CN116423027A - 一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种致密钯膜与多孔金属的复合方法，包括以下步骤：步骤一、将致密钯膜依次进行打磨和超声清洗，得到预处理致密钯膜；步骤二、扩散焊连接：将预处理致密钯膜放置在多孔金属材料上，然后放入真空扩散炉的上压头和下压头之间进行真空扩散焊处理，完成致密钯膜与多孔金属材料的复合。本发明通过对致密钯膜进行预处理，便于致密钯膜与多孔金属材料紧密连接，提高有效焊接面积，保证了致密钯膜与多孔金属材料复合后的性能，通过将预处理致密钯膜放置在多孔金属材料上后进行真空扩散焊处理，使致密钯膜与多孔金属材料复合，在减薄钯膜厚度的同时，保证膜的强度，不仅节约了贵金属用量，降低了产品成本，而且可以极大的提高透氢率。
Description
技术领域
本发明属于异种金属复合技术领域，具体涉及一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法。
背景技术
工业上常用的钯或钯合金透氢材料为钯或钯合金管材，一般采用滚轧-拉拔法制备，为了维护足够的机械强度和稳定性，膜厚较大(>80微米)，这不仅增加了成本，同时壁厚较大会降低钯管材的透氢率。为了减小钯膜的厚度，研究人员将目光瞄准复合膜。就是以多孔材料为基体，在其上制备一层较薄的钯膜(<10微米)。采用钯复合膜，可将钯膜的厚度降低一个数量级，同时将膜的透氢率至少提高一个数量级。
要做到在减少钯合金厚度的同时而又提高其所承受的压力，必须将钯膜附在多孔的支撑体上。支撑体可以是多孔陶瓷、多孔玻璃或多孔金属。支撑钯膜的制备可以采用化学镀、化学气相沉积、热沉积、喷溅、涂镀等方法。这些方法对钯或钯膜的组成、厚度及结构等能够很好地控制。但采用上述方法制备的复合钯膜在制备过程中易产生微孔，膜的机械和热稳定性较差，在高温使用过程中易产生裂纹、脱落等问题。并且由于钯膜和多孔材料的膨胀系数的差异，复合膜的可靠密封焊接较为困难。这也是多孔材料钯复合膜在工业应用中需解决的技术难点。
因此需要一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法。该方法通过对致密钯膜进行预处理，便于致密钯膜与多孔金属材料紧密连接，保证了致密钯膜与多孔金属材料复合后的性能，通过将预处理致密钯膜放置在多孔金属材料上后进行真空扩散焊处理，使致密钯膜与多孔金属材料复合，在减薄钯膜厚度的同时，保证膜的强度，不仅节约了贵金属用量，降低了产品成本，而且可以极大的提高透氢率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、预处理：将致密钯膜依次进行打磨和超声清洗，得到预处理致密钯膜；
步骤二、扩散焊连接：将步骤一中得到的预处理致密钯膜放置在多孔金属材料上，然后放入真空扩散炉的上压头和下压头之间进行真空扩散焊处理，完成致密钯膜与多孔金属材料的复合。
本发明通过对致密钯膜用细砂纸轻轻打磨，使致密钯膜表面变平整，通过对致密钯膜采用丙酮超声清洗去除表面油污和杂质，便于致密钯膜与多孔金属材料紧密连接，保证了致密钯膜与多孔金属材料复合后的性能，通过将预处理致密钯膜放置在多孔金属材料上后进行真空扩散焊处理，使致密钯膜与多孔金属材料复合，在减薄钯膜厚度的同时，保证膜的强度，不仅节约了贵金属用量，降低了产品成本，而且可以极大的提高透氢率。
上述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤二中所述多孔金属材料为镍及其合金、铜及其合金或不锈钢。本发明通过控制多孔金属材料的材质，具有价格低廉，加工制造成本低，与钯膜的膨胀系数相近，在工作条件下不易脱落等优点。
上述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤一中所述致密钯膜的材质为：纯钯或钯合金，所述钯合金包括Pd-Ag合金、Pd-Cu合金、Pd-Re合金、Pd-Y合金、PdAgAuNi合金。本发明适用于多种钯或钯合金的致密钯膜，针对不用的要求形成不同的复合材料。
