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Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金属间化合物多孔材料的研究进展

来源期刊:中国有色金属学报2011年第4期

论文作者:李婷婷 彭超群 王日初 王小锋 刘兵 王志勇

文章页码:784 - 795

关键词:金属间化合物;Fe-Al合金;Ti-Al合金;Ni-Al合金;多孔材料;耐腐蚀性能

Key words:intermetallic compound; Fe-Al alloy; Ti-Al alloy; Ni-Al alloy; porous material; corrosion resistance property

摘    要:总结Fe-Al、Ti-Al、Ni-Al 3大系金属间化合物的物相结构和基本特性,论述Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al 3大类金属间化合物多孔材料的制备方法、孔结构表征以及耐腐蚀性能,并指出孔结构参数的可控性研究、复合材料的制备和焊接性能的提高是金属间化合物多孔材料未来的研究重点。

Abstract: The phase structures and elemental characteristics of Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetallic compound porous materials were summarized. The preparation methods, pore structures and corrosion resistances of these three kinds of intermetallic compound porous materials were discussed. The trends of development of porous Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetallics compound porous materials, the controllability of parameters of pore structure, the preparation of composite and the improvement of welding performance, were pointed out.



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文章编号:1004-0609(2011)04-0784-12

Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金属间化合物多孔材料的研究进展

李婷婷,彭超群,王日初,王小锋,刘  兵,王志勇

(中南大学 材料科学与工程学院,长沙 410083)

摘  要:总结Fe-Al、Ti-Al、Ni-Al 3大系金属间化合物的物相结构和基本特性,论述Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al 3大类金属间化合物多孔材料的制备方法、孔结构表征以及耐腐蚀性能,并指出孔结构参数的可控性研究、复合材料的制备和焊接性能的提高是金属间化合物多孔材料未来的研究重点。

关键词:金属间化合物;Fe-Al合金;Ti-Al合金;Ni-Al合金;多孔材料;耐腐蚀性能

中图分类号:TG146.2       文献标志码:A

Research progress in porous Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetallic compound porous materials

LI Ting-ting, PENG Chao-qun, WANG Ri-chu, WANG Xiao-feng, LIU Bing, WANG Zhi-yong

(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The phase structures and elemental characteristics of Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetallic compound porous materials were summarized. The preparation methods, pore structures and corrosion resistances of these three kinds of intermetallic compound porous materials were discussed. The trends of development of porous Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetallics compound porous materials, the controllability of parameters of pore structure, the preparation of composite and the improvement of welding performance, were pointed out.

Key words: intermetallic compound; Fe-Al alloy; Ti-Al alloy; Ni-Al alloy; porous material; corrosion resistance property

多孔材料是指具有一定尺寸和数量孔隙结构的材料,通常孔隙率较大,孔隙结构作为有用的结构存   在[1]。多孔材料种类繁多,按化学成分和孔径尺寸进行分类是目前常用的两种分类方法。根据化学成分的不同可将多孔材料分为无机多孔材料和有机多孔材料。无机多孔材料主要包括金属多孔材料、陶瓷多孔材料和金属间化合物多孔材料3大类;有机多孔材料主要包括生物多孔材料和非生物多孔材料。此外,多孔材料也可根据孔径大小分为微孔(孔径<2 nm)、介孔(2 nm≤孔径≤50 nm)和宏孔(孔径≥50 nm)多孔材料。目前,多孔材料已广泛应用于医药、化工、冶金、海水淡化以及环境保护等领域,为提高工业生产率、节约能源、保护环境做出了重大贡献。有机多孔材料存在抗高温高压性能差、不耐有机溶剂,以及抗环境腐蚀性能较差等缺陷,只能应用于环境较为友好的水处理和生物等领域。相对于有机多孔材料而言,无机多孔材料则更能体现其广泛的应用价值[2]。金属多孔材料具有较高的机械强度和较优的抗热震性能,以及较好的机械加工性和焊接性能,但高温强度较低,高温抗氧化和抗腐蚀性能较差。因此,难以应用于高温领域或腐蚀性环境。与金属多孔材料比较,陶瓷多孔材料具有化学稳定好、热稳定性优异以及工作温度高等优点,但是,室温力学性能和可焊接性能较差,不易组件化[3]

