專利名稱：孔徑梯度均質(zhì)鈦鋁金屬間化合物過濾膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半滲透膜的生產(chǎn)，用于分離工藝的半透膜的專用制備方法，具體是制備孔徑梯度均質(zhì)TiAl金屬間化合物過濾膜的方法。
背景技術(shù)：
目前無機(jī)膜所用材料主要有陶瓷體，如氧化鋁和玻璃，以及銅、鎳和不銹鋼等金屬，所采用的制備技術(shù)主要有固態(tài)粒子燒結(jié)法制備載體及過渡膜；采用溶膠-凝膠法制備超濾、微濾膜；采用分相法制備玻璃膜；采用化學(xué)氣相沉積、無電鍍等制備微孔膜或致密膜等。這些制備技術(shù)往往存在工藝較復(fù)雜，成本較高，過濾膜孔徑難以控制等缺點。與制備工藝相比，無機(jī)膜的質(zhì)量更大程度的受到其所用材料的限制。對金屬材料而言，其抗氧化性能、耐酸堿腐蝕性能往往很差，使得過濾膜的使用環(huán)境受到很大限制，并且金屬材料的組織穩(wěn)定性較差，使用壽命較短，同時由于氫脆等問題難以與其它致密膜等復(fù)合。對陶瓷材料而言，由于其為硬脆相，采用固態(tài)粒子燒結(jié)法制備過濾膜，陶瓷粒子的成形性和燒結(jié)性能往往較差，生產(chǎn)過程能耗高，同時陶瓷的脆而不易焊接組件化等缺點限制了陶瓷膜的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目在于提供一種方法，以大幅度提高無機(jī)膜的抗氧化性能、抗腐蝕性能和力學(xué)性能，提高無機(jī)膜的過濾性能和使用壽命，擴(kuò)大無機(jī)膜的使用范圍，并簡化無機(jī)膜的生產(chǎn)工藝流程，降低能耗，減少污染。
本發(fā)明采用向無機(jī)膜中引入物理性能及力學(xué)性能優(yōu)異的TiAl金屬間化合物的方案首先將成分配比為50～60at.％Ti粉和40～50at.％Al粉進(jìn)行均勻混合；Ti粉的粒徑為200～10μm，Al粉的粒徑為200～5μm。
然后，通過模壓成形或冷等靜壓成形，將Ti、Al元素粉末直接與Ti箔或Al箔復(fù)合成形，制成片狀或管狀坯。具體過程為將Ti箔或Al箔置于普通模壓機(jī)的沖頭端部，并與Ti、Al元素混合粉末直接接觸，通過模壓成形制得片狀坯；或者將Ti箔或Al箔置于芯桿外側(cè)并與之緊密接觸，同時與Ti、Al元素混合粉末直接接觸，通過冷等靜壓成形方式制得管狀坯，Ti箔或Al箔的厚度為10～50μm，采用冷等靜壓制備大件管狀成形坯時，壓強(qiáng)為50～200MPa，芯桿成錐度為0.1～2°，脫模后對冷等靜壓坯外徑進(jìn)行少量機(jī)加工，制成外徑均勻，內(nèi)徑略成錐度，厚度為1～3mm的管狀成形坯。
或者，先將Ti、Al元素粉末模壓成形或冷等靜壓成形為片狀坯、管狀坯，再通過Al液表面熔浸的方式制成復(fù)合成形坯；坯表面熔浸Al層的厚度為0.01～0.5mm，熔浸溫度為670～900℃，熔浸時間為0.1～10min。
隨后通過低溫預(yù)反應(yīng)和高溫短時反應(yīng)兩階段合成法燒結(jié)低溫反應(yīng)階段的溫度為500～800℃，時間為20～60分鐘，高溫短時反應(yīng)階段的溫度為1200～1400℃，時間為10～30分鐘。
燒結(jié)方式可采用真空無壓燒結(jié)，真空度為1×10-1～1×10-3Pa，低溫預(yù)反應(yīng)階段的溫度為500～800℃，時間為20～60分鐘；高溫短時反應(yīng)階段的溫度為1200～1300℃，時間為10～30分鐘。或者采用低壓熱等靜壓方式燒結(jié)，氣氛為Ar氣，壓強(qiáng)為0.01～5MPa，低溫預(yù)反應(yīng)階段的溫度為500～800℃，時間為20～40分鐘；高溫短時反應(yīng)階段的溫度為1200～1300℃，時間為10～20分鐘。
反應(yīng)完成后，控制冷卻速度10～50℃/min降溫，制得孔徑梯度均質(zhì)鈦鋁金屬間化合物過濾膜。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.由于TiAl金屬間化合物具有優(yōu)良的力學(xué)性能，耐酸堿腐蝕性能和抗氧化性能，其抗氧化極限可達(dá)800～950℃，采用TiAl金屬間化合物制備無機(jī)過濾膜，大幅度改善了無機(jī)過濾膜的抗氧化性能、抗腐蝕性能和力學(xué)性能，提高了無機(jī)膜的過濾性能和使用壽命，并擴(kuò)大了無機(jī)膜的使用范圍。