上述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤一中所述致密钯膜的厚度为0.01mm～0.1mm。本发明采用的致密钯膜是相对于多孔膜来说的，主要由物质的晶区和无定形区组成的，孔径较小，膜的孔结构已难于用电子显微镜分辨，只能用气体渗透法或气体吸附法测定，通常采用机械轧制法生产制备，而采用电镀，化学镀，气相沉积等方法制备的膜由于孔径较大，厚度较薄，称之为多孔膜；本发明通过控制致密钯膜的厚度，既可以保证其致密性，降低使用成本，获得透氢率较高的膜材、同时膜产品稳定性较高，避免了厚度大于0.1mm，膜的透氢速率较低的不足，避免了厚度小于0.01mm，加工成本较高，膜的致密性很难保证，会出现针孔等缺陷，影响膜的选择透氢性能的不足。
上述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤二中所述真空扩散焊处理的过程为：将真空扩散炉内抽真空至1.0×10-2Pa以下，然后使上压头和下压头之间的压力为4MPa～10MPa，并以5℃/min～10℃/min的升温速率加热至600℃～900℃后保温30min～60min，再随炉冷却至100℃以下后停止施压，最后进行校平。本发明通过抽真空将材料中的气体和杂质挥发出去，使材料表面和内部变得更加纯净和均匀，有利于提高复合强度，本发明通过控制上压头和下压头之间的压力，即对预处理致密钯膜和多孔金属材料施加压力，使两种材料在界面发生轻微塑性变形，增加二者的接触面积，从而提高结合强度，但过大的复合压力，会使钯膜发生为严重的扭曲变形，甚至出现破损，因此压力控制在4MPa～10MPa，起到最佳的复合效果，本发明通过控制真空扩散焊的升温速率、加热温度和时间，控制在基体合金最低再结晶温度以上，液相线温度以下，一定的升温速率和保温时间可以使接触面两侧的材料发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接，提高复合强度。
上述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤二中所述上压头和下压头上设置有阻焊层。本发明通过设置阻焊层防止致密钯膜和多孔金属材料与上压头和下压头发生焊接。
上述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤二中所述多孔金属材料表面制备有中间层材料，所述预处理致密钯膜的打磨面与多孔金属材料具有中间层材料的一面连接。本发明通过在多孔金属材料表面制备中间层材料，便于致密钯膜和多孔金属材料的连接，有效的控制焊接区域并且提高焊接强度，通过将预处理致密钯膜的打磨面与多孔金属材料具有中间层材料的一面连接，进一步提高焊接效果。
上述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，所述中间层材料采用电镀、化学镀、物理气相沉积或离子溅射的方式制备。本发明通过控制中间层材料的制备方式，保证了在多孔金属材料表面制备一层平整的中间层材料，通过添加中间层金属过渡，可以更好的促进复合的两种金属发生扩散焊接，降低复合温度和保温时间，提高复合材料的强度。
上述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，所述中间层材料的材质为Ni、Cu或Ag，所述中间层材料的厚度为3μm～10μm。本发明选择Ni、Cu或Ag等中间层材料，一是考虑这些材料本身是基体材料所包含的基本元素或者与基体所包含主要元素之间能形成固溶体，减少两种复合金属由于结晶化学性能差别较大，易在金属接触界面发生脆性化合物的技术问题；二是Ni、Cu或Ag可以通过简单的表面预镀处理获得，其厚度可以精确的控制；另外，设置中间层材料可以降低两种复合材料由于热膨胀系数不同，导致复合接头处产生较大内应力的问题。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过对致密钯膜进行预处理，便于致密钯膜与多孔金属材料紧密连接，保证了致密钯膜与多孔金属材料复合后的性能，通过将预处理致密钯膜放置在多孔金属材料上后进行真空扩散焊处理，使致密钯膜与多孔金属材料复合，在减薄钯膜厚度的同时，保证膜的强度，不仅节约了贵金属用量，降低了产品成本，而且可以极大的提高透氢率。
