專利名稱：Ni-Al合金蜂窩材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及金屬蜂窩材料及其制備技術，特別提供了 Ni-Al合金蜂窩材料及其制備方法。
背景技術：
金屬蜂窩是金屬骨架和蜂窩孔相間的新型金屬材料，因其內部所含蜂窩狀直通孔而得名。這種材料具有質輕、隔音、隔熱、吸能減震等特性，是典型的結構功能一體化材料，比如采用鋁蜂窩制備的輕質夾芯板具有優異的吸收沖擊能的作用，以及良好的隔熱作用[H. N. G. ffadley, Multifunctional periodic cellular metals, PhilosophicalTransactions of the Royal SocietyA, 364 (2006) 31-68]。金屬蜂窩材料的應用領域涉及到航空航天、電子、環保、能源、建筑等。同時它也是優異的催化劑載體材料[張建國，郟景省，張純希，王樹東，PtAI2O3涂層金屬蜂窩催化劑的制備及其CO選擇性氧化催化性能，催化學報，29 (2008)421-425]，用于汽車尾氣處理和染料電池氫源處理等領域[陳勇軍，左孝青，史慶南，宿罡，王茗，金屬蜂窩的開發、發展及應用，材料導報，17 (2003) 32-35]。然而目前金屬蜂窩材料普遍存在耐溫低或抗高溫腐蝕性能較差的問題，難以用于高溫領域特別是高溫腐蝕性環境。該領域對金屬蜂窩材料同樣有著巨大的需求，如汽車尾氣過濾和催化裝置中所用材料要求耐高溫腐蝕性能，陶瓷材料由于脆性問題壽命有限，因而當前對抗高溫腐蝕的金屬蜂窩材料有著迫切的需求。又比如在潔凈煤技術領域的整體煤氣化聯合循環發電技術中，高溫煤氣化氣體和煙氣凈化除塵，都需要大量的抗高溫腐蝕的金屬蜂窩材料[參見文獻張健，湯慧萍，奚正平，汪強兵.高溫氣體凈化用金屬多孔材料的發展現狀，稀有金屬材料與工程，35 (2006) 438-441 ;汪強兵，湯慧萍，奚正平，張健，李增峰.煤氣化技術用金屬多孔材料研究進展，稀有金屬材料與工程，35 (2006) 448-451]。Ni-Al金屬間化合物使用溫度高、比強度高，抗高溫腐蝕性能優異，是一種可用于高溫腐蝕環境中的理想候選材料[參見文獻李婷婷，彭超群，王日出，王小鋒，劉兵，王志勇.Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金屬間化合物多孔材料的研究進展，中國有色金屬學報，21 (2011) 784-795]。國內外對多孔Ni-Al金屬間化合物及其制備方法有大量的研究[參見文獻A. M. Hodge, D. C. Dunand, Synthesis of nickel-aluminide foams bypack-aluminization of nickel foams, Intermetallics, 9(2001)581-589;H. Omar, D.P.Papadopoulos,S. A.Tsipas, H. Lefakis, Aluminizing nickel foam by a slurrycoating process, Materials Letters, 63 (2009) 1387-1389;吳靚，賀躍輝，董虹星· Ni-Al金屬間化合物多孔材料的制備，粉末冶金材料科學與工程，14 (2009) 52-56]，然而尚未出現蜂窩結構的Ni-Al金屬間化合物及其制備方法的報道。人們期望獲得一種技術效果優良的Ni-Al合金蜂窩材料及其制備方法。

發明內容
本發明的目的是為了解決當前金屬蜂窩材料高溫強度、抗高溫腐蝕性能較低，而提出抗高溫腐蝕的Ni-Al合金蜂窩材料及其制備方法。本發明Ni-Al合金蜂窩材料，其特征在于其核心為純鋁或鋁合金材質，具體為線狀或管狀材料；其外層為純鎳或鎳基合金材質形成的包覆層；其橫截面形狀徑向尺寸范圍為 O. OOlmm-IOmm ;當為線狀材料時，其核心線狀材料的直徑與包覆層的厚度之比為O. 05-1 ;當為管狀材料時，其核心管狀材料的壁厚與包覆層的厚度之比為O. 05-1。所述Ni-Al合金蜂窩材料，還包含有下述內容要求在鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材表面涂覆有粘結劑層，粘結劑層的體積為鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材的1%_98% ；Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y -Ni、Y ’ -Ni3Al, β -NiAl和δ -Ni2Al3的其中一種或多種。粘結劑為固態或液態粘結劑，具體為下述幾種之一或其組合金屬粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸鉀水玻璃。