CN1640529A - 钛、铝元素粉末反应合成制备钛铝金属间化合物过滤膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半渗透膜的生产，用于分离工艺的半透膜的专用制备方法，它是采用Ti、Al元素粉末，用模压成形方式或冷等静压成形方式制坯，通过低温预反应和高温短时反应两阶段真空烧结合成，低温预反应阶段的温度为500～ 800℃，时间为20～60分钟，高温短时反应阶段的温度为1200～1400℃，时间为10～30分钟。烧结方式采用真空无压烧结或低压热等静压制备成TiAl金属间化合物过滤膜，本过滤膜，由于采用TiAl金属间化合物，有利于控制过滤膜的孔径分布，制备过程不需要添加造孔剂，降低了能耗，几乎无污染。TiAl过滤膜具有良好的抗氧化性能、抗腐蚀性能、力学性能和过滤性能，使用寿命增长，并扩大了使用范围。同时能够与金属进行焊接，有利于与其它致密膜的复合。

Description

钛、铝元素粉末反应合成制备钛铝金属间化合物过滤膜的方法

技术领域：

本发明涉及半渗透膜的生产，用于分离工艺的半透膜的专用制备方法，具体是钛铝元素粉末反应合成TiAl金属间化合物过滤膜的制备方法。

背景技术：

膜工业在21世纪的多数工业中占据着重要的战略地位，被认为是20世纪末到21世纪中期最有发展前途的高技术之一。膜分离借助于外界能量或化学位差的推动，对两组分或多组分混合的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集，过程中大多无相变化，具有高效、节能、工艺简便、投资少、污染小等优点，广泛应用于国民经济各生产、研究部门以及国防建设领域。分离膜按制备材料可分为无机膜和有机高分子膜，其中无机膜由于具有高的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性而愈来愈受到重视。目前无机膜所用材料主要有陶瓷体，如氧化铝和玻璃，以及铜、镍和不锈钢等金属，所采用的制备技术主要有：固态粒子烧结法制备载体及过渡膜；采用溶胶—凝胶法制备超滤、微滤膜；采用分相法制备玻璃膜；采用化学气相沉积、无电镀等制备微孔膜或致密膜等。这些制备技术往往存在工艺较复杂，成本较高，过滤膜孔径难以控制等缺点。与制备工艺相比，无机膜的质量更大程度的受到其所用材料的限制。对金属材料而言，其抗氧化性能、耐酸碱腐蚀性能往往很差，使得过滤膜的使用环境受到很大限制，并且金属材料的组织稳定性较差，使用寿命较短，同时由于氢脆等问题难以与其它致密膜等复合。对陶瓷材料而言，由于陶瓷为硬脆相，采用固态粒子烧结法制备过滤膜，陶瓷粒子的成形性和烧结性能往往较差，生产过程能耗高，同时陶瓷的脆而不易焊接组件化等缺点限制了陶瓷膜的应用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种制备方法，向无机膜中引入物理性能及力学性能优异的TiAl金属间化合物，以大幅度提高无机膜的抗氧化性能、抗腐蚀性能、力学性能，过滤性能和使用寿命，扩大它的使用范围，简化其生产工艺流程，降低能耗，减少污染。

本发明采用的技术方案是：

首先将成分配比为50～60at.％Ti粉和40～50at.％Al粉进行均匀的混合；Ti粉的粒径200～10μm，Al粉的粒径200～5μm。

然后，采用模压成形或冷等静压成形的方式，制成片状或管状坯。采用模压成形时，压强为50～600MPa；采用冷等静压成形时，其压强为50～200MPa，芯杆锥度为0.1～2°，脱模后对冷等静压坯外径进行少量机加工，制成外径均匀，内径略成锥度，厚度为1～3mm的管状成形坯。

随后，通过低温预反应和高温短时反应两阶段合成法烧结，低温预反应阶段的温度为500～800℃，时间为20～60分钟；高温短时反应阶段的温度为1200～1400℃，时间为10～30分钟。烧结方式采用真空无压烧结，真空度为1×10^-1～1×10^-3Pa；或者采用低压热等静压方式，气氛为Ar气，压强为0.01～5MPa。

反应完成后，控制冷却速度10～50℃/min降温，从而制得TiAl金属间化合物过滤膜。

本发明制备钛铝金属间化合物过滤膜的方法与现有技术相比，具有以下优点：

1.由于TiAl金属间化合物具有优良的力学性能，耐酸碱腐蚀性能和抗氧化性能，其抗氧化极限可达800～950℃，采用TiAl金属间化合物制备无机过滤膜材料，大幅度改善了过滤膜的抗氧化性能、抗腐蚀性能和力学性能，提高了过滤膜的过滤性能和使用寿命，并扩大了无机膜的使用范围。

