[发明专利]一种具有TiN涂层的多孔膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔材料及其制备工艺，尤其是一种孔洞表面具有TiN耐磨蚀层的多孔Ti及其制备方法，属于材料合成与加工领域。

背景技术

多孔材料因其多孔结构而具有一系列的特殊功能，在汽车、能源、医疗、环保及石油化工等领域发挥着极其重要的作用。如：利用其高比强度的超轻构件、利用其高阻尼的消声装置、利用其抗流作用防止爆炸的灭火装置、利用其多孔的过滤分离作用净化液体和气体、利用其多孔结构的强化传热元件及吸液芯。优异的性能和现实需求促使人们不断探索开发制备多孔材料及其新技术。

多孔Ti因其具有独有的优良性能，例如耐高温，一般可以在280℃以下正常使用，化学稳定性好、耐酸碱腐蚀、具有抗氧化性能，机械性能好，可压滤可抽滤，操作简单，可在线再生，易清洗，不发生微生物腐蚀，使用寿命长等可广泛应用于医药工业、水处理工业、食品工业、生物工程、化学工业、石油化工、冶金工业及气体净化领域，是一种具有广泛发展前景的新材料。

为了进一步提高Ti合金表面的耐磨性、耐蚀性，很多研究和技术着眼于在钛合金表面形成TiN涂层。氮化钛涂层，外观呈金黄色，是一种具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、高熔点和低电阻率等优良综合性能的难熔金属氮化物涂层，用作材料的保护层，能大大提高表面硬度，改善耐磨损及腐蚀性能。钛及钛合金的氮化处理方法很多，主要有气体氮化、辉光离子氮化、激光气体氮化等，可在钛及钛合金表面形成TiN涂层，但是现有的众多生产方法往往只在表面形成涂层，而无法实现在孔状结构的Ti骨架表面形成涂层，而且即便是在表面所形成的TiN涂层往往也无法达到连续、致密的结构，提高耐蚀性效果不明显。

因此，现有方法存在的突出局限性：一是没有涉及多孔Ti孔洞表面的耐磨性、耐蚀性涂层；二是氮化时间长，氮化成本高；三是设备投资大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述不足，设计一种孔洞壁面带有TiN涂层的多孔Ti材料及其制备方法，以便进一步扩大多孔Ti材料在过滤含有大量硬粒子的强腐蚀液体时的应用。

本发明的技术方案为：具有TiN涂层的多孔膜，其特征在于：所述的多孔膜是利用氮等离子束对由Ti+TiH₂制成的薄片状压坯进行扫描加热氮化处理，从而形成孔状结构并在孔洞之间的Ti骨架上获得的致密连续的包围着Ti骨架基体的TiN、Ti₂N涂层。

优选的是，所述的多孔膜孔隙率41～53％，孔洞尺寸44～57μm，并且在孔洞表面获得2～2.5μm厚度的氮化层。

所述的具有TiN涂层的多孔膜的制备方法，包括以下步骤：

a)Ti+TiH₂粉末为原料，制成的厚度4～5μm的薄片状压坯；

b)利用氮等离子束对薄片状压坯进行扫描加热氮化处理，TiH₂受热分解，气体膨胀逸出，在压坯中预先形成连通的孔洞；

c)随着氮等离子束加热，坯体中温度升高，压坯中Ti粉末颗粒表面微熔，促进颗粒之间的结合，形成多孔材料的连接骨架，近似于在等离子热作用下的无压烧结；

d)氮等离子束流中的被电离的活性氮离子与微熔的Ti、TiH₂受热分解的Ti迅速结合，依附在压坯中原有Ti颗粒表面形成形成TiN、Ti₂N，等离子束离开后，Ti骨架上微熔的涂层部分开始冷却，在孔洞之间的Ti骨架上获得致密连续的TiN、Ti₂N涂层，包围着Ti骨架基体。

优选的是，所述的Ti+TiH₂粉末制备薄片状压坯时，Ti、TiH₂粉纯度皆大于99.6％，平均尺寸分别为40、33μm，配比按照1wt％TiH₂粉，其余为Ti粉称量。

优选的是，制备薄片状压坯时将称量好的粉末装入球磨机中混合4小时，取出后倒入模具中，采用模压成型方法，在120MP压力下压制成30×30×5mm的正方形薄片压坯，相对密度约63％。

优选的是，进行等离子束扫描加热工艺之前，首先开启高频弧，调整、设定氮等离子束的工艺参数如下：电流80A，电压40V，扫描速度5mm/s，氮等离子束斑直径Φ5mm，氮气流量0.5m³/h，氮等离子束喷嘴与试样距离5mm。