不同粉末粒度的粉末軋制多孔鈦板的孔隙性能研究

2020-04-17 09:09:46李增峰王利卿趙少陽殷京甌文佳藝

中國材料進展 2020年3期

李增峰，談萍，葛淵，王利卿，趙少陽，沈壘，殷京甌，文佳藝

(西北有色金屬研究院金屬多孔材料國家重點實驗室，陜西西安 710016)

1 前言

目前國內制備的大部分多孔過濾板寬度小于220 mm，無法滿足濕法冶金、電解水、制藥和石油化工等行業對板狀過濾元件寬度大于300 mm的大尺寸需求。多孔鈦板具有強度高、通量大、使用連續穩定、能耗低、運行簡單、過濾精度高、分離效果好、抗腐防污染能力強、過濾產品質量高、處理后可重復使用等優點，在濕法冶金中可代替傳統的過濾分離裝置，使我國濕法冶金行業的裝備水平接近世界水平[1, 2]。

然而，目前關于過濾用大規格多孔鈦板的制備及相關研究的報道很少。而且，利用粉末軋制法制備大規格多孔鈦板更是少見。粉末軋制技術較傳統制備方法制備的多孔鈦板在尺寸、結構、過濾性能和力學性能方面均有所不同。該方法是將金屬粉末由供料裝置不斷送入轉動方向相反且處在同一平面的兩個軋輥之間的縫隙中，通過軋輥的壓力將粉料壓成連續的坯材，制成具有一定厚度、孔隙度和適當力學強度的板帶坯料，經燒結后即可獲得多孔板材膜[1-14]。此方法生產成本低廉，可以連續穩定地生產具有均勻厚度和孔隙性能的板狀過濾元件[2, 4, 13]。

為適應濕法冶金行業對過濾分離裝置的實際需求和軋制工藝的要求，本團隊專門開發了一種低氧、低鐵的菱形鈦粉，通過粉末軋制法制備了多孔鈦板。本文主要討論了不同鈦粉性能對軋制多孔鈦板孔隙性能的影響，其結果可為制備過濾凈化過程中滿足工業要求的大規格多孔鈦板提供實驗依據。

2 實驗

2.1 實驗材料

實驗原料為本團隊自制的具有近似菱形形貌的不規則鈦粉(圖1)，其化學成分如表1所示。對其進行篩分，選用150～104、104～86、86～74和74～44 μm 4種不同粒度范圍的鈦粉通過粉末軋制、真空燒結獲得多孔鈦板。為了減少軋制過程中粉末從軋輥縫隙流失并增強粉末顆粒的團聚能力，在粉末中添加無水乙醇，其添加量為粉末量的3%(質量分數)，以增強其成型性，保證軋制過程的正常進行。

圖1 氣流磨鈦粉末的SEM照片Fig.1 SEM image of jet milled Ti powders

表1 鈦粉的化學成分

Table 1 Chemical composition of Ti powder(ω/%)

ElementCHONFeSiTiContent0.0110.0260.1200.0130.0700.030Bal.

2.2 樣品制備

本文選用的四輥臥式粉末軋機的工作輥直徑為50 mm，軋輥寬度為500 mm且水平布置，沿垂直方向進料。軋制前，需要對軋輥表面進行清理，以確保軋輥表面無灰塵及其他粉末顆粒等雜質附著[4]。粉末軋制結合真空燒結制備多孔鈦板的工藝過程如圖2所示[15]，為了獲得最大的孔隙度和最小的厚度，對于不同粉末粒度的鈦粉，通過調節最小輥間距、輥轉速和成型所需的最小軋制壓力等參數，軋制出寬度為420 mm、長度≥1000 mm，厚度不同、密度均勻的連續生坯帶，不同粒度鈦粉的軋制工藝參數如表2所示。

圖2 粉末軋制結合真空燒結制備多孔鈦板的流程圖[15]Fig.2 Flow chart of porous Ti sheet fabricated by powder rolling combining with vacuum sintering[15]