金属间化合物多孔材料是一种介于高温合金与陶瓷之间的新型无机多孔材料,由于其按照金属键和共价键共同结合,因此兼有金属材料和陶瓷材料的共同优点,具有优异的性能,如低密度,高弹性模量,高导热系数,高比强度和比刚度,优异的高温抗氧化性能,良好的抗各种强酸、强碱、盐雾、氯分子和氯离子腐蚀性能以及可加工性等。因此,作为高温催化剂载体材料和不锈钢的替代材料,具有广阔的应用前  景[4-6]。此外,在制备Fe-Al、Ni-Al和Ti-Al金属间化合物的过程中,由于不同元素本征扩散系数的较大差异所引起的偏扩散效应,使得材料中不可避免存在Kirkendall孔隙[7-9]。Kirkendall孔隙的存在严重影响 致密体结构材料的力学性能,必须加以消除,但作为功能材料,则可对其进行有效利用。因此,近年     来,金属间化合物多孔材料迅速成为材料界研究的热点之一。

目前,研究较多的金属间化合物多孔材料有Fe-Al系(Fe3A1和FeAl)、Ti-Al系(Ti3Al和TiAl)以及Ni-Al系(Ni3A1和NiAl)金属间化合物[10],其性能特点如表1所列。金属间化合物多孔材料的研究主要集中在以下3个方面:1) 制备工艺的优化;2) 成孔机理的探讨;3) 材料性能的改善和应用范围的扩大。此外,有关这方面的研究性报道颇多,但综述论文鲜见报道。因此,本文作者着重从以上3个方面对三大系金属间化合物多孔材料的研究现状与进展进行系统的分析和总结。


1  无机多孔材料的制备方法与性能表征

1.1  制备方法

多孔材料的性能与其多孔结构有着密切的关系,这也是目前国内外对多孔材料研究的热点之一[23-26]。由于不同的制备技术所得到的多孔材料的性能不同,因此,要得到性能优良的多孔材料,制备技术显得十分重要。制备多孔材料的关键和难点在于形成多孔结构。单纯得到孔隙率很高的材料并不困难,但要控制孔径及其分布、形状以及三维排列等,则需要对工艺进行优化设计,选择适当的制备工艺可以得到合适的孔洞大小、形貌和分布。

无机多孔材料的制备方法很多,目前应用较广的有5种:添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、挤出成型法和颗粒堆积法,其成孔机理和工艺特点见表2[26-29]

无机多孔材料的制备方法多种多样,不同的制备方法其孔隙形成机理不尽相同。根据多孔材料制备过程中孔隙与材料本身两者之间的相互作用,可将无机多孔材料制备方法中所依据的基本成孔机理分为两大类:宏观物理成孔机理和微观成孔机理,即化学反应成孔机理。宏观物理成孔机理包括:原料粒子物理堆积成孔、添加成分脱除成孔、流体介质排除材料基体成孔。几乎所有的无机多孔材料制备方法,都是根据这4类机理中的一种或几种组合机理来制备多孔材料的[15]


表1  Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金属间化合物多孔材料的性能特点

Table 1  Property characteristics of Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetallic compound porous materials

表2  无机多孔材料的主要制备方法及其特点[26-29]

Table 2  Main preparation methods of inorganic porous materials and their characteristics[26-29]


由于金属间化合物兼有金属与陶瓷共同的性能特点:一方面,材料学者尝试沿用无机多孔材料的制备方法来制备金属间化合物多孔材料,具体工艺流程如图1所示;另一方面,由于金属间化合物原料组分(两种或两种以上金属粉末)的特殊性,致使其成孔机理多样化,制备工艺简单化(例如无压反应合成法与SHS)。主要表现在金属元素间存在的Kirkendall效应,会在反应过程中产生Kirkendall孔隙,形成微孔。因此,无需将合金粉末进行预合金化,且不需添加其他成孔剂,就可利用原料粒子间的空隙、反应过程生成的孔隙等,制备出高孔隙率的多孔材料,从而简化工艺,减少污染,降低成本。

1.2  表征方法

金属间化合物多孔材料的表征包括孔结构表征和性能表征。孔结构表征包括孔隙率、最大孔径和孔径分布。性能表征包括材料性质和传递性能两方面,材料性质包括机械强度和化学稳定性等,传递性能主要是指渗透性能[11]

图1  金属间化合物多孔材料制备工艺流程

Fig.1 Preparation flowchart of intermetallic compound porous material

1.2.1  孔结构表征

1) 孔隙率及开孔隙率

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