NL1020534C2 - Werkwijze voor het vervaardigen van een poreus voorwerp uit titaan materiaal. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het vervaardigen van een poreus voorwerp uit titaan materiaal.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een poreus voorwerp uit titaan materiaal.

5 Een dergelijk voorwerp kan zowel een twee dimensionaal als een drie dimensionaal voorwerp omvatten. Als voorbeeld voor een twee dimensionaal produkt wordt een drager voor een foto katalysator genoemd of een produkt waarbij een groot oppervlak noodzakelijk is. Andere niet uitputtende voorbeelden zijn elektroden, condensatoren, brandstofcellen, elektrolyseerinrichtingen, constructieve delen en 10 dergelijke.

Het bewerken van massief titaan is in de stand der techniek algemeen bekend en thans worden daarbij geen moeilijkheden ondervonden.

Dit is anders voor het vervaardigen van poreus titaan. Het is mogelijk poreus titaan te verkrijgen dat echter een zeer beperkte sterkte heeft. In bovenstaande 15 toepassingen zijn hoge poreusheid, groot oppervlak, corrosie-weerstand en gewicht van belang evenals goede mechanische eigenschappen.

In de stand der techniek is poreus titaan vervaardigd met sinteren van titaan metaal poeder. Bij verhoogde sintertemperatuur is het titaanpoeder zeer gevoelig voor een zuivere atmosfeer tijdens de behandeling daarvan. Gebleken is dat titaanpoeder 20 zeer agressief is bij verhoogde temperatuur waardoor een oppervlaktelaag van bijvoorbeeld titaanoxide of titaancarbide ontstaat. Zodra een dergelijke laag of andere laag gevormd is, wordt het sinteren belemmerd omdat de hechting van hechtende poederdeeltjes negatief beïnvloed wordt.

Om dit probleem op te lossen is in de stand der techniek voorgesteld waterstofgas 25 tijdens het sinteren toe te voegen. Op deze wijze kan een reducerende atmosfeer verkregen worden. Gebleken is echter dat zelfs indien waterstof toegevoegd wordt als gas nog steeds het versmelten van poederdeeltjes verre van optimaal is waardoor slechte mechanische eigenschappen van het poreuze eindprodukt verkregen worden.

Uit US-A-4206516 is een werkwijze bekend voor het voorzien in een poreuze 30 oppervlaktelaag op een grote titaansubstraat. Daartoe wordt een suspensie van zuiver titaan hydraat op het substraat aangebracht. Door thermisch uiteenvallen worden de titaanhydridedeeltjes omgezet in titaanmetaal. De suspensie wordt door versproeien 1020534 2 opgebracht. Omdat zuivere titaanhydridedeeltjes gebruikt worden kan aanzienlijke krimp na het sinteren verwacht worden.

Uit US-A-2254549 is een samenstelling bekend omvattende 60-90% van een basismetaal niet zijnde titanium, een bij lage temperatuur smeltend bindmiddel, dat 5 kopertitaan en metaalhydride kan omvatten. Het bindmiddel zal in het eindproduct aanwezig zijn.

US-A-3950166 toont het gebruik van hetzij titanium hetzij titaniumhydride zonder mengsels daarvan. Uit het abstract van de Japanse octrooiaanvrage 2000-017301 is een gesinterd compact materiaal bekend dat niet poreus is omdat de 10 gesinterde dichtheid hoger dan 95% ligt. Een hoog percentage 35-95 gew.% titaanhydridepoeder wordt aan titaanpoeder toegevoegd.

Uit US-A-5863398 is een werkwijze voor het door sputteren verwezenlijken van een voorwerp.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding in een verbeterde werkwijze voor 15 het vervaardigen van een voorwerp uit titaan materiaal te verschaffen, met verbeterde mechanische eigenschappen.

Volgens de uitvinding wordt dit verwezenlijkt doordat 0,01-10 gew.% titaan hydride aanwezig is.

Daardoor worden geen titaansamenstellingen gevormd bij het oppervlak van het 20 titaanpoeder materiaal zodat een zuiver titaanpoeder materiaal onderworpen wordt aan sinteren bij verhoogde temperatuur waardoor verbeterd sinteren ontstaat.

Volgens de uitvinding wordt tussen 0,01-10% gew.% titaanhydride poeder toegepast. Dit gewichtspercentage hangt af van het totale poedermateriaal dat tijdens het sinteren gebruikt wordt.

25 Titaanhybride valt bij een verhoudingsgewijs lage temperatuur van ongeveer 288°C uiteen en enige aanwezige verontreinigingen zoals zuurstof of koolstof kunnen gevangen worden door vrije hydriden (waterstof ionen) die ontstaan. Een verder voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is dat het mogelijk is om de temperatuur van het sinteren verhoudingsgewijs laag te houden, bijvoorbeeld onder 30 1000°C. Het sinterproces duurt tussen 1 en 1000 minuten in het bijzonder ongeveer 0,5 - 1 uur. Het is met de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding mogelijk om de poreusheid van het te verkrijgen produkt nauwkeurig in te stellen.

i 02 0-- - 3

Volgens een verdere voorkeursuitvoering van de uitvinding wordt in een organisch bindmiddel voorzien, dat tijdens het sinteren zal verdampen of in een eerdere stap uitgestookt wordt. Zoals hierboven aangegeven, wordt enige koolstof die ontstaat met de neiging te reageren met titaan door de waterstof ionen weggevangen.