本發明還涉及Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法，其特征在于I)以純鋁或鋁合金材質的線狀或管狀材料為核心，在其外部制備純鎳或鎳基合金材質形成的包覆層，制得的成品橫截面徑向尺寸范圍為O. OOlmm-IOmm ;當為線狀材料時，其核心線狀材料的直徑與包覆層的厚度之比為O. 05-1 ;當為管狀材料時，其核心管狀材料的壁厚與包覆層的厚度之比為0.05-1 ;Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y，-Ni3Al, β -NiAl 和 δ -Ni2Al3 的其中一種或多種；2)所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法滿足下述要求首先進行料胚制備，然后進行高溫擴散處理；其中制備料胚前在鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材表面涂覆粘結劑層，粘結劑層所占體積為鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材的1%_98% ；在料胚制備過程中，通過拉拔或壓制變形使鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材間形成緊密接觸狀態，制備工藝溫度為室溫至700° C；高溫擴散處理環境滿足下述三種要求之一空氣、真空或保護性氣氛；高溫擴散處理要求的工藝溫度為600-1200° C、壓力為常壓至200MPa，時間I分鐘-100小時；粘結劑為固態或液態粘結劑，具體是以下幾種之一或其組合金屬粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸鉀水玻璃。所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法滿足下述要求鎳層厚度和鋁線外徑/鋁管壁厚的比值為0.05-0.3 ;料胚制備溫度為20-200° C，高溫擴散在真空或保護性氣氛下進行，擴散工藝溫度為700-1100° C、時間為5分鐘-20小時。所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法還可能滿足下述要求包覆層厚度和鋁線外徑/鋁管壁厚的比值為O. 4-1 ;料胚制備溫度為20-200° C，高溫擴散在真空或保護性氣氛下進行，擴散工藝溫度為700-1100° C、時間為5分鐘-20小時。本發明由鎳鋁復合線材或管材利用元素Ni和Al間擴散的Kirkendall效應形成中空結構而制成Ni-Al合金蜂窩材料。
本發明具體提出Ni-Al合金蜂窩材料及其制備方法，可解決現有金屬蜂窩材料高溫力學性能和抗高溫腐蝕性能普遍較低的問題，并適于規模化生產。


下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明圖I為本發明所用的鎳鋁復合線材剖面結構示意圖；圖2為本發明所用的鎳鋁復合管材剖面結構示意圖；圖3為本發明提出的由鎳鋁復合線材通過粘結劑粘結并經高溫擴散形成Ni-Al合金蜂窩材料的示意圖；圖4為本發明提出的由鎳鋁復合線材通過拉拔并經高溫擴散形成Ni-Al合金蜂窩材料的不意圖；圖5為本發明提出的由鎳鋁復合管材通過粘結劑粘結并經高溫擴散形成Ni-Al合金蜂窩材料的示意6為本發明提出的由鎳鋁復合管材通過拉拔并經高溫擴散形成Ni-Al合金蜂窩材料的不意圖；圖7為本發明提出的由鎳鋁復合線材通過壓制并經高溫擴散形成Ni-Al合金蜂窩材料的不意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。實施例I采用附圖3所示的制備工藝可由鎳鋁復合線材得到玻璃或水玻璃粘結的Ni-Al合金蜂窩材料。首先將外徑lOnm-lOmm、鎳層厚度/鋁線外徑比O. 05-1的鎳鋁復合線材置入有底金屬套筒(高熔點金屬，材質不限)內，將玻璃料漿或水玻璃注入鎳鋁復合線材的縫隙內形成初級料胚，其中粘結劑體積分數1%_98%。采用由室溫緩慢升溫(〈10° C/s)的方式將其烘干完成(a)料胚制備工序。然后將該料胚放入高溫爐內進行(b)高溫擴散，溫度600-1200。C、壓力O. l-200MPa,時間I分鐘-50小時，真空、保護性氣氛或空氣條件下進行。在(b)高溫擴散處理階段料胚內的鎳鋁復合線材發生反應形成Ni-Al合金并在其芯部形成通孔，同時玻璃軟化流動將所形成的中空Ni-Al合金線材緊密包裹。由此得到玻璃或水玻璃粘結的Ni-Al合金蜂窩材料，其蜂窩孔形成于鎳鋁復合線材內部。Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y’ -Ni3Al、β-NiAl和S-Ni2Al3的其中一種或多種，取決于鎳鋁復合線材的鎳層厚度/鋁線外徑，以及(b)高溫擴散處理的溫度和時間。