2、本发明采用扩散焊的方法实现致密钯膜和多孔金属材料支撑体的复合焊接，不需要钎料的加入，通过预镀一层中间层材料，可以有效的控制焊接区域和焊接强度。
3、本发明采用的致密钯膜是通过合金熔炼，机械轧制的方法制备的，相对于其他方法，可实现多元，复杂成分膜材的制备，同时膜的致密稳定性好，膜表面无针孔和气孔等缺陷。
4、本发明依次采用预处理和扩散焊连接实现致密钯膜与多孔金属材料的复合，操作简单，控制方便，低成本，便于工业化生产，在高纯氢纯化和分离领域具有良好的应用前景。
5、本发明通过将致密钯膜与多孔金属材料复合，将钯膜的厚度降低一个数量级，同时将膜的透氢率至少提高一个数量级。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明致密钯膜与多孔金属材料进行真空扩散焊处理时的结构示意图。
附图标记说明：
1—上压头； 2—上阻焊层； 3—致密钯膜；
4—中间层材料； 5—多孔金属材料； 6—下阻焊层；
7—下压头。
具体实施方式
图1是本发明致密钯膜与多孔金属材料进行真空扩散焊处理时的结构示意图，从图1中可以看出，上压头1下部设置有上阻焊层2，上组焊层2下方设置有致密钯膜3，致密钯膜3下部设置有具有中间层材料4的多孔金属材料5，且中间层材料4与致密钯膜3接触，多孔金属材料5下方设置有下阻焊层6，下阻焊层6下部设置有下压头7。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、预处理：在厚度为0.1mm的Ni68Cu28Fe多孔金属材料表面采用电镀制备厚度为5μm的Cu中间层材料，将厚度为0.015mm的PdCu40致密钯膜用200号～1000号的细砂纸轻轻打磨，然后将多孔金属材料和致密钯膜放在丙酮中超声清洗10min，去除表面油污和杂质，再用冷风吹干，得到预处理多孔金属材料和预处理致密钯膜；
步骤二、扩散焊连接：将步骤一中得到的预处理致密钯膜放置在步骤一中得到的预处理多孔金属材料上，然后放入真空扩散炉的上压头和下压头之间进行真空扩散焊处理，完成致密钯膜与多孔金属材料的复合；所述真空扩散焊处理的过程为：将真空扩散炉内抽真空至5.0×10-3Pa，然后使上压头和下压头之间的压力为5MPa，并以10℃/min的升温速率加热至800℃后保温30min，再随炉冷却至100℃以下后停止施压，最后进行校平；所述上压头和下压头上设置有阻焊层；所述预处理致密钯膜的打磨面与多孔金属材料具有中间层材料的一面连接。
本实施例的中间层材料还可采用化学镀、物理气相沉积或离子溅射的方式制备。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、预处理：在厚度为0.15mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢多孔金属材料表面采用电镀制备厚度为3μm的Ni中间层材料，将厚度为0.02mm的PdAgAuNi23-3-0.3致密钯膜用200号～1000号的细砂纸轻轻打磨，然后将多孔金属材料和致密钯膜放在丙酮中超声清洗10min，去除表面油污和杂质，再用冷风吹干，得到预处理多孔金属材料和预处理致密钯膜；
步骤二、扩散焊连接：将步骤一中得到的预处理致密钯膜放置在步骤一中得到的预处理多孔金属材料上，然后放入真空扩散炉的上压头和下压头之间进行真空扩散焊处理，完成致密钯膜与多孔金属材料的复合；所述真空扩散焊处理的过程为：将真空扩散炉内抽真空至2.0×10-2Pa，然后使上压头和下压头之间的压力为4MPa，并以5℃/min的升温速率加热至600℃后保温20min，再随炉冷却至100℃以下后停止施压，最后进行校平；所述上压头和下压头上设置有阻焊层；所述预处理致密钯膜的打磨面与多孔金属材料具有中间层材料的一面连接。
