多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的方法
【专利说明】多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的方法 所属技术领域
[0001] 本发明涉及一种在多孔合金骨架表面制备γ-Α1203纳米多孔层的方法，属于材料 制备工艺技术领域。
【背景技术】
[0002] 高Nb-TiAl多孔合金结合了高Nb-TiAl合金的耐高温、高比强度、抗氧化、抗酸碱 腐蚀的优点，同时多孔的结构增加该材料应用于过滤、吸附、催化载体等领域的可能性。目 前采用粉末冶金法制备高Nb-TiAl多孔合金的技术较为成熟。
[0003] 目前对于纳米多孔的制备方法主要有溶胶凝胶法、电化学腐蚀法、化学合成法等， 制备的纳米多孔材料主要为有机高分子材料，金属氧化物材料等，在Ti-Al合金上制备纳 米多孔结构还没有相关报道。杨帆等人在Materials Letters上发表的文章 《Innovative fabrication of Ti_48Al_6Nb porous coating by cold gas spraying and reactive sintering》(Materials Letters, 2012, 76:190-193)通过冷喷涂的方法在高 Nb-TiAl 多孔 合金表面制备了孔径为1. 8 μπι的多孔层已经是最接近纳米尺寸的研究报道了，因此在高 Nb-TiAl多孔合金骨架表面制备纳米多孔层具有重要创新意义。
[0004] 另外，目前对于纳米多孔的制备方法具有能耗高，工艺复杂，设备要求高，污染环 境等问题，本发明采用在室温下通过KOH溶液浸泡制备纳米多孔层，制备工艺简单，节约能 源，设备要求低，腐蚀后的盐溶液对环境危害小。基于以上优点，该发明具有重要的实际应 用价值。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种新的纳米多孔制备方法，在高Nb-TiAl多孔合金骨架 表面生成纳米多孔层，节省成本，降低能耗，减少污染。
[0006] 本发明通过KOH溶液的浸泡，利用高Nb-TiAl多孔合金骨架的结构特点，在成分为 Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb(at%)多孔合金骨架表面生成Y-Al2O3纳米多孔层，具体步骤如 下：
[0007] -、制备 Ti-(40-50) Al-(5-10) Nb 多孔合金：称取 Ti 粉、Al 粉、Nb 粉放入 SFM-Il 实验室小型V型混料机，混合均匀得到混合粉末；称取混合粉末在压片机下压制成圆饼状 压坯，在真空钽烧结炉中烧结得到Ti-(40-50) Al-(5-10)Nb多孔合金材料。
[0008] 步骤一中所述的Ti粉、Al粉、Nb粉纯度为99. 9%，粒度为100-300目，成分按照 Ti-(40-50) Al-(5-10) Nb (at % )称量；所述的混料条件是20rpm转速下混合12-24小时；所 述的压坯是在200MPa压力下压制成型的；所述的真空钽烧结炉真空度达到10 3Pa以上。
[0009] 二、配制碱性溶液：所述的碱性溶液为Κ0Η、氨水、小苏打。以KOH溶液为例，量取 0. 28-0. 56g的纯度为95 %以上的KOH颗粒，放入烧杯中，加入IOOrnl去离子水，用玻璃棒充 分搅拌溶解，静置，得到KOH溶液。
[0010] 三、将制备的Ti- (40-50) Al- (5-10) Nb多孔合金材料放入配制好的KOH溶液中，浸 泡。
[0011] 步骤三中浸泡的时间为5-10小时。
[0012] 四、取出浸泡好的多孔合金材料，超声波清洗后放入YZF-6020台式电热真空干燥 箱中干燥，得到具有Y-Al 2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料。所述 的干燥温度l〇〇°C，真空度10 1Pa左右，干燥时间为1-2小时。
[0013] 本发明优点：
[0014] -、本发明通过简单方法得到具有γ_Α1203纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10) Nb多孔合金材料，纳米多孔层厚度约200nm，孔径60 ± IOnm ;
[0015] 二、本发明对实验设备要求低、工艺简单、能耗少、无污染；
[0016] 三、具有γ -Al2O3纳米多孔层的Ti- (40-50) Al- (5-10) Nb多孔合金材料，在原有多 孔合金的基础上，增加了多孔材料的比表面积，增强了多孔合金的吸附、过滤性及耐腐蚀性 能。