實施例2采用附圖4所示的制備工藝可由鎳鋁復合線材通過拉拔并經高溫擴散得到Ni-Al合金蜂窩材料。首先將外徑lOnm-lOmm、鎳層厚度/鋁線外徑比O. 05-1的鎳鋁復合線材置入金屬套筒(高熔點金屬，材質不限)內緊湊排放，將其通過如圖4所示模具進行拉拔處理，以使鎳鋁復合線材間緊密接觸完成(a)料胚制備工序。然后將該料胚放入高溫爐內進行(b)高溫擴散，溫度600-1200° C、壓力O. l-200MPa,時間I分鐘-50小時，真空、保護性氣氛或空氣條件下進行。在(b)高溫擴散處理階段料胚內的鎳鋁復合線材發生反應形成Ni-Al合金并在其芯部形成通孔，由此得到Ni-Al合金蜂窩材料，其蜂窩孔形成于鎳鋁復合線材內部。Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y ’ -Ni3Al, β -NiAl和δ -Ni2Al3的其中一種或多種，取決于鎳鋁復合線材的鎳層厚度/鋁線外徑，以及(b)高溫擴散處理的溫度和時間。實施例3采用附圖5所示的制備工藝可由鎳鋁復合管材得到玻璃或水玻璃粘結的Ni-Al合金蜂窩材料。實施方式與實施例I完全相同，僅需將外徑lOnm-lOmm、鎳層厚度/鋁管厚度比O. 05-1的鎳鋁復合管材取代實施例I中的鎳鋁復合線材即可。同樣，其蜂窩孔形成于鎳鋁復合線材內部。Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y -Ni、Y ’-Ni3Al、β -NiAl和δ -Ni2Al3的其中一種或多種，取決于鎳鋁復合線材的鎳層厚度/鋁線外徑，以及(b)高溫擴散處理的溫度和時間。實施例4采用附圖6所示的制備工藝可由鎳鋁復合管材通過拉拔并經高溫擴散得到Ni-Al合金蜂窩材料。實施方式與實施例2完全相同，僅需將外徑lOnm-lOmm、鎳層厚度/鋁管厚度比O. 05-1的鎳鋁復合管材取代實施例I中的鎳鋁復合線材即可。同樣，其蜂窩孔形成于鎳鋁復合線材內部。Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y’-Ni3Al、β-NiAl和S-Ni2Al3的其中一種或多種，取決于鎳鋁復合線材的鎳層厚度/鋁線外徑，以及(b)高溫擴散處理的溫度和時間。實施例5采用附圖7所示的制備工藝可由鎳鋁復合線材通過壓制并經高溫擴散得到Ni-Al合金蜂窩材料。首先將外徑lOnm-lOmm、鎳層厚度/鋁線外徑比O. 05-1的鎳鋁復合線材置入如圖7所示模具內緊湊排放，在適當壓力下壓制，以使鎳鋁復合線材間緊密接觸完成(a)料胚制備工序。然后將該料胚放入高溫爐內進行(b)高溫擴散，溫度600-1200° C、壓力O. l-200MPa,時間I分鐘-50小時，真空、保護性氣氛或空氣條件下進行。在(b)高溫擴散處理階段料胚內的鎳鋁復合線材發生反應形成Ni-Al合金并在其芯部形成通孔，由此得到Ni-Al合金蜂窩材料，其蜂窩孔形成于鎳鋁復合線材內部。Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y’ -Ni3Al、β-NiAl和S-Ni2Al3的其中一種或多種，取決于鎳鋁復合線材的鎳層厚度/鋁線外徑，以及(b)高溫擴散處理的溫度和時間。實施例6Ni-Al合金蜂窩材料,其核心為純招或招合金材質,具體為線狀或管狀材料；其外層為純鎳或鎳基合金材質形成的包覆層；其橫截面形狀徑向尺寸范圍為O. OOlmm-IOmm ;當為線狀材料時，其核心線狀材料的直徑與包覆層的厚度之比為O. 05-1 ;當為管狀材料時，其核心管狀材料的壁厚與包覆層的厚度之比為O. 05-1。在鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材表面涂覆有粘結劑層，粘結劑層的體積為鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材的1%_98% ;粘結劑為固態或液態粘結劑，具體為下述幾種之一或其組合金屬粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸鉀水玻璃。Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y -Ni、Y ’ -Ni3Al, β -NiAl和δ -Ni2Al3的其中一種或多種。實施例7
Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法，滿足下述要求I)以純鋁或鋁合金材質的線狀或管狀材料為核心，在其外部制備純鎳或鎳基合金材質形成的包覆層，制得的成品橫截面徑向尺寸范圍為O. OOlmm-IOmm ;當為線狀材料時，其核心線狀材料的直徑與包覆層的厚度之比為O. 05-1 ;當為管狀材料時，其核心管狀材料的壁厚與包覆層的厚度之比為0.05-1 ;Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y，-Ni3Al, β -NiAl 和 δ -Ni2Al3 的其中一種或多種；2)所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法滿足下述要求首先進行料胚制備，然后進行高溫擴散處理；其中制備料胚前在鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材表面涂覆粘結劑層，粘結劑層所占體積為鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材的1%_98% ；在料胚制備過程中，通過拉拔或壓制變形使鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材間形成緊密接觸狀態，制備工藝溫度為室溫至700° C；高溫擴散處理環境滿足下述三種要求之一空氣、真空或保護性氣氛；高溫擴散處理要求的工藝溫度為600-1200° C、壓力為常壓至200MPa，時間I分鐘-100小時；粘結劑為固態或液態粘結劑，具體是以下幾種之一或其組合金屬粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸鉀水玻璃。鎳層厚度和鋁線外徑/鋁管壁厚的比值為0.05-0.3 ;料胚制備溫度為20-200° C，高溫擴散在真空或保護性氣氛下進行，擴散工藝溫度為700-1100° C、時間為5分鐘-20小時。本實施例由鎳鋁復合線材或管材利用元素Ni和Al間擴散的Kirkendall效應形成中空結構而制成Ni-Al合金蜂窩材料。本實施例具體提出Ni-Al合金蜂窩材料及其制備方法，可解決現有金屬蜂窩材料高溫力學性能和抗高溫腐蝕性能普遍較低的問題，并適于規模化生產。實施例8Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法，滿足下述要求I)以純鋁或鋁合金材質的線狀或管狀材料為核心，在其外部制備純鎳或鎳基合金材質形成的包覆層，制得的成品橫截面徑向尺寸范圍為O. OOlmm-IOmm ;當為線狀材料時，其核心線狀材料的直徑與包覆層的厚度之比為O. 05-1 ;當為管狀材料時，其核心管狀材料的壁厚與包覆層的厚度之比為0.05-1 ;Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y，-Ni3Al, β -NiAl 和 δ -Ni2Al3 的其中一種或多種；2)所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法滿足下述要求首先進行料胚制備，然后進行高溫擴散處理；其中制備料胚前在鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材表面涂覆粘結劑層，粘結劑層所占體積為鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材的1%_98% ；在料胚制備過程中，通過拉拔或壓制變形使鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材間形成緊密接觸狀態，制備工藝溫度為室溫至700° C；高溫擴散處理環境滿足下述三種要求之一空氣、真空或保護性氣氛；高溫擴散處理要求的工藝溫度為600-1200° C、壓力為常壓至200MPa，時間I分鐘-100小時；粘結劑為固態或液態粘結劑，具體是以下幾種的組合金屬粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸鉀水玻璃。所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法還可能滿足下述要求包覆層厚度和鋁線外徑/鋁管壁厚的比值為O. 4-1 ;料胚制備溫度為20-200° C，高溫擴散在真空或保護性氣氛下進行，擴散工藝溫度為700-1100° C、時間為5分鐘-20小時。本實施例由鎳鋁復合線材或管材利用元素Ni和Al間擴散的Kirkendall效應形成中空結構而制成Ni-Al合金蜂窩材料。本實施例具體提出Ni-Al合金蜂窩材料及其制備方法，可解決現有金屬蜂窩材料高溫力學性能和抗高溫腐蝕性能普遍較低的問題，并適于規模化生產。以上結合附圖對本發明的具體實施方式

作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。
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權利要求
