孔合金骨架的结构特点，在成分为Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb(at％)多孔合金骨架表面生成γ-Al2O3纳米多孔层，具体步骤如下：
一、制备Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金：称取Ti粉、Al粉、Nb粉放入SFM-11实验室小型V型混料机，混合均匀得到混合粉末；称取4g混合粉末在FYD-20电动台式压片机下压制成h＝2mm的圆饼状压坯，在真空钽烧结炉中烧结得到Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料；
步骤一中所述的Ti粉、Al粉、Nb粉纯度为99.9％，粒度为100-300目，成分按照Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb(at％)称量；所述的混料条件是20rpm转速下混合12-24小时；所述的压坯是在200MPa压力下压制成型的；所述的真空钽烧结炉真空度达到10-3Pa以上。
二、配制碱性溶液：以KOH溶液为例，量取0.28-0.56g的KOH颗粒，放入烧杯中，加入100ml去离子水，用玻璃棒充分搅拌溶解，静置，得到KOH溶液；所述的KOH颗粒纯度为95％以上；
步骤二中得到的KOH溶液浓度为0.00266g-0.00532g/ml；
三、将制备的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料放入配制好的KOH溶液中浸泡；浸泡的时间为5-10小时；
四、取出浸泡好的多孔合金材料，超声波清洗后放入YZF-6020台式电热真空干燥箱中干燥，得到具有γ-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料；所述的干燥温度100℃，真空度10-1Pa左右，干燥时间为1-2小时。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤二所用的KOH溶液浓度为0.000532g/ml，其他步骤与具体实施方式一相同；降低KOH溶液的浓度，仍然可以得到纳米多孔层，但是相比实施方式一的0.00266g/ml KOH，该浓度得到的纳米多孔层孔的深度较浅，孔结构不完整。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤二所用的KOH溶液浓度为0.0266g/ml，其他步骤与具体实施方式一相同；增加KOH溶液的浓度，仍然可以得到纳米多孔层，但是出现大量纳米尺寸腐蚀产物堵塞纳米孔，降低比表面积，影响纳米孔的性能。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤三中浸泡的时间为1-2小时，其他步骤与实施方式一相同；缩短浸泡的时间得到的纳米多孔层结构不完整，局部区域出现平整γ-Al2O3层向纳米多孔结构转化的过程。
采用实施方式二、三和四后得知，改变KOH的浓度和浸泡的时间都可以得到γ-Al2O3纳米多孔层，但是纳米孔的结构和形貌并不理想，说明只有在0.00266g-0.00532g/ml的KOH溶液中浸泡5-10小时得到理想的纳米多孔结构。
图1为Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb粉末压坯在真空钽烧结炉中烧结的工艺曲线，120℃保温是为了去除压坯中空气和水蒸气，600℃是Ti-Al反应生成TiAl3相的温度，900℃是TiAl3相向TiAl相转化的温度，1350℃是TiAl相向Ti3Al相转化的温度；
图2为γ-Al2O3纳米多孔层的X射线衍射图谱；
图3为浸泡之前多孔合金骨架表面形貌；
图4为腐蚀后γ-Al2O3纳米多孔层形貌；
图5为γ-Al2O3纳米多孔层放大图；
图6为γ-Al2O3纳米多孔层横截面图，浸泡前骨架表面光滑平整，腐蚀后生成了200nm厚的纳米多孔层，孔形状不规则，孔径为60±10nm；
图7为具有γ-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料的孔径-比表面积分布曲线，由于纳米孔的出现使得多孔合金的比表面积增加到0.24m2/g。

Claims (1)

1.一种多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)、制备Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金：称取Ti粉、Al粉、Nb粉放入混料机混合均匀得到混合粉末；称取混合粉末在FYD-20电动台式压片机下压制成圆饼状压坯，在真空钽烧结炉中烧结得到Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料；
2)、配制碱性溶液；
3)、将制备的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料放入配制好的碱性溶液中浸泡；
4)、取出浸泡好的多孔合金材料，超声波清洗后放入YZF-6020台式电热真空干燥箱中干燥，得到具有γ-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料；
其中，纳米多孔层厚度约200nm，孔径60±10nm；
步骤1)中所述的Ti粉、Al粉、Nb粉纯度为99.9％，粒度为100-300目，成分按照Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb(at％)称量；混料条件是20rpm转速下混合12-24小时；所述的压坯是在200MPa压力下压制成型的；所述的真空钽烧结炉真空度达到10-3Pa以上；
所述的碱性溶液为KOH，量取0.28-0.56g纯度为95％以上的KOH颗粒，放入烧杯中，加入100ml去离子水，用玻璃棒充分搅拌溶解，静置，得到KOH溶液；KOH溶液浓度为0.00266g-0.00532g/ml；
步骤3)中所述的浸泡的时间为5-10小时；
步骤4)中所述的干燥的温度为100℃，干燥时间1-2小时，真空度为10-1Pa。
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