表2 不同粒度鈦粉的軋制工藝參數

將連續成型的軋制鈦膜板坯平鋪在平整的水平料架上，隨后裝入真空燒結裝置中，其真空度≤10-2Pa，在燒結溫度為1100 ℃下保溫2 h，從而獲得多孔鈦板。采用電弧線切割法，垂直于軋制方向對多孔鈦板進行線切割獲得Φ50 mm圓片。

2.3 性能檢測

在PJS-Φ200型拍擊式振篩機上根據干篩分法(GB/T 1480—2012)對鈦粉粉末進行不同粒度分級；采用BT-200型金屬粉末流動性檢測儀根據標準漏斗法(GB/T 1482—2010)和漏斗法(GB/T 1479.1—2011)測定鈦粉粉末的流動性和松裝密度；采用BT-301型振實密度測試儀根據漏斗法(GB/T 1479.1—2011)測定鈦粉粉末的振實密度；利用FBP-Ⅳ型多孔材料孔徑檢測儀根據氣泡試驗(GB/T 5249—2013)測定多孔鈦板的最大孔徑和透氣度(GB/T 31909—2015)。基于Archimedes定律，使用XS205型分析天平測定多孔鈦板的密度和孔隙度(GB/T 5163—2006)。

3 結果與討論

多孔鈦板的過濾性能主要包括密度、孔隙度、最大孔徑、透氣度、過濾精度等。下面將對150～104、104～86、86～74和74～44 μm 4種不同粒度鈦粉的粉末性能和其對應的軋制燒結多孔鈦板過濾性能進行分析討論。

3.1 不同粒度鈦粉的粉末性能

本文研究的粉末性能主要包括流動性、松裝密度和振實密度。對所選的4種不同粒度鈦粉的松裝密度、振實密度和流動性進行分析，結果如表3所示。發現隨著粉末粒度減小，其松裝密度先增大后減小、振實密度增大、流動性變差甚至無法測出，這可能是由于粉末粒度越小越容易團聚、搭橋，易形成“虹橋效應”。

表3 不同粒度鈦粉的粉末性能

3.2 粉末粒度對軋制燒結多孔鈦板致密化的影響

眾所周知，多孔鈦板的密度越小、孔隙度越大，過濾材料的透過量越大，過濾量越大，生產效率越高。表4為不同粒度范圍的鈦粉以最小連續成型壓力軋制、燒結得到的多孔鈦板的密度和厚度。為了直觀看出多孔鈦板的孔隙度隨粉末粒度改變的變化規律，按GB/T 5163—2006燒結金屬材料(不包括硬質合金)標準的相關公式，根據多孔鈦板的密度計算出對應的孔隙度，如圖3所示。隨著粉末粒度的減小，多孔鈦板的孔隙度曲線呈現下降趨勢。這是因為粉末粒度越小，顆粒間的原始接觸點越多，有利于其燒結致密化，因此制備的多孔鈦板的孔隙度越小。但是，為了得到最大的孔隙度，在鈦粉可以連續軋制成型并使制備的多孔鈦板具有一定強度的前提下，應以最小的軋制壓力軋制成型多孔鈦板。在軋制過程中，鈦粉顆粒越細，振實密度越大，所需的軋制壓力越小(表2)。此外，粉末粒度越大，軋制、燒結成型的多孔鈦板的厚度越大。這是由于鈦粉粒度越大，流動性越好，在軋制區域咬入的粉末顆粒越多，成型的多孔鈦板厚度越大。

表4 不同粉末粒度的多孔鈦板的密度和厚度

圖3 粉末粒度對多孔鈦板孔隙度的影響Fig.3 The variation of porosity to porous Ti sheets vs. different powder sizes