2.采用TiAl金屬間化合物制備過濾膜，有利于控制膜的孔徑分布。采用Ti、Al元素粉末制備過濾膜的造孔機(jī)制是Al元素偏擴(kuò)散引起Kirkendall效應(yīng)。除了粉末冶金工藝本身帶來一定量的孔隙外，Kirkendall效應(yīng)可造成TiAl合金20～30％的開孔率，通過控制一定的工藝條件，比如Ti、Al粉末粒度配比和成分配比，反應(yīng)合成的溫度和保溫時間等，可得到孔徑精確控制的通孔。
3.Ti、Al元素粉末復(fù)合成形和反應(yīng)合成，制備TiAl金屬間化合物孔徑梯度均質(zhì)過濾膜，由于Al元素偏擴(kuò)散所引起Kirkendall效應(yīng)，在復(fù)合坯體中形成了孔徑由非復(fù)合端的1～10μm到復(fù)合端的0.01～0.5μm的孔徑梯度，通過控制復(fù)合工藝條件和燒結(jié)工藝條件可控制材料的孔徑梯度狀況，因此，TiAl金屬間化合物孔徑梯度均質(zhì)過濾膜，可直接用作性能優(yōu)異的微濾膜和納濾膜。
4.Ti、Al元素粉末復(fù)合成形和反應(yīng)合成，制備TiAl金屬間化合物孔徑梯度均質(zhì)過濾膜過程中，不需要添加造孔劑即可獲得40～50％的孔隙率，避免了傳統(tǒng)工藝中的脫除造孔劑環(huán)節(jié)，降低了能耗，而且?guī)缀鯚o污染。
5.TiAl金屬間化合物在1300℃以下具有高的顯微組織和晶粒尺寸穩(wěn)定性，保證了TiAl無機(jī)膜的使用穩(wěn)定性，同時由于過濾膜中孔徑梯度的存在，并且TiAl過濾膜可以與金屬進(jìn)行焊接，有利于過濾膜與其它致密金屬膜的復(fù)合。
具體實施例方式實施例1采用粒度為100～150μm的Ti粉和粒度為50～100μm的Al粉，按Ti-46.5at.％Al的成分配比進(jìn)行混料；隨后在200MPa的壓力下模壓成形，同時將Al箔置于普通模壓機(jī)的沖頭端部，制成直徑為50mm，厚1～2mm的復(fù)合片狀坯；燒結(jié)采用兩階段反應(yīng)法，氣氛為真空，真空度控制在1×10-2～1×10-3Pa，低溫預(yù)反應(yīng)溫度為600℃，保溫時間為60min，高溫短時反應(yīng)溫度為1300℃，保溫時間為20min；反應(yīng)完畢后冷卻速度控制在40℃/min；由此制備的TiAl金屬間化合物孔徑梯度均質(zhì)片狀過濾膜，孔隙率為40～45％，開孔率為30～35％，同時具有良好的抗氧化性能和抗腐蝕性能。
實施例2采用粒度為20～50μm的Ti粉和粒度為50～100μm的Al粉，按Ti-48at.％Al的成分配比進(jìn)行混料；隨后采用冷等靜壓成形管狀坯，將Al箔緊貼于芯桿外側(cè)，芯桿錐度為0.5°，壓強(qiáng)為150MPa，經(jīng)少量機(jī)加工后，制得外徑為30mm，內(nèi)徑為28～29mm，高為200mm的復(fù)合管狀成形坯；燒結(jié)采用兩階段反應(yīng)法，氣氛為真空，真空度控制在1×10-2～1×10-3Pa；低溫預(yù)反應(yīng)溫度為620℃，保溫時間為40min，高溫短時反應(yīng)溫度為1260℃，保溫時間為30min；反應(yīng)完畢后冷卻速度控制在30℃/min。由此制得滲透性能良好的TiAl金屬間化合物孔徑梯度均質(zhì)管狀過濾膜。
實施例3采用粒度為150～200μm的Ti粉和粒度為20～50μm的Al粉，按Ti-48.5at.％Al的成分配比進(jìn)行混料；在200MPa的壓力下模壓成形，制成直徑為50mm，厚1～2mm的片狀坯；隨后采用Al液表面熔浸的方式制成復(fù)合成形坯，熔浸溫度為700℃，熔浸時間為2min，熔浸層厚度為20μm；燒結(jié)采用低壓熱等靜壓，氣氛Ar氣，壓強(qiáng)為0.1MPa，低溫預(yù)反應(yīng)溫度為620℃，保溫時間為40min；高溫短時反應(yīng)溫度為1300℃，保溫時間為10min；反應(yīng)完畢后冷卻速度控制在20℃/min。由此制備的TiAl金屬間化合物孔徑梯度均質(zhì)片狀過濾膜，孔隙率為35～40％，開孔率為25～35％，具有良好的抗氧化性能和抗腐蝕性能。