1.Ni-Al合金蜂窩材料,其特征在于其核心為純招或招合金材質，具體為線狀或管狀材料；其外層為純鎳或鎳基合金材質形成的包覆層；其橫截面形狀徑向尺寸范圍為O.OOlmm-IOmm ； 當為線狀材料時，其核心線狀材料的直徑與包覆層的厚度之比為O. 05-1 ;當為管狀材料時，其核心管狀材料的壁厚與包覆層的厚度之比為O. 05-1。
2.根據權利要求I所述Ni-Al合金蜂窩材料，其特征在于 在鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材表面涂覆有粘結劑層，粘結劑層的體積為鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材的1%_98% ； Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y ’ -Ni3AU β -NiAl和δ -Ni2Al3的其中一種或多種。
3.根據權利要求I所述Ni-Al合金蜂窩材料，其特征在于粘結劑為固態或液態粘結齊 ，具體為下述幾種之一或其組合金屬粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸鉀水玻璃。
4.Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法，其特征在于 1)以純鋁或鋁合金材質的線狀或管狀材料為核心，在其外部制備純鎳或鎳基合金材質形成的包覆層，制得的成品橫截面徑向尺寸范圍為O. OOlmm-IOmm ;當為線狀材料時，其核心線狀材料的直徑與包覆層的厚度之比為O. 05-1 ;當為管狀材料時，其核心管狀材料的壁厚與包覆層的厚度之比為O. 05-1 ；Ni-Al合金蜂窩材料的合金相包括Y-Ni、Y ’ -Ni3AUβ -NiAl和δ -Ni2Al3的其中一種或多種； 2)所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法滿足下述要求首先進行料胚制備，然后進行高溫擴散處理；其中 制備料胚前在鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材表面涂覆粘結劑層，粘結劑層所占體積為鎳招復合線材或鎳招復合管材的1%_98% ； 在料胚制備過程中，通過拉拔或壓制變形使鎳鋁復合線材或鎳鋁復合管材間形成緊密接觸狀態，制備工藝溫度為室溫至700° C； 高溫擴散處理環境滿足下述三種要求之一空氣、真空或保護性氣氛；高溫擴散處理要求的工藝溫度為600-1200° C、壓力為常壓至200MPa，時間I分鐘-100小時；
5.按照權利要求4所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法，其特征在于粘結劑為固態或液態粘結劑，具體是以下幾種之一或其組合金屬粉、玻璃或搪瓷粉、硅酸鉀水玻璃。
6.按照權利要求4或5所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法，其特征在于所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法滿足下述要求 鎳層厚度和鋁線外徑/鋁管壁厚的比值為O. 05-0. 3 ;料胚制備溫度為20-200° C，高溫擴散在真空或保護性氣氛下進行，擴散工藝溫度為700-1100° C、時間為5分鐘-20小時。
7.按照權利要求4或5所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法，其特征在于所述Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法滿足下述要求 包覆層厚度和鋁線外徑/鋁管壁厚的比值為O. 4-1 ;料胚制備溫度為20-200° C，高溫擴散在真空或保護性氣氛下進行，擴散工藝溫度為700-1100° C、時間為5分鐘-20小時。
全文摘要
Ni-Al合金蜂窩材料，其核心為純鋁或鋁合金材質，具體為線狀或管狀材料；其外層為純鎳或鎳基合金材質形成的包覆層；其橫截面形狀徑向尺寸范圍為0.001mm-10mm；核心線狀材料的直徑或者核心管狀材料的壁厚二者之一和包覆層的厚度之比為0.05-1。本發明還涉及Ni-Al合金蜂窩材料的制備方法。利用鎳鋁復合線材或管材中元素Ni和Al擴散的Kirkendall效應形成中空結構，從而獲得Ni-Al合金蜂窩材料，可解決現有金屬蜂窩材料高溫力學性能和抗高溫腐蝕性能普遍較低的問題，并適于規模化生產。
文檔編號B32B15/01GK102922791SQ2012103613
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者沈明禮, 朱圣龍, 王福會, 吳維 申請人:中國科學院金屬研究所