5 Al naar gelang de vereisten wordt het vacuüm ingesteld en zal in het algemeen liggen tussen 0,1 en 10 exp.(-6) atmosfeer dat wil zeggen verhoudingsgewijs laag.

Indien 3D voorwerpen vervaardigd moeten worden, wordt volgens een uitvoering van de uitvinding in een schuim voorzien dat geïmpregneerd wordt met het titaan hydride poeder nadat dit poeder in suspensie gebracht is. Het schuim wordt uitgestookt 10 en de daaruit ontstaande structuur wordt aan een sinterstap onderworpen. Een ander voorstel is het onderwerpen van het poedermengsel aan een persstap voor het sinteren. Deze persstap kan uni-axiaal zijn of kan koud isostatisch persen omvatten. In plaats van zuiver titaan (kwaliteit 1-12) kunnen titaan gebaseerde legeringen (α-legeringen, bijna a-legeringen, α-β-legeringen, β-legeringen) gebruikt worden. Voorbeelden zijn koper, 15 wolfraam, nikkel molybdeen, iridium, platina en zilver.

Volgens een verdere voorkeursuitvoering wordt het geperste voorwerp op een substraat gesinterd. Dat substraat kan een molybdeen plaat omvatten, die bekleed wordt met een (hexagonale) boomitride versproeiing voor verbeterde hechting. Andere techniek voor het vervaardigen van een sponsachtige titaanstructuur zijn voorstelbaar. 20 Voor twee dimensionale produkten is bandgieten een mogelijkheid. Tijdens het bandgieten wordt een gietpasta vervaardigd uit een titaanpoeder, titaanhydride en een organisch bindmiddel. Folie-band worden bijvoorbeeld met een afstrijkblad gegoten op een niet hechtende vlakke drager zoals een vlakke teflondrager. Vervolgens wordt het bindmiddel verwijderd door het verwarmen tot 600°C buiten aanwezigheid van 25 zuurstof. Koolstof wordt onschadelijk gemaakt door het effect van het uiteen vallende titaan hydride. Vervolgens word de folie-band gesinterd in de aanwezigheid van een reduceermiddel.

Het titaanmateriaal kan een van de hierboven genoemde materialen zijn. Het organisch bindmiddel kan een organisch polymeer bindmiddel zijn zoals polyvinyl 30 butyral, methacrylaat emulsie enz. of een of meer organische oplosmiddelen (ethanol, isopropanol, tolueen, terpineool enz.), organisch dispergeermiddel (Menhaden olie,

Com oil, Glycerol trioleaat, glycerol tristearaat, oleine zuur enz.), organisch 1020534 4 plastificeermiddelen (glycerine, dibuthyl ftalaat, polyetheen glycol enz.), losmiddel (stearine zuur enz.), homogeniseermiddel (diethyl ether, cyclohexaan enz.).

Na het bereiden van een folie/band op een niet hechtend oppervlak kan dit bij kamertemperatuur gedroogd worden in lucht en overmaat oplosmiddel kan verwijderd 5 worden. De droge band/folie kan gemakkelijk van het draagoppervlak verwijderd worden en tot de gewenste afmeting gesneden. De mechanische sterkte is voldoende voor transport. Vervolgens wordt de band/folie gedragen op een metaal zoals molybdeen of wolfraam bekleed met een hexagonale BN suspensie en vervolgens warmte behandeld in een neutrale atmosfeer tot 600°C om alle organische 10 componenten te pyroliseren. Tijdens deze verwarming worden titaanhydride en meer in het bijzonder hybride werkzaam. Vervolgens wordt sinteren verwezenlijkt bij in een temperatuurbereik van 600-1600°C in hetzij een neutrale atmosfeer (argon, stikstof) of een reducerende atmosfeer met stikstof en een inert gas bij een verhoudingsgewijs laag drukpunt.

15 De uitvinding zal verder verduidelijkt worden aan de hand van enkele voorbeelden.

I. In een eerste voorbeeld werden dichte 3D titanium voorwerpen zoals cilinders vervaardigd.

Titaanpoeder (-325 mesh) werd met 7 gew.% oplossing van een PVA polymeer 20 (20 gew.% concentratie) gemengd en de cilinders van 300 mm in diameter en 10 mm hoogte werden in de uniaxiale pers onder een druk van 100 MPa geperst. De monsters werden gedroogd bij een temperatuur van 80°C gedurende 2 uur in een oven en vervolgens gesinterd in een vacuüm oven op de molybdeen plaat bekleed met een dunne laag hexagonaal boomitride. Het sinterproces werd uitgevoerd in een vacuüm 25 oven bij 1300°C gedurende 2 uur in de aanwezigheid van T1H2 reduceermiddel in de hoeveelheid van 0,1 gew.% tot het totale gewicht van het monster. De verkregen verdichtingsgraad was 98%. Restporiën waren volledig gesloten.

