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CN101184566B - 制造开孔金属泡沫体的方法及这种方法所制的金属泡沫体和其应用 - Google Patents

制造开孔金属泡沫体的方法及这种方法所制的金属泡沫体和其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制造具有镍基合金的开孔金属泡沫体的方法，用该法制成的金属泡沫体，以及用于从流体流中分离特定的组分和污染物的特别有益的应用。此时，根据本发明设定的目标，提供一种开孔的金属泡沫体，其除机械性能改善之外，还具有增大的比表面积和/或增加的表面粗糙度。在进行其的制造时，使得由镍或镍基合金构成的开孔基础泡沫体用液体粘合剂涂布。之后沉积粉末状镍基合金和有机组分的混合物，所述有机组分从其固相至液相的相变温度至少为30℃。然后温度应当低于相应的相变温度。通过热处理，粘合剂和有机组分被驱除，一部分粉末颗粒被烧结，其他部分的粉末颗粒以材料配合方式经由烧结桥与基础泡沫体的表面连接。

Description

制造开孔金属泡沫体的方法及 这种方法所制的金属泡沫体和其应用
本发明涉及一种制造具有镍基合金的开孔金属泡沫体的方法，以及用该法制成的金属泡沫体。其特别有益地可被用来分离特定的成分，并且甚至使流体流如气流、气溶胶、悬浮液或雾状物等与污染物分离。然而，还有一种可能的有益应用是内燃机尾气的二次处理，其中例如在这里也对，这种尾气中所含颗粒的分离，以及视情况而定，催化二次处理，提供了有益的支持。
因而，从未公开的德国专利申请DE 103 46 281知晓了一种用镍基合金生产部件的方法，以及以其生成的部件。其中所描述的部件还使得可以任选地形成一种泡沫体，该泡沫体至少在一定区域中由镍基合金组成。
此时(on the occasion)，一种所谓具有开孔泡沫体形状的基材芯可用金属粉末涂布，所述金属粉末，除了镍以外，还包括其他合金元素，熔合起始基材芯和/或由镍基合金组成的表面涂层，可以在热处理的时候完成。用这种解决方案，可以改善其在接近更高温度的宽温度范围内的机械性能。但是，这种已知的开孔金属泡沫体，就其开孔排布中的表面结构而论还存在不足，这将对特别是分离/过滤及其他功能产生不利影响。
因此，特别地，能恰当达到的表面粗糙度、和孔道(pore)内壁及网状物(web)上的比表面积，仍然过低，以至于例如不能达到期望的高分离度。
为了克服这些缺点，沉积一种适当的表面涂层，将是一种可以想象的方法，其中这然后可以通过所谓的CVD法实现。但是，由于工业工程管理和能量方面的要求，因此其技术工作的投入和成本是相当大的。此外，即使用这种方法还不能保证，在整个开孔体积内能够获得均匀沉积的涂层。
此外，在DE 101 50 948 C1中描述了一种解决方案，其中烧结的多孔体被设计成具有大比表面积。为此，金属间相或固溶体在表面上形成。但是，这种包括固溶体或金属间相的表面，对特定的机械性能有不利的影响，使得只有借助特别当通过改变机械和/或热负荷而产生影响时的限制措施，以及借助特定的其它措施(于是增加了应用的成本)，所述应用才是可行的。
脆性对内燃机尾气二次处理系统的应用具有不利的影响，特别是可能发生导致系统损坏的脱落。
因此，本发明的目标是提供一种开孔的金属泡沫体，其除机械性能改善之外，还具有增大的比表面积和/或增加的表面粗糙度。
根据本发明，解决这些问题是采用了包含权利要求1特征的方法以及根据权利要求11的金属泡沫体。采用在相应从属权利要求所指出的特征，可以获得有益的发展和改进。本发明金属泡沫体的应用在权利要求13和14中提到。
本发明制造含镍基合金的开孔金属泡沫体的方法，基本上以与描述在DE 103 46 281(不是现有技术公开内容)中的相似方式实施。
因此，采用一种由镍或镍基合金构成的开孔基础泡沫体。然后，在其表面涂布一种优选为有机粘合剂的液体粘合剂。随后，将一种粉末状镍基合金和有机组分制备的混合物沉积在所述涂布了液体粘合剂的基础泡沫体的表面上。
然后选择各个有机组分，使得其相变温度至少为30℃，因而，在低于相变温度下，其固相转变为其液相没有发生，所以在到达30℃以前，这至少没有发生。
为了保证待沉积的混合物在用液体粘合剂预先涂布表面时完全出现在固相中，所以混合物的沉积应该在低于相应的相变温度的温度下进行。
混合物沉积后进行热处理。此时，粘合剂(至少其有机部分)以及有机组分被驱除。在相应的升温过程中，一部分以前使用的粉末状镍基合金的粉末颗粒被烧结，另一部分粉末颗粒，以材料配合(material-fit)方式，尽可能无变化地与基础泡沫体的表面连接，其中，各自通过至少一个颗粒烧结桥发生与表面的材料配合连接。以材料配合方式连接的这种颗粒，在热处理之后尽可能地保持它们的形状不变，其中允许略微开始烧结这种颗粒。
在制备完成的开孔金属泡沫体上，这些以材料配合方式连接的镍基合金的单个颗粒也可以用肉眼检测，其中这些以材料配合方式连接的颗粒，允许位于在孔道内表面上，以及位于形成金属泡沫体支承结构的网状物上。
因此，根据本发明制造的开孔金属泡沫体，与所用的基础泡沫体相比，在其表面上具有明显增加的粗糙度以及增加的比表面积，而通过生产确定，由镍或镍合金构成的开孔的基础泡沫体则不易达到这一点。
