粉末冶金金属间化合物多孔材料在分离过滤领...

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2021-10-8   环球过滤分离技术网   nanopure8

TiAl多孔材料由于兼具金属键与共价键两种成键方式，因此同时兼备金属多孔材料与陶瓷多孔材料的优点，具有较小的密度、高的比强度和比模量、良好的抗高温氧化性、优良的可焊接性能以及优异的抗硫化和抗各种酸碱腐蚀性能等优点，被认为是目前最有应用前景的高温过滤材料。但是由于受其自身合金成分、成形、制备工艺等的影响，当前TiAl多孔材料仍存在高温抗氧化性不足的问题，即在温度高于800°Ｃ的氧化条件下TiAl多孔材料表面会同时生成保护性的Al2O3与非保护性的TiO2混合氧化膜层，随着TiO2氧化膜的生长，孔结构均会遭到破坏。根据大量的文献调研，发现目前主要采用添加适量的高温合金元素来改善TiAl块体材料的高温抗氧化性能，主要作用原理为通过抑制TiO2的生成来促进形成连续致密的Al2O3保护膜。其中Nb被认为是提高块体TiAl合金高温抗氧化性能最有效的合金元素。

高Nb-TiAl金属间化合物比传统的TiAl合金有更高的室温/高温强度和高温抗氧化性。利用其制备多孔材料，能较好解决普通金属的高温抗氧化和抗酸碱腐蚀性能差、陶瓷多孔材料难以焊接组件化和强度较差等难点，并可采用传统的粉末冶金技术制备，具有广泛的应用前景。

▲制备多元多孔材料流程图

◆Ti-48Al-6Nb

Nb的加入显著降低了O原子向内扩散与Ti原子向外扩散的速率，从而抑制了外层TiO2非保护性膜的生长；同时适量Nb元素的加入在一定程度上能降低Al元素生成Al2O3的热力学能，有利于合金表面Al2O3保护膜的生成。这有助于提高TiAl多孔材料的高温抗氧化性能与抗硫化腐蚀性能。北科大的赵丽丽博士在研究Nb对致密块体材料高温抗氧化性能的研究中发现Nb只存在于TiO2的内层，而TiO2的形成主要是通过空位机制来控制氧在金属氧化物内的扩散，即：Nb在高Nb-TiAl合金中以+5价阳离子的方式占据TiO2中Ti的位置，通过电荷中和的方式来减少氧空位的浓度，进而抑制了内层TiO2非保护性膜的生长。此外，合金元素Nb的添加使得多孔材料的孔面积、孔体积以及孔隙率均略有下降，有利于获得孔径大小更为均一、孔径分布相对集中的多孔骨架结构。

◆纳米复合化

虽然Nb的加入可以使多孔TiAl材料的高温抗氧化性能有所提高，然而依然没有完全解决TiAl金属间化合物多孔材料高温抗氧化性不足的缺陷，当氧化温度高于900°Ｃ时，多孔材料表面仍然同时生成了非保护性的TiO2与保护性的Al2O3混合氧化膜层。

由于纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应的特征，从而导致了纳米材料在熔点、蒸气压、光学性质、化学反应性、磁性、超导及塑性形变等许多方面都呈现出奇异的物理和化学性能。采用纳米复合化的手段，在低的氧分压下提前在TiAl多孔材料表面构筑氧化膜的方式来进一步提高TiAl基多孔材料的高温抗氧化性能不失为一种选择。

北京科技大学桂万元博士选用Nano-SiO2作为添加剂，对Ti-48Al-6Nb进行掺杂，探究其对Ti-48Al-6Nb多孔合金表面微观形貌与高温抗氧化性能的影响，进一步揭示纳米复合化对改善TiAl多孔合金的作用机制。

1）过滤精度提高：Nano-SiO2掺杂量为8wt％时，高Nb-TiAl基纳米复合多孔材料整个表面覆盖了一层Al2O3微粒，这些新生成的Al2O3微粒显著提高了多孔材料的孔面积与孔体积，在高温下，这些Al2O3微粒进一步连接成网状结构，并且将原始的微米孔进一步分隔为许多纳米尺度的小孔，进一步提高了多孔材料的过滤精度。

▲纳米复合多孔材料（掺杂8wt％的Nano-SiO2）2000倍下FESEM照片

2）高温抗氧化性能提高：适量的Nano-SiO2掺杂可以显著改善高Nb-TiAl基多孔材料的高温抗氧化性，这主要归因于生成了新的高温相Ti5Si3以及表面覆盖了大量的Al2O3微粒，在高温氧化阶段，阻碍了O向内扩散和Ti向外扩散，从而有效抑制了非保护性膜TiO2的生成。

▲不同温度下纳米复合多孔材料的相变规律与组织演变规律

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