專利名稱：一種具有TiN涂層的多孔膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種多孔材料及其制備エ藝，尤其是ー種孔洞表面具有TiN耐磨蝕層的多孔Ti及其制備方法，屬于材料合成與加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多孔材料因其多孔結(jié)構(gòu)而具有一系列的特殊功能，在汽車、能源、醫(yī)療、環(huán)保及石油化工等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。如利用其高比強(qiáng)度的超輕構(gòu)件、利用其高阻尼的消聲裝置、利用其抗流作用防止爆炸的滅火裝置、利用其多孔的過濾分離作用浄化液體和氣體、利用其多孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱元件及吸液芯。優(yōu)異的性能和現(xiàn)實(shí)需求促使人們不斷探索開發(fā)制備多孔材料及其新技木。多孔Ti因其具有獨(dú)有的優(yōu)良性能，例如耐高溫，一般可以在280°C以下正常使用，·化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿腐蝕、具有抗氧化性能，機(jī)械性能好，可壓濾可抽濾，操作簡(jiǎn)單，可在線再生，易清洗，不發(fā)生微生物腐蝕，使用壽命長(zhǎng)等可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥エ業(yè)、水處理工業(yè)、食品エ業(yè)、生物工程、化學(xué)エ業(yè)、石油化工、冶金工業(yè)及氣體凈化領(lǐng)域，是ー種具有廣泛發(fā)展前景的新材料。為了進(jìn)一步提高Ti合金表面的耐磨性、耐蝕性，很多研究和技術(shù)著眼于在鈦合金表面形成TiN涂層。氮化鈦涂層，外觀呈金黃色，是ー種具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、高熔點(diǎn)和低電阻率等優(yōu)良綜合性能的難熔金屬氮化物涂層，用作材料的保護(hù)層，能大大提高表面硬度，改善耐磨損及腐蝕性能。鈦及鈦合金的氮化處理方法很多，主要有氣體氮化、輝光離子氮化、激光氣體氮化等，可在鈦及鈦合金表面形成TiN涂層，但是現(xiàn)有的眾多生產(chǎn)方法往往只在表面形成涂層，而無法實(shí)現(xiàn)在孔狀結(jié)構(gòu)的Ti骨架表面形成涂層，而且即便是在表面所形成的TiN涂層往往也無法達(dá)到連續(xù)、致密的結(jié)構(gòu)，提高耐蝕性效果不明顯。因此，現(xiàn)有方法存在的突出局限性ー是沒有涉及多孔Ti孔洞表面的耐磨性、耐蝕性涂層；ニ是氮化時(shí)間長(zhǎng)，氮化成本高；三是設(shè)備投資大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述不足，設(shè)計(jì)ー種孔洞壁面帶有TiN涂層的多孔Ti材料及其制備方法，以便進(jìn)一步擴(kuò)大多孔Ti材料在過濾含有大量硬粒子的強(qiáng)腐蝕液體時(shí)的應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案為具有TiN涂層的多孔膜，其特征在于所述的多孔膜是利用氮等離子束對(duì)由Ti+TiH2制成的薄片狀壓坯進(jìn)行掃描加熱氮化處理，從而形成孔狀結(jié)構(gòu)并在孔洞之間的Ti骨架上獲得的致密連續(xù)的包圍著Ti骨架基體的TiN、Ti2N涂層。優(yōu)選的是，所述的多孔膜孔隙率41 53%，孔洞尺寸44 57 μ m，并且在孔洞表面獲得2 2. 5 μ m厚度的氮化層。所述的具有TiN涂層的多孔膜的制備方法，包括以下步驟a)Ti+TiH2粉末為原料，制成的厚度4 5μπι的薄片狀壓坯；
b)利用氮等離子束對(duì)薄片狀壓坯進(jìn)行掃描加熱氮化處理，TiH2受熱分解，氣體膨脹逸出，在壓坯中預(yù)先形成連通的孔洞；c)隨著氮等離子束加熱，坯體中溫度升高，壓坯中Ti粉末顆粒表面微熔，促進(jìn)顆粒之間的結(jié)合，形成多孔材料的連接骨架，近似于在等離子熱作用下的無壓燒結(jié)；d)氮等離子束流中的被電離的活性氮離子與微熔的Ti、TiH2受熱分解的Ti迅速結(jié)合，依附在壓坯中原有Ti顆粒表面形成形成TiN、Ti2N，等離子束離開后，Ti骨架上微熔的涂層部分開始冷卻，在孔洞之間的Ti骨架上獲得致密連續(xù)的TiN、Ti2N涂層，包圍著Ti骨架基體。優(yōu)選的是，所述的Ti+TiH2粉末制備薄片狀壓坯吋，Ti、TiH2粉純度皆大于99. 6%，平均尺寸分別為40、33μπι，配比按照lwt% TiH2粉，其余為Ti粉稱量。