制造所用的混合物，和热处理时的参数，还应该保证至少20％的已经以材料配合方式连接在基础泡沫体表面上的颗粒保持它们的颗粒形状。
石蜡和蜡已证明是一种适合的有机组分。将被提到的微粒化酰胺蜡是特别优选的。
然而，在本发明所用的混合物中，还可能采用作为有机组分的物质的混合物，其中所用的物质也因而允许具有不同的相变温度，但是其应该总是大于30℃。因此，混合物可由粉末状镍基合金、第一种和至少另一种有机性质的物质制备。
本发明采用的镍基合金应该具有除了镍以外的其它合金元素，其选自碳、铬、钼、铁、钴、铌、钛、铝、硼、锆、锰、硅和镧。
如果已经采用上述由镍基合金构成的基础泡沫体，则被用于混合物的粉末状基础合金中镍的比例应该小于各自基础泡沫体的镍的比例。因此，特别是对于该粉末状基础合金的烧结部分，至少在基础泡沫体的表面区域中可以实现开始烧结。
在一种用于生产本发明的金属泡沫体的粉末状镍基合金中，其铬的含量应该至少为15重量％，优选至少为18重量％。
除粉末状镍基合金之外，包含在混合物中的有机组分含量应该大约至少为0.05重量％。
在热处理期间，并且特别是对于已述的烧结一部分粉末颗粒和形成另一部分粉末颗粒的材料配合连接，其高温范围，1200～1250℃、优选1220～1250℃间的最高温度应该被保持，并因而其应该在惰性或还原气氛中进行。
此时，工艺参数可以受到影响，使得被完全烧结或以材料配合方式连接的颗粒的比例变化。至此，这可能导致在金属泡沫体内仅仅使表面粗糙度或比表面积增大。
此外，如果应用粉末状镍基合金，最好单个颗粒的粒径大约在20～35μm的范围内。此时，最大粒径不应该超过60μm。因此，也使得能够受到有利的影响：仅仅一部分粉末状镍基合金颗粒可以被完全烧结，而可能有助于增加表面粗糙度和增加比表面积的另一部分仅仅以颗粒形式以材料配合方式与所用的基础泡沫体的表面连接，其中后者(所用的基础泡沫体)除了可避免形成的烧结桥外，基本上保持了它们起始的颗粒形状。在热处理期间，允许加热和冷却操作的速率为10K/min。
本发明的金属泡沫体仍然具有相当高的孔隙率，尽管材料已经进行了附加的涂覆(application)，并且其依旧是开孔性的。因而，例如，由镍或镍基合金构成的基础泡沫体的孔隙率(其通常为90～96％)仅仅减少到75～90％的孔隙率，从而最大减少了15％，其中，孔隙率的减少对所要求的结果仅具有非常轻微的影响，但是，增加的表面粗糙度和增大的比表面积对其具有非常有利的影响。
此后，也可以为本发明的金属泡沫体提供其它涂层，所述其它涂层例如对用于尾气系统来说是有利的。此时，也允许涂覆适合于这些应用的传统的涂层材料。
在下文中，本发明将更详细地举例解释，其中
图1显示了本发明金属泡沫体上的开孔结构部分的SEM照片。
可以制造本发明的具有增加的表面粗糙度和增大的比表面积的金属泡沫体，使得孔隙率为94％的由镍构成的基础泡沫体浸入体积为50ml的1％聚乙烯吡咯烷酮水溶液中。浸渍之后，在吸收垫上进行挤压。由此，可以从孔腔中除去粘合剂，这样仅仅网状物和孔道内表面被湿润。
将如此制备的并且尺寸为300mm×150mm×1.9mm的基础泡沫体固定在振动装置中并喷撒粉末混合物。通过振动，可以获得该粉末在粘合剂湿润的基础泡沫体表面上的均匀分布。同时，基础泡沫体的开孔性被保持。在混合物中包含了粉末状镍基合金，其具有下列组成：0.1重量％碳、22.4重量％铬、10重量％钼、4.8重量％铁、0.3重量％钴、3.8重量％铌、58.6重量％镍，这是以商品名“Inconel 625”市售可得的。
此外，混合物中还包含2重量％的、作为有机组分的、中值粒径30μm的粉末状微粒化酰胺蜡。
该微粒化酰胺蜡(二硬脂酰乙二胺，主要是C38H76N2O2)以中值粒径为30μm的粉末形式使用。该微粒化酰胺蜡的熔点为140～145℃。
酰胺蜡和镍基合金粉末，以每分钟50转的速度在圆筒形混合器中已经一起混合10分钟，然后将这样得到的混合物沉积在用液体粘合剂润湿的基础泡沫体的表面上。
仍允许如此制备和涂布的基础泡沫体变形，有时，其中应该考虑特定的最小弯曲半径。
在随后以10K/min的加热速率的热处理期间，粘合剂的有机成分和有机组分的驱除在温度大约300℃时开始。在大约600℃温度下，完成有机成分的驱除。
再升高温度直至1220～1250℃后，同时保持大约30分钟的静置时间，一部分粉末状镍基合金的颗粒已经烧结，另一部分这种镍基合金的颗粒通过至少一个各自基础泡沫体表面上的烧结桥已经以材料配合方式固定，其中材料配合方式连接的颗粒可以固定在网状物以及孔道内表面上。
对于粉末状镍基合金来说，采用的是中值粒径30μm的粉末，其中具有更小和更大的粒径的颗粒也包含在混合物中。
作为有机组分另外含于混合物中的酰胺蜡至少直到混合物以细散的粉末状形式被涂覆在基础泡沫体表面时是处于固体形式的，因为酰胺蜡的相变温度明显超过30℃。
完全制造的金属泡沫体的孔隙率仍然达到92％，如图1清楚可见，其表面粗糙度显著增加，并且对比于基础泡沫体，该金属泡沫体的开孔结构内的比表面积也可被增大。
然而，由镍基合金构成的基础泡沫体也可以用来代替由镍构成的基础泡沫体。