2.采用TiAl金属间化合物制备无机过滤膜材料，有利于控制无机膜的孔径分布。采用Ti、Al元素粉末制备无机膜的造孔机制是Al元素偏扩散引起Kirkendall效应。除了粉末冶金工艺本身带来一定量的孔隙外，Kirkendall效应可造成TiAl合金20～30％的开孔率，通过控制一定的工艺条件，比如Ti、Al粉末粒度配比和成分配比，反应合成的温度和保温时间等，可得到孔径精确控制的通孔。

3.Ti、Al元素粉末反应合成制备TiAl金属间化合物过滤膜材料过程中，不需要添加造孔剂即可获得40～50％的孔隙率，避免了传统工艺中的脱除造孔剂环节，降低了能耗，而且几乎无污染。

4.一定成分配比的TiAl金属间化合物在1300℃以下具有高的显微组织和晶粒尺寸稳定性，保证了TiAl无机膜的使用稳定性，并有利于TiAl无机膜与其它致密膜的复合。

具体实施方式：

实施例1

采用粒度为100～150μm的Ti粉和粒度为50～100μm的Al粉，按Ti-46.5at.％Al的成分配比进行混料，随后在200MPa的压力下模压成形，制成直径为50mm，厚1～2mm的片状坯；烧结采用两阶段反应法，气氛为真空，真空度控制在1×10^-2～1×10^-3Pa；低温预反应温度为600℃，保温时间为60min，高温短时反应温度为1300℃，保温时间为20min；反应完毕后冷却速度控制在40℃/min；由此制备的TiAl金属间化合物片状过滤膜，孔隙率为40～45％，开孔率为30～35％，最大孔径为6～8μm，同时具有良好的抗氧化性能和抗腐蚀性能。

实施例2

采用粒度为20～50μm的Ti粉和粒度为50～100μm的Al粉，按Ti-48at.％Al的成分配比进行混料；随后采用冷等静压成形管状坯，芯杆锥度为0.5°，压强为150MPa，经少量机加工后，制得外径为30mm，内径为28～29mm，高为200mm的管状成形坯；烧结采用两阶段反应合成法，气氛为真空，真空度控制在1×10^-2～1×10^-3Pa；低温预反应温度为620℃，保温时间为40min；高温短时反应温度为1260℃，保温时间为30min；反应完毕后冷却速度控制在30℃/min；由此制得渗透性能良好的TiAl金属间化合物管状过滤膜。

实施例3

采用粒度为150～200μm的Ti粉和粒度为20～50μm的Al粉，按Ti-48.5at.％Al的成分配比进行混料；随后在200MPa的压力下模压成形，制成直径为50mm，厚1～2mm的片状坯；烧结采用两阶段反应合成法，烧结方式为低压热等静压，气氛为Ar气，压强为0.1MPa；低温预反应温度为580℃，保温时间为50min；高温短时反应温度为1280℃，保温时间为20min；反应完毕后冷却速度控制在20℃/min；由此制备的TiAl金属间化合物片状过滤膜，孔隙率为35～40％，开孔率为25～35％，最大孔径为8～10μm，同时具有良好的抗氧化性能和抗腐蚀性能。

实施例4

采用粒度为10～40μm的Ti粉和粒度为10～40μm的Al粉，按Ti-47at.％Al的成分配比进行混料；随后采用冷等静压成形管状坯，芯杆锥度为1°，压强为150MPa，经少量机加工后，制得外径为40mm，内径为37.5～38.5mm，高为200mm的管状成形坯；烧结采用两阶段反应合成法，气氛为真空，真空度控制在1×10^-2～1×10^-3Pa；低温预反应温度为630℃，保温时间为30min，高温短时反应温度为1300℃，保温时间为15min；反应完毕后冷却速度控制在20℃/min；由此制得渗透性能良好的TiAl金属间化合物管状过滤膜。

Claims (1)

1.一种制备TiAl金属间化合物过滤膜的方法，其特征在于：

首先将成分配比为50～60at.％Ti粉和40～50at.％Al粉进行均匀的混合；Ti粉的粒径200～10μm，Al粉的粒径200～5μm。

然后，采用模压成形或冷等静压成形，制成片状或管状坯。模压成形时，其压强为50～600MPa；冷等静压成形时，其压强为50～200MPa，芯杆锥度为0.1～2°，脱模后对冷等静压坯外径进行机加工，制成外径均匀，内径略成锥度，厚度为1～3mm的管状成形坯。

随后，通过低温预反应和高温短时反应两阶段合成法烧结，低温预反应阶段的温度为500～800℃，时间为20～60分钟；高温短时反应阶段的温度为1200～1400℃，时间为10～30分钟。烧结方式采用真空无压烧结，真空度为1×10^-1～1×10^-3Pa；或者采用低压热等静压方式烧结，气氛为Ar气，压强为0.01～5MPa。

反应完成后，控制冷却速度10～50℃/min降温，从而制得TiAl金属间化合物过滤膜。