優(yōu)選的是，制備薄片狀壓坯時(shí)將稱量好的粉末裝入球磨機(jī)中混合4小時(shí)，取出后 倒入模具中，采用模壓成型方法，在120MP壓カ下壓制成30X30X5mm的正方形薄片壓坯，相對(duì)密度約63%。優(yōu)選的是，進(jìn)行等離子束掃描加熱エ藝之前，首先開啟高頻弧，調(diào)整、設(shè)定氮等離子束的エ藝參數(shù)如下電流80A，電壓40V，掃描速度5mm/s，氮等離子束斑直徑Φ 5mm，氮?dú)饬髁縊. 5m3/h,氮等離子束噴嘴與試樣距離5mm。本發(fā)明的有益效果為①本發(fā)明將多孔材料的獲得與涂層的形成一歩完成，制備流程短，效率高在Ti基多孔材料的骨架表面形成TiN涂層，既有金屬Ti的強(qiáng)韌性、可再生性,抗微生物附著性,又有TiN的耐磨性、耐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性，可使多孔材料兼具強(qiáng)度、耐蝕性、耐磨性和自潔性；③以Ti和TiH2為粉末原料，N2既為等離子束的氣體介質(zhì)，又為形成TiN涂層的提供N源，原料成本低廉利用氮等離子束獲得活性氮離子并提供制備多孔膜的熱量，成本低、效率高；⑤因?yàn)榈入x子束的能量密度和溫度高于氬等離子束，加熱Ti+TiH2粉末為原料制成薄片狀壓坯吋，時(shí)間短，有利于TiH2的快速分解造孔，并且在氮等離子束中氣體的沖刷力作用下，在多孔材料中獲得高孔隙率的通孔；⑥因?yàn)門i顆粒表面在氮等離子加熱瞬間處于微熔狀態(tài)，氮等離子活性高，TiH2分解出的Ti與活性氮離子在高溫下迅速結(jié)合，依附在壓坯中原有Ti顆粒的微熔表面形成TiN，因?yàn)榈闯浞?，保證在Ti骨架表面形成致密連續(xù)的TiN、Ti2N膜，顯微硬度為1270 1430HV，有利于提高耐蝕性、耐蝕性；⑦氮等離子束エ藝參數(shù)可控性好，制備多孔材料孔洞結(jié)構(gòu)均勻、孔徑分布范圍窄，產(chǎn)品質(zhì)量可控性好；⑧因?yàn)榈入x子束加熱速度快，氣體介質(zhì)流通速度快，能迅速帶走多孔材料的骨架上多余的熱量，使得多孔材料迅速冷卻下來，避免過熱坍塌，獲得具有較高孔隙率率并且是通孔的多孔膜，多孔膜與原坯形狀、尺寸接近。這種多孔膜過濾阻力小，既有金屬Ti的強(qiáng)韌性、可再生性，抗微生物附著性，又有TiN的耐磨性、耐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性，可以廣泛用于環(huán)保、石化、醫(yī)藥制造等基礎(chǔ)エ業(yè)中的分離和過濾。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I本實(shí)施例的具有TiN涂層的多孔膜是由以下方法制備的第一歩以Ti粉和TiH2粉，Ti、TiH2粉純度皆大于99. 6%，平均尺寸分別為40、33 μ m0
第二步粉末稱量、混合原料按照Iwt% TiH2粉，其余為Ti粉稱量。將稱量好的粉末裝入球磨機(jī)中混合4小吋，取出后倒入模具中，采用模壓成型方法，在120MP壓カ下壓制成30X 30X 5mm的正方形薄片壓坯，相對(duì)密度約63%。第三步預(yù)熱將壓坯在真空爐中緩慢加熱到300°C預(yù)熱，保溫O。5小時(shí)。第四步氮等離子束掃描加熱エ藝準(zhǔn)備開啟等離子設(shè)備的電源、水、氣開關(guān)，首先開啟高頻弧，調(diào)整、設(shè)定氮等離子束的エ藝參數(shù)如下電流80A，電壓40V，掃描速度5mm/s，氮等離子束斑直徑Φ 5mm，氮?dú)饬髁?br> O.5m3/h,氮等離子束噴嘴與試樣距離5mm。第五步氮等離子束掃描加熱制備將預(yù)熱的壓坯置于等離子設(shè)備工作臺(tái)上，工作臺(tái)內(nèi)部通循環(huán)冷卻水。在第四步的基礎(chǔ)上，開啟氮等離子束，俗稱起大?。粚?duì)壓坯進(jìn)行掃描加熱，隨著等離子束的移動(dòng)，壓坯中Ti粉末顆粒表面微熔，促進(jìn)顆粒之間的結(jié)合，形成多孔材料的連接骨架，近似于在等離子熱作用下的無壓燒結(jié)；氮等離子束流中的被電離的活性氮離子與微熔的Ti、TiH2受熱分解的Ti結(jié)合，形成氮化層；氮等離子束連續(xù)掃描壓坯，整個(gè)壓坯逐漸轉(zhuǎn)化內(nèi)部具有連通孔洞的多孔Ti，孔洞壁面帶有TiN涂層。第六步冷卻取樣反應(yīng)一旦結(jié)束，關(guān)閉氣體開關(guān)，提高基座冷卻水壓力，將基座熱量迅速帶走冷卻下來。取下樣品，檢測(cè)多孔膜的完整性、孔徑、孔隙率等?？锥幢诿鎺в蠺iN涂層的多孔Ti，孔隙率53%，孔洞平均尺寸44 μ m,孔洞表面氮化層厚度2 2. 5 μ m，主要由TiN、Ti2N相組成，組織均勻、致密，與基體為良好的冶金結(jié)合， 顯微硬度為1270 1430HV。多孔膜與原坯形狀、尺寸接近，具有很好的相似性。表I.