Claims (14)

1.一种制造具有镍基合金的开孔金属泡沫体的方法，
其中，由镍或镍基合金构成的开孔基础泡沫体用液体粘合剂涂布；
之后，将粉末状镍基合金和有机组分的混合物，其中所述有机组分从其固相至其液相的相变温度为至少30℃，在低于相应的相变温度的温度沉积在用所述粘合剂涂布的所述基础泡沫体的表面上；和
通过热处理驱除所述粘合剂和所述有机组分，并且一部分粉末状镍基合金被烧结，另一部分所述粉末状镍基合金以材料配合方式，经由烧结桥连接到所述基础泡沫体的表面。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述粉末状镍基合金的至少20％以材料配合方式连接。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，石蜡粉末或蜡粉末被用作所述有机组分。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述的有机组分以物质混合物的形式使用。
5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用具有选自下述的其它合金元素的所述镍基合金：碳、铬、钼、铁、钴、铌、钛、铝、硼、锆、锰、硅和镧。
6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用这样的粉末状镍基合金，其镍的比例小于镍基合金的所述基础泡沫体的镍的比例。
7.根据权利要求5的方法，其特征在于，使用粉末状镍基合金，其中以至少为15重量％的比例包含所述的铬。
8.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用混合物，其中包括至少0.05重量％的有机组分。
9.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述粉末状镍基合金的烧结和形成材料配合连接是在1200～1500℃，及惰性或还原气氛下进行的。
10.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用粉末状镍基合金，其粒径为＜60μm，其中中值粒径的范围是20～35μm。
11.一种采用权利要求1～10中任一项的方法制造的开孔金属泡沫体，其特征在于，与所述基础泡沫体相比，表面粗糙度和/或比表面积增大，孔隙率最大减少15％，同时保持开孔结构。
12.根据权利要求11的金属泡沫体，其特征在于，所述粉末状镍基合金，在所述基础泡沫体的孔道表面和网状物上，以材料配合方式经由烧结桥连接。
13.根据前述权利要求11或12中任一项的金属泡沫体用于从流体流中分离组分或污染物的用途。
14.根据前述权利要求11或12中任一项的金属泡沫体用于内燃机尾气的后处理的用途。
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