Способ формирования кристаллического нанопористого оксида на сплаве титан-алюминий



Способ формирования кристаллического нанопористого оксида на сплаве титан-алюминий
Способ формирования кристаллического нанопористого оксида на сплаве титан-алюминий

 


Владельцы патента RU 2601904:

Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАН-ОКСИД ПЛЮС" (RU)

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для создания фотокаталитических устройств. Способ включает изготовление детали из спеченного порошка сплава титан-алюминий с размерами гранул 1-10 мкм, промывку детали в этаноле, сушку, промывку в дистиллированной воде, сушку при температуре 80-90°С, формирование нанопористого оксида на поверхности детали анодированием, при этом анодирование проводят в этиленгликоле с добавкой 0,25 % NH4F при комнатной температуре и постоянном напряжении U=60В и термообрабатывают в воздухе при температуре 800-820°С в течение 30-40 мин. Технический результат: повышение удельной поверхности и фотокаталитической активности покрытия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к способам формирования покрытий на титан-алюминиевых сплавах с высокой удельной поверхностью и фотокаталитической активностью.

Известен способ получения наночастиц кристаллического диоксида титана со структурой анатаза золь-гель методом [1. , Kamyar Shameli, and Sharifah Bee Abd Hamid. Synthesis and Characterization of Anatase Titanium Dioxide Nanoparticles Using Egg White Solution via Sol-Gel Method. // Journal of Chemistry, Volume 2013 (2013), ID 848205, 5 pages]. В предлагаемом способе диоксид титана, полученный золь-гель методом, обрабатывается протеином яичного белка, что исключает агломерацию частиц диоксида в массивы. Последующая сушка и термообработка при 500°С в течение 5 часов приводят к созданию фотокаталитически активных наночастиц анатаза. Метод трудоемок и длителен, один цикл занимает более 20 часов.

Известен способ создания диоксида титана золь-гель методом, в котором формирование нанокристаллических форм анатаза/рутила обеспечивается легированием диоксида титана переходными металлами [2. Патент РФ 2435733, C01G 23/05, B82B 1/00. Способ получения фотокаталитического нанокомпозита, содержащего диоксид титана. Опубл. 10.12.2012].

Золь-гель метод формирования оксидов титана достаточно трудоемкий и длительный.

Известен способ получения кристаллических оксидов титана методом магнетронного распыления, при котором образуются анатаз, небольшое количество рутила, а также нестехиометрические оксиды титана [3. Патент US 8202820, B01J 23/00, C236, C25B 11/00, C25B 13/00/. Non-stoichiometric mixed-phase titan photocatalyst. Опубл. 06.05.2010]. Полученная смесь оксидов титана проявляет повышенную фотокаталитическую активность в ультрафиолетовой и в видимой области спектра. Способ трудоемок, требует привлечения специального оборудования. Кроме того, при изменении материала подложки, на которую наносятся оксиды титана, необходима модификация методики. Формирование равномерного по толщине слоя возможно только на плоской подложке.

Известен способ формирования диоксида титана анодным окислением во фторсодержащем электролите на основе этиленгликоля [4. Maggie Paulose, Karthik Shankar, Sorachon Yoriya, Haripriya E. Prakasam, Oomman K. Varghese, Gopal K. Mor,| Thomas A. Latempa, Adriana Fitzgerald, and Craig A. Grimes. Anodic Growth of Highly Ordered TiO2 Nanotube Arrays to 134 µm in Length // J. Phys. Chem. B, Vol. 110, No. 33, 2006. P. 16179-16184]. В известном способе анодированием в этиленгликоле с добавкой 0.25% NH4F на поверхности титана формируют трубчатое покрытие, состоящее из оксидов титана.

Известен способ формирования оксида на плоских деталях из сплава титан-алюминий [5. Hiroaki Tsuchiya, Steffen Berger, Jan M. Macak, Andrei Ghicov, Patrik Schmuki. Self-organized porous and tubular oxide layers on TiAl alloys // Electrochemistry Communications. 9 (2007), Р. 2397-2402]. В предлагаемом способе пористый оксид получают анодным оксидированием плоских деталей сплавов Ti-Al во фторсодержащих водных растворах серной кислоты. Перед анодированием образцы полируют, промывают с использование ультразвука, высушивают в потоке азота. При анодном оксидировании формируется нанопористый или нанотрубчатый оксид, толщина и размеры пор/трубок которого зависят от состава сплава и параметров процесса анодирования.