TiH2 (% )Γ I
制坯壓力(MPa)120
壓坯相對(duì)密度約(％ )63
等離子束電流(A)80
等離子束電壓(V)40
等離子束氮?dú)饬髁?m3/h)075
等離子束掃描速度(mm/s)5
氮等離子束斑直徑權(quán)利要求
1.具有TiN涂層的多孔膜，其特征在于所述的多孔膜是利用氮等離子束對(duì)由Ti+TiH2制成的薄片狀壓坯進(jìn)行掃描加熱氮化處理，從而形成孔狀結(jié)構(gòu)并在孔洞之間的Ti骨架上獲得的致密連續(xù)的包圍著Ti骨架基體的TiN、Ti2N涂層。
2.如權(quán)利要求I所述的具有TiN涂層的多孔膜，其特征在于所述的多孔膜孔隙率41 53%，孔洞尺寸44 57 μ m,并且在孔洞表面獲得2 2. 5 μ m厚度的氮化層。
3.如權(quán)利要求I所述的具有TiN涂層的多孔膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟 a)Ti+TiH2粉末為原料，制成的厚度4 5 μ m的薄片狀壓坯； b)利用氮等離子束對(duì)薄片狀壓坯進(jìn)行掃描加熱氮化處理，TiH2受熱分解，氣體膨脹逸出，在壓坯中預(yù)先形成連通的孔洞； c)隨著氮等離子束加熱，坯體中溫度升高，壓坯中Ti粉末顆粒表面微熔，促進(jìn)顆粒之間的結(jié)合，形成多孔材料的連接骨架，近似于在等離子熱作用下的無壓燒結(jié)； d)氮等離子束流中的被電離的活性氮離子與微熔的Ti、TiH2受熱分解的Ti結(jié)合，形成TiN、Ti2N，等離子束離開后，Ti骨架上微熔的涂層部分開始冷卻，在孔洞之間的Ti骨架上獲得致密連續(xù)的TiN、Ti2N涂層，包圍著Ti骨架基體。
4.如權(quán)利要求3所述的具有TiN涂層的多孔膜的制備方法，其特征在于所述的Ti+TiH2粉末制備薄片狀壓坯吋，Ti、TiH2粉純度皆大于99. 6%，平均尺寸分別為40、33 μ m,配比按照lwt% TiH2粉，其余為Ti粉稱量。
5.如權(quán)利要求4所述的具有TiN涂層的多孔膜的制備方法，其特征在于制備薄片狀壓坯時(shí)將稱量好的粉末裝入球磨機(jī)中混合4小時(shí)，取出后倒入模具中，采用模壓成型方法，在120MP壓カ下壓制成30X 30X 5mm的正方形薄片壓坯，相對(duì)密度約63%。
6.如權(quán)利要求3所述的具有TiN涂層的多孔膜的制備方法，其特征在于進(jìn)行等離子束掃描加熱エ藝之前，首先開啟高頻弧，調(diào)整、設(shè)定氮等離子束的エ藝參數(shù)如下電流80A，電壓40V，掃描速度5mm/s，氮等離子束斑直徑Φ 5mm，氮?dú)饬髁縊. 5m3/h，氮等離子束噴嘴與試樣距離5mm。
全文摘要
一種具有TiN涂層的多孔膜，所述的多孔膜是利用氮等離子束對(duì)由Ti+TiH2制成的薄片狀壓坯進(jìn)行掃描加熱氮化處理，從而形成孔狀結(jié)構(gòu)并在孔洞之間的Ti骨架上獲得的致密連續(xù)的包圍著Ti骨架基體的TiN、Ti2N涂層。本發(fā)明將多孔材料的獲得與涂層的形成一步完成，薄膜孔隙率范圍大，制備流程短，效率高，成品率高。這種孔洞表面帶有TiN涂層的多孔Ti薄膜，組織均勻、致密,與基體為良好的冶金結(jié)合，顯微硬度為1270～1430HV。多孔膜與原坯形狀、尺寸接近，具有很好的相似性。耐磨、耐蝕性好，可用作催化、環(huán)境凈化、醫(yī)療等行業(yè)中的催化劑載體和過濾體，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號(hào)B22F3/16GK102719691SQ20121003919
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者孫金全, 崔洪芝, 曹麗麗, 曾榮昌, 王燦明 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)