[发明专利]一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金多孔材料技术领域，特别提供了一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法。

背景技术

铌在难熔金属中的密度最小，在铌基体中添加Ti、Al等强化元素后能够进一步降低铌合金的密度，并保持了铌基合金熔点高、高温力学性能和焊接性能优异等特点。Nb-Ti-Al基多孔材料是一种轻质的结构-功能一体化材料，其使用温度大于1200℃，比目前使用的镍基合金多孔材料及TiAl金属间化合物多孔材料具有更高的使用温度，在高温条件下使用的催化剂载体、过滤器和热交换器等领域具有重要的应用前景。铌合金多孔材料的制备方法主要有松散粉末烧结法、泡沫浸渍法等方法。松散粉末烧结法较难制备出高孔隙度、孔径大小和分布均匀的多孔铌。泡沫浸渍法以聚氨酯泡沫或其它多孔模板为载体，首先用铌或铌合金粉末浆料浸渍多孔模板，然后将含有粉末浆料的多孔模板进行干燥、脱脂和烧结，得到多孔铌合金材料。该方法制备的多孔铌虽然孔隙度高，但是强度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法，旨在制备出具有较高强度、孔隙率和通孔率的轻质铌基合金。

本发明以机械合金化粉末和旋转电极雾化预合金粉末为原料，采用真空无压烧结工艺制备多孔Nb-Ti-Al基合金。机械合金化Nb-Ti-Al基合金粉末中，Ti、Al元素在铌基体中分布均匀，并固溶于铌基体中形成过饱和固溶体。当烧结温度低于Al熔点时，Al与Nb、Ti及其它合金元素之间存在一定的固相扩散。当烧结温度超过Al熔点后，铝液流动铺展并快速向Nb、Ti中扩散，由于Al元素的本征扩散系数远大于Nb和Ti的本征扩散系数，Al向Nb、Ti中的偏扩散导致Al原位产生大量孔隙，孔隙的不断积聚便产生孔洞。Ti和Al之间急剧的放热反应会造成体积膨胀。为了抑制和控制多孔体的膨胀，可在原料粉末中添加旋转电极雾化工艺制备的单一粒径的球形Nb-Ti-Al基预合金粉末。预合金粉末在烧结过程中以形成烧结颈为主，不会发生Al元素的偏扩散现象，也不会形成孔隙。混合粉末烧结后，粒径较大的预合金粉末之间局部粘结并形成骨架，限制了机械合金化粉末在造孔过程中的过度膨胀，有效提高了多孔体的强度。在热处理阶段，Ti、Al元素在Nb基体中进一步扩散，达到平衡相成分均匀化。本发明依靠反应物自身的组元来造孔，能够制备出具有较高强度和较高孔隙度的多孔铌基材料，多孔体中的孔隙相互连通，解决了多孔铌合金的强度和孔隙率之间不能良好匹配的问题。该发明制备工艺简单，孔隙结构容易控制。

一种制备轻质Nb-Ti-Al基多孔材料的方法，具体工艺步骤有：

1、机械合金化粉末的制备：按照机械合金化粉末的成分配比进行称量，原料粉末为-300目铌粉、-300目钛粉、-200目铝粉、-300目铬粉、-500目钨粉、-500目石墨粉末；在原料粉末中另外添加0.5～2wt.％的硬脂酸后预混合均匀，然后在高纯Ar气氛中通过高能球磨将各种合金元素均匀分散在铌基体中，形成过饱和固溶体。球磨时球/料比为(15～20)/1，球磨机的转速为350～500转/分，球磨时间为24～72小时，得到平均粒径为3～40μm的机械合金化粉末。

所述的机械合金化粉末的成分为：(27～40wt.％)Ti-(6～10wt.％)Al-(2～10wt.％)Cr-(1～6wt.％)W-(0.01～0.1wt.％)C-余量Nb；

2、机械合金化粉末与雾化粉末的混合：将机械合金化粉末和旋转电极雾化粉末通过球磨混合均匀。旋转电极雾化粉末呈单一粒径分布，粒径为60～150μm，重量百分含量为30～65％。两种粉末在200～300转/分的转速下混合3～10小时，得到混合粉末。

所述的旋转电极雾化粉末的成分为：(20～26wt.％)Ti-(2～5wt.％)Al-(2～10wt.％)Cr-(1～6wt.％)W-(0.01～0.1wt.％)C-余量Nb；

3、成形：在混合粉末中添加0.5～5wt.％糊精或聚乙烯醇，在300～800MPa的压力下成形，得到压坯；

4、真空无压烧结：将压坯放在真空烧结炉中，抽真空。待真空度达到1×10^-3～4×10^-4Pa后开始升温，以1～2℃/min的速率升温到400～550℃，保温20～60mim，然后以0.2～0.5℃/min的速率升温到700℃，保温60分钟，接着以10℃/min的速率升温到1500～1820℃，保温2～3小时，得到多孔烧结坯。