圖4a為粒度分布于150～104 μm的鈦粉軋制后的鈦膜板坯斷面SEM照片，可以看出顆粒和顆粒之間是分離的。在1100 ℃下燒結2 h后其斷面SEM照片如圖4b所示，顆粒間有燒結頸相連，孔隙縮小或消失。這是因為鈦膜板坯在1100 ℃的高溫下，顆粒間原子獲得了大量的能量，變得特別活躍，原子通過顆粒間原始接觸點或面擴散轉變成冶金結合，從而形成燒結頸。隨著原子繼續擴散，其向顆粒界面大量遷移，燒結頸擴大、顆粒間距縮小，形成連續、細小的孔隙網絡；而且隨著燒結時間延長，孔隙不斷縮小、消失、重合，燒結體發生收縮，其密度增加、孔隙度減小[16]。由此可以分析出，隨著粉末粒度的減小，顆粒間的接觸點或面增多，原子擴散距離減少，有利于孔隙的縮小或消失，但這對于追求孔隙度最大化的多孔材料是不利的。

圖4 粉末粒度為150～104 μm軋制多孔鈦板燒結前后的斷面SEM照片：(a)燒結前，(b)燒結后Fig.4 Cross-sectional SEM images of porous Ti sheet rolled with powders in the size of 150～104 μm: (a) before sintering, (b) after sintering

表5為不同粒度的鈦粉以最小軋制壓力軋制出的不同厚度的連續成型鈦膜板坯，在1100 ℃下燒結2 h后得到的多孔鈦板的靜態拉伸性能。可以看出，粉末粒度越小，多孔鈦板的抗拉強度越大，但其增加幅度不大，這表明粉末粒度對多孔鈦板抗拉強度的影響較小。

表5 不同粉末粒度的多孔鈦板的靜態拉伸性能

對于多孔過濾材料而言，孔隙度特別是通孔率是唯一有效的指標，而往往粉末軋制多孔鈦板抗拉強度增大、密度提高的同時其孔隙度卻減小，從而導致材料的過濾性能降低[17]。因此，在滿足工況和后續加工所需的最低抗拉強度的情況下，盡可能通過調節燒結溫度和保溫時間來提高多孔鈦板的孔隙度。

3.3 粉末粒度對多孔鈦板最大孔徑和透氣度的影響

圖5為在同樣的制備工藝下，不同粒度的鈦粉以可連續成型的最小軋制壓力軋制得到的多孔鈦板的最大孔徑(dmax)和透氣度。可以看出，隨著粉末粒度的減小，多孔鈦板的dmax和透氣度均減小，其變化規律和模壓多孔材料的變化規律相同。在過濾與分離生產中，當流體通過過濾元件時，所能擋住流體中最小顆粒的孔徑即為過濾元件的最大孔徑，它是保障產品質量的重要指標。但多孔鈦板的最大孔徑越小，所選用的粉末越細，孔隙度越小，透氣度也越小，過濾與分離的生產效率也就越低。所以，選擇過濾材料時，在保障產品質量的同時應選擇能擋住流體中最小顆粒的相對較大的最大孔徑。對于本實驗所選的不同粒度的鈦粉，經軋制、燒結制備的多孔鈦板，采用氣泡試驗測得其最大孔徑范圍為29.1～38.5 μm，透氣度分布于267.7～358.0 m3·m-2·kPa-1·h-1之間。

圖5 粉末粒度對多孔鈦板性能的影響：(a)dmax，(b)透氣度Fig.5 The variation of the properties to porous Ti sheets vs. different powder sizes: (a) dmax, (b) gas permeability

3.4 多孔鈦板厚度對其透氣度的影響

粒度為150～104 μm的鈦粉以不同的軋制壓力軋制、燒結得到了密度相同(3.30～3.38 g/cm3)、厚度不同的多孔鈦板，其透氣度如圖6所示。一般情況下，多孔材料的透氣度與其密度成反比關系、孔隙度成正比關系。因此，密度相同的多孔鈦板，孔隙度也相對相同，那么其透氣度也應相同或相近。但是，從圖6可以看出，其透氣度不僅不相同或相近，而且還隨厚度的增加而降低，且降低幅度較大。這可能是因為多孔鈦板的厚度越大，其內部孔道的路徑越長，孔結構越復雜，氣體透過多孔結構通道時所消耗的能量也越多[17, 18]，故其透氣度會隨之降低。因此，在設計過濾材料時，在工況要求的強度及尺寸范圍內，過濾材料在密度(或孔隙度)相同的條件下厚度應盡可能選小，以獲得最大的透氣度和過濾量。