Сформированное покрытие состоит из оксидов титана и алюминия. Удельная поверхность покрытия по сравнению с подложкой увеличивается.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ формирования покрытия на порошковом сплаве титан-алюминий [6. Патент РФ 2509181, C25D 11/26. Способ формирования пористого оксида на сплаве титан-алюминий. Опубл. 30.10.2012]. В предлагаемом способе из порошка сплава титан-алюминий с размерами гранул 1-10 мкм изготавливают детали спеканием при температуре 1100-1200°С. Детали промывают в этаноле в течение 5 мин, промывают в дистиллированной воде и высушивают на воздухе при 90°С. Проводят анодирование в 10% водном растворе H2SO4 c добавкой 0.15% HF при постоянной плотности тока j=2А/м2. Детали тщательно промывают и высушивают.

В результате на поверхности микрочастиц порошка создается нанопористое покрытие, состоящее из аморфных оксидов титана и алюминия, обеспечивающее увеличение удельной поверхности деталей для использования их как носителя в каталитических системах, однако фотокаталитическая активность аморфных оксидов титана достаточно низкая.

Задачей изобретения является формирование кристаллического нанопористого оксида на сплаве титан-алюминий, имеющего большую удельную поверхность и высокую фотокаталитическую активность.

Поставленная задача достигается тем, что детали из спеченного порошка титан-алюминиевого сплава с размерами гранул 1-10 мкм промывают в этаноле, сушат, промывают в дистиллированной воде, сушат при температуре 80-90°С, анодируют в этиленгликоле с добавкой 0.25% NH4F при комнатной температуре и постоянном напряжении U=60В, тщательно промывают, высушивают и термообрабатывают при температуре 800-820°С на воздухе или в вакууме (10-3-10-4)мм рт. ст. в течение 30-40 мин. В результате такой термообработки сформированная при анодировании нанопористая оксидная пленка из аморфных оксидов титана и алюминия преобразуется в кристаллическую многофазную структуру, состоящую из смеси диоксидов титана TiO2 (анатаза и рутила), нестехиометрических оксидов титана TiO и Ti2O3 и оксидов алюминия Al2O3 в α- и γ-модификациях при сохранении пористого строения покрытия.

Предлагаемое техническое решение поясняется примером.

Пример. Детали из порошкового сплава титан-алюминий предварительно обрабатывают в этаноле, промывают, сушат и анодируют в этиленгликоле с добавкой 0.25% NH4F при комнатной температуре и постоянном напряжении U=60В, тщательно промывают и высушивают. Одну часть деталей термообрабатывают в муфельной печи на воздухе при температуре 820°С в течение 30 мин, вторую - в вакууме при давлении (10-3-10-4)мм рт. ст. в том же режиме, третья часть деталей не подвергается термообработке.

На фиг. 1 приведены рентгенограммы образцов всех трех групп.

Рентгенографирование образцов до и после отжига проводилось на дифрактометре ARL X'TRA с использованием CuKα1 - излучения (λ=1.54056 Å) в диапазоне углов 2θ=15°-90° с шагом 0.05°.

Из рентгенограмм видно, что в результате отжига как на воздухе, так и в вакууме происходит кристаллизация оксидной пленки. На рентгенограммах отожженных образцов наряду с отражениями от металлической подложки TiAl появляется ряд дополнительных отражений, соответствующих кристаллическим оксидным фазам (фиг. 1б,в). Фазовый состав пленки после кристаллизации на воздухе отвечает совокупности фаз: TiO2 (анатаз и рутил), Al2O3 (α- и γ-Al2O3), также присутствуют Ti2O3 и Al2TiO5. В результате вакуумного отжига состав образцов представлен в основном TiO2 (анатаз) и Al2O3 (α- и γ-Al2O3), также присутствуют TiO и Ti2O3.

На фиг. 2 представлены СЭМ-изображения поверхности покрытий, полученных с помощью сканирующих электронных микроскопов JEOL JSC-6480LV и FIB/SEM FEI Nova NanoLab 600.

В исходном состоянии (фиг. 2,а) поверхность нанопористого оксидного слоя (фиг. 2,б) покрыта дополнительным «дефектным» слоем с многочисленными трещинами, что обусловлено высокой вязкостью использованного электролита. В результате термообработки как в воздухе (фиг. 2,в), так и в вакууме (фиг. 2,г) происходит изменение строения поверхностного слоя оксида с образованием скоплений наноразмерных частиц, связанное с кристаллизацией. Под ним сохраняется регулярно пористая структура оксидного слоя (фиг. 2,д).