【附图说明】
[0017] 图1为Ti-(40-50) Al-(5-10)Nb粉末压坯在真空钽烧结炉中烧结的工艺曲线；
[0018] 图2为γ -Al2O3纳米多孔层的X射线衍射图谱；
[0019] 图3为浸泡之前多孔合金骨架表面形貌；
[0020] 图4为腐蚀后γ -Al2O3纳米多孔层形貌；
[0021] 图5为γ -Al2O3纳米多孔层放大图；
[0022] 图6为γ -Al2O3纳米多孔层横截面图；
[0023] 图7为具有Y-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料的孔 径-比表面积分布曲线。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0024] 一：
[0025] 本实施方式通过KOH的浸泡，利用高Nb-TiAl多孔合金骨架的结构特点，在成分为 Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb(at%)多孔合金骨架表面生成Y-Al2O3纳米多孔层，具体步骤如 下：
[0026] 一、制备 Ti-(40-50) Al-(5-10) Nb 多孔合金：称取 Ti 粉、Al 粉、Nb 粉放入 SFM-Il 实验室小型V型混料机，混合均匀得到混合粉末；称取4g混合粉末在FYD-20电动台式压 片机下压制成h = 2mm的圆饼状压坯，在真空钽烧结炉中烧结得到Ti-(40-50) Al-(5-10) Nb多孔合金材料；
[0027] 步骤一中所述的Ti粉、Al粉、Nb粉纯度为99. 9%，粒度为100-300目，成分按照 Ti-(40-50) Al-(5-10) Nb (at % )称量；所述的混料条件是20rpm转速下混合12-24小时；所 述的压坯是在200MPa压力下压制成型的；所述的真空钽烧结炉真空度达到10 3Pa以上。
[0028] 二、配制碱性溶液：以KOH溶液为例，量取0. 28-0. 56g的KOH颗粒，放入烧杯中，加 入100mL去离子水，用玻璃棒充分搅拌溶解，静置，得到KOH溶液；所述的KOH颗粒纯度为 95%以上；
[0029] 步骤二中得到的KOH溶液浓度为0· 00266g-0. 00532g/ml ;
[0030] 三、将制备的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料放入配制好的KOH溶液中浸 泡；浸泡的时间为5-10小时；
[0031] 四、取出浸泡好的多孔合金材料，超声波清洗后放入YZF-6020台式电热真空干燥 箱中干燥，得到具有Y-Al 2O3纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料；所述的 干燥温度l〇〇°C，真空度10 1Pa左右，干燥时间为1-2小时。
【具体实施方式】 [0032] 二：本实施方式与一不同点是：步骤二所用的KOH溶 液浓度为〇. 〇〇〇532g/ml，其他步骤与一相同；降低KOH溶液的浓度，仍然可以 得到纳米多孔层，但是相比实施方式一的〇. 〇〇266g/ml Κ0Η，该浓度得到的纳米多孔层孔的 深度较浅，孔结构不完整。
【具体实施方式】 [0033] 三：本实施方式与一不同点是：步骤二所用的KOH溶 液浓度为〇. 〇266g/ml，其他步骤与一相同；增加 KOH溶液的浓度，仍然可以得 到纳米多孔层，但是出现大量纳米尺寸腐蚀产物堵塞纳米孔，降低比表面积，影响纳米孔的 性能。
【具体实施方式】 [0034] 四：本实施方式与一不同点是：步骤三中浸泡的时间 为1-2小时，其他步骤与实施方式一相同；缩短浸泡的时间得到的纳米多孔层结构不完整， 局部区域出现平整γ -Al2O3层向纳米多孔结构转化的过程。
[0035] 采用实施方式二、三和四后得知，改变KOH的浓度和浸泡的时间都可 以得到Y-Al2O 3纳米多孔层，但是纳米孔的结构和形貌并不理想，说明只有在 0. 00266g-0. 00532g/ml的KOH溶液中浸泡5-10小时得到理想的纳米多孔结构。
[0036] 图1为Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb粉末压坯在真空钽烧结炉中烧结的工艺曲线， 120°C保温是为了去除压坯中空气和水蒸气，600°C是Ti-Al反应生成TiAl 3相的温度， 900°C是TiAl3相向TiAl相转化的温度，1350°C是TiAl相向Ti 3A1相转化的温度；