Π. In een verder voorbeeld werden poreuze 3-dimensionale titaan voorwerpen zoals kubussen vervaardigd.

30 Een 40 vol.% waterige suspensie titaanpoeder werd vervaardigd met als uitgangsmateriaal het titaanpoeder (-325 mesh), water als oplosmiddel en 5 gew.% methylcellulose als bindmiddel. De viscositeit van de titaansuspensie was ongeveer 2cPa.s. De monsters met kubische gedaante en een afmeting van 2,5 x 2,5 x 2,5 cm uit 1020534 5 polyurethaan schuim met 20 ppi werden met de suspensie geïmpregneerd. Overmaat suspensie werd uit de monsters in een rolpers verdreven. De monsters werden bij een temperatuur van 85°C gedurende 2 uur in een elektrisch verwarmde oven verhit en vervolgens in een vacuüm oven gesinterd bij de aanwezigheid van T1H2 5 (reduceermiddel) bij 1000°C gedurende 1 uur. De krimp van de monsters lag in het bereik van 15-16%, dichtheid van 0,45 g/cm3 en open poreusheid van 90 vol.%.

III. In een derde voorbeeld werd een poreus 2-dimensionaal titaan voorwerp vervaardigd, a) Bereiding 10 - Samenstelling van de pasta voor bandgieten:

Titaanpoeder (-325 mesh) -55 gew.%

Bindstelsel B-33305 (van FERRO) -45 gew.% (op Polyvinyl Butyral gebaseerd bindstelsel met gebruik van tolueen/ethanol oplosmiddelen; vaste bindmiddelen 15 - 22,4 gew.%, verhouding hars/plastificeermiddel -1,7:1, viscositeit -450cPs).

Alle componenten van de pasta werden gemengd door schudden in een Turbula menginrichting gedurende 45 min. en vervolgens als band gegoten op de glasplaat bekleed met taflon tape. De viscositeit van het bindmiddelstelsel was ongeveer 450 cPa.s.. Het afstrijkbladstelsel werd gebruikt voor het ormen van een band met een dikte 20 van 0,5 mm en een breedte van 30 cm.

De band werd in een omgevingsatmosfeer gedurende 4 uur gedroogd en vervolgens 1 uur in een oven bij een temperatuur van 60°C.

De band werd gesneden in monsters met afmetingen 12x12 cm2. De monsters werden geplaatst op molybdeen platen bekleed met een hexagonale BN versproeiing en 25 T1H2 poeder en vervolgens gesinterd in een elektrische oven tussen twee Mo platen gescheiden door afstand houders onder vacuüm bij een temperatuur van 1000°C gedurende 1 uur. De verwarmingssnelheid was 200°C/uur, de koelsnelheid even groot als die van de oven.

Hoewel de uitvinding hierboven verduidelijkt is aan de hand van 30 voorkeursuitvoeringen van de uitvinding zullen na de bovenstaande beschrijving bij degene bekwaam in de stand der techniek dadelijk verdere uitvoeringen opkomen die voor de hand liggend zijn na het bovenstaande en liggen binnen het bereik van de bijgevoegde conclusies.

1020534

Claims (11)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een poreus voorwerp uit titaan materiaal, omvattende het voorzien in een titaanmetaal bevattend poeder, het sinteren van dat 5 poeder bij ten minste 1000° onder vacuüm omstandigheden of in een inerte/reducerende atmosfeer, met het kenmerk, dat 0,01-10 gew.% titaan hydride aanwezig is.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij dat poeder een organisch bindmiddel 10 omvat.

3. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij een organisch schuim geïmpregneerd wordt met dat poeder dat in suspensie gebracht is.

4. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij dat poeder aan een persstap voor het sinteren onderworpen wordt.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij het geperste artikel op een substraat gesinterd wordt. 20

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij dat substraat een molybdeen substraat omvat.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij dat molybdeen substraat bekleed is met 25 een hexogonale BN laag.

8. Werkwijze volgens een van de conclusies 1 of 2, waarbij een pasta omvattende titaanpoeder/organisch bindmiddel bereid wordt en dat poeder op een substraat aangebracht wordt. 30

9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij die combinatie onderworpen wordt aan de verwarmingsstap tot 1000°C, waarna het substraat verwijderd wordt en de verkregen folie/band aan het sinteren onderworpen wordt. 1020534

10. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij dat poeder een titaan legering omvat.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij die legering tenminste een element omvat uit de groep Cu, W, Ni, Mo, Ir, Pt. Ag. 1020534