[发明专利]一种元素混合粉反应合成制备FeAl金属间化合物柔性膜的方法

说明书

本发明公开了一种元素混合粉反应合成制备FeAl金属间化合物柔性膜的方法。本发明方法通过在310S不锈钢丝网上喷涂电解Fe、Al粉复合浆料，然后通过真空脱脂、偏扩散造孔反应合成具有丰富孔隙结构的FeAl金属间化合物柔性膜。制备的FeAl金属间化合物柔性膜具有孔隙度高，轻质，抗高温氧化和抗腐蚀性能良好等优点，并大幅度提高丝网的耐高温、耐腐蚀性以及柔性膜整体的力学性能，制备工艺简单，能耗低成本低。

技术领域

本发明属于无机多孔膜材料制备技术领域，具体涉及一种元素混合粉反应合成制备FeAl金属间化合物柔性膜的方法。

背景技术

FeAl基有序金属间化合物材料展现出一些特殊的化学和力学性能，如优良的抗氧化和抗硫化性能，高比强度以及较高的蠕变抗性，尤其是FeAl原材料价格低廉，因此近年来被认为是理想的高温过滤材料，有望替代传统的镍基合金和不锈钢滤材。普通不锈钢或镍基合金滤材较难应用到500℃以上的工况，而FeAl合金滤材最高使用温度可达1000℃。高铝含量是FeAl材料具有良好的抗高温抗腐蚀性能的关键，然而同样导致了FeAl材料具有室温脆性、难加工、难烧结等问题。而且FeAl合金本身的熔炼和铸造也存在许多问题。由于Fe和Al在熔融过程中反应放出大量的热，容易导致熔炼坩埚或熔炼炉衬里的损坏。

反应合成被认为是获得低成本、高性能FeAl金属间化合物多孔材料的一种重要方法。该方法一般采用电解铁粉或羰基铁粉(小粒径)，以及气雾化或离心雾化铝粉为原料，混合均匀后采用模压或冷等静压成形。由于元素混合粉在烧结加热过程中，当温度达到Al熔点前后，Al和Fe发生快速扩散和相变反应。Fe和Al元素的本征扩散系数差异较大，在600℃下，FeAl相中Fe的本征扩散系数3.3×10^-14m² s^-1，而Al的本征扩散系数为1.1×10^-12m² s^-1，相差两个数量级。通过偏扩散反应生成的金属间化合物中间相会导致烧结坯出现较大的膨胀，同时，在共晶点附近Al液相的出现可引起剧烈的Fe-Al放热反应，可导致自蔓延反应的发生，因此烧结工艺以及烧结机理与预合金粉末工艺均有较大差异。上述偏扩散过程属于典型的Kirkendall效应，因此其孔隙形成过程又称为Kirkendall效应造孔。烧结体继续升温，在后续高温烧结后完成物相和组元的扩散均匀化，最终得到具有反应合成特征的Fe-Al多孔材料。

反应合成工艺具有其特殊的工艺优势：(1)采用元素粉末为原料，原料价格低廉；(2)元素粉末屈服强度低，成形性好，可以在不添加成形剂的情况下获得较大的生坯强度，而且不使用添加剂避免了烧结过程的脱脂环节，减少了对材料以及设备的污染；(3)容易通过元素粉末配比的调节实现最终材料成分的调节，如通过调整Fe和Al元素粉末的摩尔比，通过混合均匀和烧结后可分别制备Fe₃Al、FeAl、Fe₂Al₅、FeAl₃等一系列金属间化合物相；(4)在烧结过程同步实现烧结颈的形成以及成分的扩散均匀化，避免了真空熔炼和雾化制粉，降低了生产成本；(5)反应合成多孔材料的孔隙形成机理是多方面的，包括粉末间隙孔、Al元素的让位造孔、体积膨胀造孔、相变造孔等；因此根据成孔机理，孔结构控制手段趋于多样化，可通过调节Fe或Al元素的粉末粒径和形态(球形粉或不规则粉)、成分组成(基于FeAl相具有较大的成分范围，适当增加Al相百分比可提高孔隙度)、成形压力、烧结工艺等，均可实现孔径和透气度的调节；(6)由于Al元素的偏扩散，Al让位形成的孔隙以及相变形成的孔隙可连通粉末间隙孔，因此相较于合金粉末单一的间隙孔，反应合成多孔材料具有更好的渗透性；(7)烧结过程元素的浓度梯度形成的化学势可促进烧结过程成分的均匀化，同时粉末间反应生成的金属间化合物相作为烧结颈的初始状态，促使烧结颈在较低温度下形成，降低了最终烧结温度。