實施例4采用粒度為10～40μm的Ti粉和粒度為10～40μm的Al粉，按Ti-47at.％Al的成分配比進(jìn)行混料；采用冷等靜壓成形管狀坯，芯桿錐度為1°，壓強(qiáng)為150MPa，經(jīng)少量機(jī)加工后，制得外徑為40mm，內(nèi)徑為37.5～38.5mm，高為200mm的管狀成形坯；隨后采用對管狀坯外徑表面進(jìn)行Al液熔浸的方式制成復(fù)合成形坯，管狀坯的旋轉(zhuǎn)速度為0.25rpm，熔浸溫度為720℃，熔浸時間為4min，熔浸層厚度為20μm；燒結(jié)采用低壓熱等靜壓法，氣氛為Ar氣，壓強(qiáng)為0.1MPa，低溫預(yù)反應(yīng)溫度為630℃，保溫時間為30min，高溫短時反應(yīng)溫度為1300℃，保溫時間為15min；反應(yīng)完畢后冷卻速度控制在30℃/min；由此制得滲透性能良好的TiAl金屬間化合物孔徑梯度均質(zhì)管狀過濾膜。
權(quán)利要求
1.一種孔徑梯度均質(zhì)TiAl金屬間化合物過濾膜的制備方法，其特征在于首先將成分配比為50～60at.％Ti粉和40～50at.％Al粉進(jìn)行均勻混合；Ti粉的粒徑為200～10μm，Al粉的粒徑為200～5μm。然后，通過模壓成形或冷等靜壓進(jìn)行復(fù)合成形模壓成形時，將Ti箔或Al箔置于普通模壓機(jī)的沖頭端部，并與Ti、Al元素混合粉末直接接觸，通過模壓成形制得片狀坯，壓強(qiáng)為50～600MPa；冷等靜壓成形時，將Ti箔或Al箔置于芯桿外側(cè)并與之緊密接觸，同時與Ti、Al元素混合粉末直接接觸，通過冷等靜壓成形方式制得管狀坯，Ti箔或Al箔的厚度為10～50μm，壓強(qiáng)為50～200MPa，芯桿成錐度為0.1～2°，脫模后對冷等靜壓坯外徑進(jìn)行機(jī)加工，制成外徑均勻，內(nèi)徑略成錐度，厚度為1～3mm的管狀成形坯。或者，先將Ti、Al元素粉末模壓成形或冷等靜壓成形為片狀坯、管狀坯，再通過Al液表面熔浸的方式制成復(fù)合成形坯；坯表面熔浸Al層的厚度為0.01～0.5mm，熔浸溫度為670～900℃，熔浸時間為0.1～10min。隨后通過低溫預(yù)反應(yīng)和高溫短時反應(yīng)兩階段合成法燒結(jié)低溫反應(yīng)階段的溫度為500～800℃，時間為20～60分鐘，高溫短時反應(yīng)階段的溫度為1200～1400℃，時間為10～30分鐘。燒結(jié)方式可采用真空無壓燒結(jié)，真空度為1×10-1～1×10-3Pa，低溫預(yù)反應(yīng)階段的溫度為500～800℃，時間為20～60分鐘；高溫短時反應(yīng)階段的溫度為1200～1300℃，時間為10～30分鐘。或者采用低壓熱等靜壓方式燒結(jié)，氣氛為Ar氣，壓強(qiáng)為0.01～5MPa，低溫預(yù)反應(yīng)階段的溫度為500～800℃，時間為20～40分鐘；高溫短時反應(yīng)階段的溫度為1200～1300℃，時間為10～20分鐘。反應(yīng)完成后，控制冷卻速度10～50℃/min降溫，制得孔徑梯度均質(zhì)鈦鋁金屬間化合物過濾膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及半滲透膜的生產(chǎn)，用于分離工藝的半透膜的專用制備方法，具體是制備孔徑梯度均質(zhì)TiAl金屬間化合物過濾膜的方法，首先通過模壓成形或冷等靜壓成形方式制成復(fù)合成形坯；在隨后的燒結(jié)過程中，通過低溫預(yù)反應(yīng)和高溫短時反應(yīng)兩階段真空燒結(jié)合成法，制備TiAl金屬間化合物孔徑梯度均質(zhì)過濾膜，本過濾膜由于Al元素偏擴(kuò)散所引起Kirkendall效應(yīng)，有利于控制膜的孔徑分布，并在復(fù)合坯體中形成了孔徑梯度，同時制備過程中不需要添加造孔劑，降低了能耗，幾乎無污染。此過濾膜可直接用作性能優(yōu)異的微濾膜和納濾膜，并可以與金屬進(jìn)行焊接，有利于過濾膜與其它致密金屬膜的復(fù)合，擴(kuò)大了無機(jī)膜的使用范圍。
文檔編號B01D71/00GK1640528SQ20041000260
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月13日
發(fā)明者賀躍輝, 江垚, 林小芹, 湯義武, 徐南平, 高海燕, 張啟修 申請人:中南大學(xué)