[0037] 图2为γ -Al2O3纳米多孔层的X射线衍射图谱；
[0038] 图3为浸泡之前多孔合金骨架表面形貌；
[0039] 图4为腐蚀后γ -Al2O3纳米多孔层形貌；
[0040] 图5为γ -Al2O3纳米多孔层放大图；
[0041] 图6为Y-Al2O3纳米多孔层横截面图，浸泡前骨架表面光滑平整，腐蚀后生成了 200nm厚的纳米多孔层，孔形状不规则，孔径为60 ± IOnm ;
[0042] 图7为具有γ-Al2O3纳米多孔层的Ti-(40-50) Al-(5-10) Nb多孔合金材料的孔 径-比表面积分布曲线，由于纳米孔的出现使得多孔合金的比表面积增加到0. 24m2/g。
【主权项】
1. 一种多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的方法，其特征在于包括如 下步骤： 1) 、制备Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金：称取Ti粉、A1粉、Nb粉放入混料机混合 均匀得到混合粉末；称取混合粉末在FYD-20电动台式压片机下压制成圆饼状压坯，在真空 钽烧结炉中烧结得到Ti-(40-50)A1-(5-10)Nb多孔合金材料； 2) 、配制碱性溶液： 3) 、将制备的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料放入配制好的碱性溶液中浸泡； 4) 、取出浸泡好的多孔合金材料，超声波清洗后放入YZF-6020台式电热真空干燥箱中 干燥，得到具有γ_Α1203纳米多孔层的Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料。2. 根据权利要求1所述的一种多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的 方法，其特征在于 步骤1)中所述的Ti粉、A1粉、Nb粉纯度为99. 9%，粒度为100-300目，成分按照Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb(at%)称量；所述的混料条件是20rpm转速下混合12-24小时；所 述的压坯是在200MPa压力下压制成型的；所述的真空钽烧结炉真空度达到10 3Pa以上。3. 根据权利要求1所述的一种多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的 方法，其特征在于 步骤2)所述的碱性溶液为KOH、氨水、小苏打。4. 根据权利要求1或3所述的一种多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔 层的方法，其特征在于所述的碱性溶液为KOH，量取0. 28-0. 56g纯度为95 %以上的KOH颗 粒，放入烧杯中，加入l〇〇ml去离子水，用玻璃棒充分搅拌溶解，静置，得到KOH溶液；KOH溶 液浓度为 〇· 〇〇266g-〇. 00532g/ml。5. 根据权利要求1所述的一种多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的 方法，其特征在于步骤3)中所述的浸泡的时间为5-10小时。6. 根据权利要求1所述的一种多孔合金骨架表面制备伽马三氧化二铝纳米多孔层的 方法，其特征在于 步骤4)中所述的干燥温度为100°C，干燥时间1-2小时，真空度为10ta。
【专利摘要】一种在多孔合金骨架表面制备γ-Al2O3纳米多孔层的方法，属于材料制备工艺技术领域。本发明的目的在于提供一种新的纳米多孔制备方法，在高Nb-TiAl多孔合金骨架表面生成纳米多孔层，节省成本，降低能耗，减少污染。方法：一、制备Ti-(40-50)Al-(5-10)Nb多孔合金材料；二、配制KOH溶液；三、将多孔合金浸泡在KOH溶液中；四、取出材料真空干燥。本发明制备的纳米多孔层厚度200nm，孔径60±10nm，增加了多孔合金材料的比表面积，增强了过滤、吸附性和耐腐蚀性能，对高Nb-TiAl多孔合金的实际应用具有重要的意义。
【IPC分类】C23C22/66, C23C22/64, B82Y40/00, B22F3/11
【公开号】CN105386026
【申请号】CN201510750950
【发明人】林均品, 王帆, 梁永锋, 孙大洋, 郝国建
【申请人】北京科技大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月5日