本实施例的中间层材料还可采用化学镀、物理气相沉积或离子溅射的方式制备。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、预处理：在厚度为0.2mm的CuNi30多孔金属材料表面采用电镀制备厚度为4μm的Ag中间层材料，将厚度为0.025mm的PdY致密钯膜用200号～1000号的细砂纸轻轻打磨，然后将多孔金属材料和致密钯膜放在丙酮中超声清洗10min，去除表面油污和杂质，再用冷风吹干，得到预处理多孔金属材料和预处理致密钯膜；
步骤二、扩散焊连接：将步骤一中得到的预处理致密钯膜放置在步骤一中得到的预处理多孔金属材料上，然后放入真空扩散炉的上压头和下压头之间进行真空扩散焊处理，完成致密钯膜与多孔金属材料的复合；所述真空扩散焊处理的过程为：将真空扩散炉内抽真空至3.0×10-3Pa，然后使上压头和下压头之间的压力为10MPa，并以8℃/min的升温速率加热至900℃后保温25min，再随炉冷却至100℃以下后停止施压，最后进行校平；所述上压头和下压头上设置有阻焊层；所述预处理致密钯膜的打磨面与多孔金属材料具有中间层材料的一面连接。
本实施例的中间层材料还可采用化学镀、物理气相沉积或离子溅射的方式制备。
实施例4
本实施例和实施例3的区别在于：在厚度为0.2mm的CuNi30多孔金属材料表面不电镀中间层材料。
实施例5
本实施例和实施例3的区别在于：致密钯膜为Pd-Re合金。
实施例6
本实施例和实施例3的区别在于：多孔金属材料为镍。
实施例7
本实施例和实施例3的区别在于：多孔金属材料为铜。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、预处理：将致密钯膜依次进行打磨和超声清洗，得到预处理致密钯膜；
步骤二、扩散焊连接：将步骤一中得到的预处理致密钯膜放置在多孔金属材料上，然后放入真空扩散炉的上压头和下压头之间进行真空扩散焊处理，完成致密钯膜与多孔金属材料的复合。
2.根据权利要求1所述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤二中所述多孔金属材料为镍及其合金、铜及其合金或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤一中所述致密钯膜的材质为：质量纯度不小于99％的纯钯或钯合金，所述钯合金包括Pd-Ag合金、Pd-Cu合金、Pd-Re合金、Pd-Y合金、PdAgAuNi合金。
4.根据权利要求1所述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤一中所述致密钯膜的厚度为0.01mm～0.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤二中所述真空扩散焊处理的过程为：将真空扩散炉内抽真空至1.0×10-2Pa以下，然后使上压头和下压头之间的压力为4MPa～10MPa，并以5℃/min～10℃/min的升温速率加热至600℃～900℃后保温30min～60min，再随炉冷却至100℃以下后停止施压，最后进行校平。
6.根据权利要求1所述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤二中所述上压头和下压头上设置有阻焊层。
7.根据权利要求1所述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，步骤二中所述多孔金属材料表面制备有中间层材料，所述预处理致密钯膜的打磨面与多孔金属材料具有中间层材料的一面连接。
8.根据权利要求7所述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，所述中间层材料采用电镀、化学镀、物理气相沉积或离子溅射的方式制备。
9.根据权利要求7所述的一种致密钯膜与多孔金属材料的复合方法，其特征在于，所述中间层材料的材质为Ni、Cu或Ag，所述中间层材料的厚度为3μm～10μm。
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