專利名稱：鈦、鋁元素粉末反應(yīng)合成制備鈦鋁金屬間化合物過濾膜的方法
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，具體是鈦鋁元素粉末反應(yīng)合成TiAl金屬間化合物過濾膜的制備方法。
背景技術(shù)：
膜工業(yè)在21世紀(jì)的多數(shù)工業(yè)中占據(jù)著重要的戰(zhàn)略地位，被認(rèn)為是20世紀(jì)末到21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途的高技術(shù)之一。膜分離借助于外界能量或化學(xué)位差的推動(dòng)，對兩組分或多組分混合的氣體或液體進(jìn)行分離、分級、提純和富集，過程中大多無相變化，具有高效、節(jié)能、工藝簡便、投資少、污染小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各生產(chǎn)、研究部門以及國防建設(shè)領(lǐng)域。分離膜按制備材料可分為無機(jī)膜和有機(jī)高分子膜，其中無機(jī)膜由于具有高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性而愈來愈受到重視。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(diǎn)。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(shí)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，由于陶瓷為硬脆相，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(shí)陶瓷的脆而不易焊接組件化等缺點(diǎn)限制了陶瓷膜的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備方法，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，以大幅度提高無機(jī)膜的抗氧化性能、抗腐蝕性能、力學(xué)性能，過濾性能和使用壽命，擴(kuò)大它的使用范圍，簡化其生產(chǎn)工藝流程，降低能耗，減少污染。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是首先將成分配比為50～60at.％Ti粉和40～50at.％Al粉進(jìn)行均勻的混合；Ti粉的粒徑200～10μm，Al粉的粒徑200～5μm。
然后，采用模壓成形或冷等靜壓成形的方式，制成片狀或管狀坯。采用模壓成形時(shí)，壓強(qiáng)為50～600MPa；采用冷等靜壓成形時(shí)，其壓強(qiáng)為50～200MPa，芯桿錐度為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。
隨后，通過低溫預(yù)反應(yīng)和高溫短時(shí)反應(yīng)兩階段合成法燒結(jié)，低溫預(yù)反應(yīng)階段的溫度為500～800℃，時(shí)間為20～60分鐘；高溫短時(shí)反應(yīng)階段的溫度為1200～1400℃，時(shí)間為10～30分鐘。燒結(jié)方式采用真空無壓燒結(jié)，真空度為1×10-1～1×10-3Pa；或者采用低壓熱等靜壓方式，氣氛為Ar氣，壓強(qiáng)為0.01～5MPa。
反應(yīng)完成后，控制冷卻速度10～50℃/min降溫，從而制得TiAl金屬間化合物過濾膜。
本發(fā)明制備鈦鋁金屬間化合物過濾膜的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)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)過濾膜材料，大幅度改善了過濾膜的抗氧化性能、抗腐蝕性能和力學(xué)性能，提高了過濾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金屬間化合物制備無機(jī)過濾膜材料，有利于控制無機(jī)膜的孔徑分布。采用Ti、Al元素粉末制備無機(jī)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(shí)間等，可得到孔徑精確控制的通孔。
3.Ti、Al元素粉末反應(yīng)合成制備TiAl金屬間化合物過濾膜材料過程中，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。
4.一定成分配比的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，并有利于TiAl無機(jī)膜與其它致密膜的復(fù)合。
具體實(shí)施例方式實(shí)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，制成直徑為50mm，厚1～2mm的片狀坯；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(shí)間為60min，高溫短時(shí)反應(yīng)溫度為1300℃，保溫時(shí)間為20min；反應(yīng)完畢后冷卻速度控制在40℃/min；由此制備的TiAl金屬間化合物片狀過濾膜，孔隙率為40～45％，開孔率為30～35％，最大孔徑為6～8μm，同時(shí)具有良好的抗氧化性能和抗腐蝕性能。
實(shí)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，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的管狀成形坯；燒結(jié)采用兩階段反應(yīng)合成法，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(shí)間為40min；高溫短時(shí)反應(yīng)溫度為1260℃，保溫時(shí)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金屬間化合物管狀過濾膜。
實(shí)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；隨后在200MPa的壓力下模壓成形，制成直徑為50mm，厚1～2mm的片狀坯；燒結(jié)采用兩階段反應(yīng)合成法，燒結(jié)方式為低壓熱等靜壓，氣氛為Ar氣，壓強(qiáng)為0.1MPa；低溫預(yù)反應(yīng)溫度為580℃，保溫時(shí)間為50min；高溫短時(shí)反應(yīng)溫度為1280℃，保溫時(shí)間為20min；反應(yīng)完畢后冷卻速度控制在20℃/min；由此制備的TiAl金屬間化合物片狀過濾膜，孔隙率為35～40％，開孔率為25～35％，最大孔徑為8～10μm，同時(shí)具有良好的抗氧化性能和抗腐蝕性能。
實(shí)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；隨后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；燒結(jié)采用兩階段反應(yīng)合成法，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630℃，保溫時(shí)間為30min，高溫短時(shí)反應(yīng)溫度為1300℃，保溫時(shí)間為15min；反應(yīng)完畢后冷卻速度控制在20℃/min；由此制得滲透性能良好的TiAl金屬間化合物管狀過濾膜。
權(quán)利要求
1.一種制備TiAl金屬間化合物過濾膜的方法，其特征在于首先將成分配比為50～60at.％Ti粉和40～50at.％Al粉進(jìn)行均勻的混合；Ti粉的粒徑200～10μm，Al粉的粒徑200～5μm。然后，采用模壓成形或冷等靜壓成形，制成片狀或管狀坯。模壓成形時(shí)，其壓強(qiáng)為50～600MPa；冷等靜壓成形時(shí)，其壓強(qiáng)為50～200MPa，芯桿錐度為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。隨后，通過低溫預(yù)反應(yīng)和高溫短時(shí)反應(yīng)兩階段合成法燒結(jié)，低溫預(yù)反應(yīng)階段的溫度為500～800℃，時(shí)間為20～60分鐘；高溫短時(shí)反應(yīng)階段的溫度為1200～1400℃，時(shí)間為10～30分鐘。燒結(jié)方式采用真空無壓燒結(jié)，真空度為1×10-1～1×10-3Pa；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。反應(yīng)完成后，控制冷卻速度10～50℃/min降溫，從而制得TiAl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，它是采用Ti、Al元素粉末，用模壓成形方式或冷等靜壓成形方式制坯，通過低溫預(yù)反應(yīng)和高溫短時(shí)反應(yīng)兩階段真空燒結(jié)合成，低溫預(yù)反應(yīng)階段的溫度為500～ 800℃，時(shí)間為20～60分鐘，高溫短時(shí)反應(yīng)階段的溫度為1200～1400℃，時(shí)間為10～30分鐘。燒結(jié)方式采用真空無壓燒結(jié)或低壓熱等靜壓制備成TiAl金屬間化合物過濾膜，本過濾膜，由于采用TiAl金屬間化合物，有利于控制過濾膜的孔徑分布，制備過程不需要添加造孔劑，降低了能耗，幾乎無污染。TiAl過濾膜具有良好的抗氧化性能、抗腐蝕性能、力學(xué)性能和過濾性能，使用壽命增長，并擴(kuò)大了使用范圍。同時(shí)能夠與金屬進(jìn)行焊接，有利于與其它致密膜的復(fù)合。
文檔編號B01D71/02GK1640529SQ200410003039
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)