Таким образом, аморфные оксиды алюминия и титана, сформированные анодированием деталей из спеченного порошка сплава титан-алюминий, преобразуются в многофазное покрытие, содержащее кристаллические диоксиды титана ТiO2 (анатаза и анатаза/рутила), нестехиометрические оксиды титана ТiO и Ti2O3, а также α- и γ-Al2O3 при сохранении пористого строения покрытия, что обеспечивает дополнительное увеличение удельной поверхности и определяет фотокаталитическую активность в расширенном спектральном диапазоне.

Источники информации

1. Samira Bagheri, Kamyar Shameli, and Sharifah Bee Abd Hamid. Synthesis and Characterization of Anatase Titanium Dioxide Nanoparticles Using Egg White Solution via Sol-Gel Method. // Journal of Chemistry, Volume 2013 (2013), Article ID 848205, 5 pages.

2. Патент РФ 2435733, C01G 23/05, B82B 1/00. Способ получения фотокаталитического нанокомпозита, содержащего диоксид титана. Опубл. 10.12.2012.

3. Патент US 8202820, B01J 23/00, C236, C25B 11/00, C25B 13/00/. Non-stoichiometric mixed-phase titan photocatalyst. Опубл. 06.05.2010.

4. Maggie Paulose, Karthik Shankar, Sorachon Yoriya, Haripriya E. Prakasam, Oomman K. Varghese, Gopal K. Mor,| Thomas A. Latempa, Adriana Fitzgerald, and Craig A. Grimes. Anodic Growth of Highly Ordered TiO2 Nanotube Arrays to 134 µm in Length // J. Phys. Chem. B, Vol. 110, No. 33, 2006. P. 16179-16184.

5. Hiroaki Tsuchiya, Steffen Berger, Jan M. Macak, Andrei Ghicov, Patrik Schmuki. Self-organized porous and tubular oxide layers on TiAl alloys// Electrochemistry Communications. 9 (2007), Р. 2397-2402.

6. Патент РФ 2509181, C25D 11/26. Способ формирования пористого оксида на сплаве титан-алюминий. Опубл. 30.10.2012.

1. Способ формирования кристаллического нанопористого оксида на сплаве титан-алюминий, включающий изготовление детали из спеченного порошка сплава титан-алюминий с размерами гранул 1-10 мкм, промывку детали в этаноле, сушку, промывку в дистиллированной воде, сушку при температуре 80-90°С, формирование нанопористого оксида на поверхности детали анодированием, отличающийся тем, что анодирование проводят в этиленгликоле с добавкой 0.25% NH4F при комнатной температуре и постоянном напряжении U=60В и термообрабатывают при температуре 800-820°С в течение 30-40 мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термообработку проводят на воздухе или в вакууме при давлении (10-3 -10-4)мм рт. ст.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к титановым лопаткам большого размера последних ступеней паротурбинных двигателей. Лопатка содержит сплав на основе титана и имеет переднюю кромку, включающую оксид титана, содержащий поры и верхний герметизирующий слой, заполняющий поры, выбранный из группы, состоящей из хрома, кобальта, никеля, полиимида, политетрафторэтилена и сложного полиэфира.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в приборостроении и медицине. Способ упрочнения изделий из титана и его сплавов с максимальным линейным размером от 0,8 до 1,4 мм включает упрочнение изделий в процессе формирования оксидного покрытия методом микродугового оксидирования продолжительностью от 20 до 30 минут в анодном режиме при постоянной плотности тока (1-2)×103 А/м2 в щелочном электролите на основе гидроксида натрия или алюмината натрия.
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для изготовления материалов, содержащих пленочные структуры с новыми электрическими, магнитными и оптическими характеристиками, в частности, для получения имплантатов, обладающих электретными свойствами.
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в промышленности для формирования тонких слоев защитно-декоративных покрытий нитрида титана на поверхностях из титана и его сплавов.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для увеличения удельной поверхности деталей из сплавов устройств различной функциональности, в частности, при создании каталитически активных устройств.
Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к биологически совместимым покрытиям на имплантате, обладающим свойствами остеоинтеграции, и может быть использовано в стоматологии, травматологии и ортопедии при изготовлении высоконагруженных костных имплантатов из конструкционных материалов.

Изобретение относится к электролитическим методам обработки поверхности металлических материалов и может быть использован в стоматологическом протезировании. Способ заключается в получении биосовместимого покрытия на стоматологических имплантатах, выполненных из титана и его сплавов, включающий помещение изделий в водный раствор электролита, содержащий гидроксид калия и наноструктурный гидроксиаиатит в виде водного коллоидного раствора, возбуждение на поверхности изделий микродуговых разрядов, при этом оксидирование обрабатываемых изделий осуществляют в химически стойкой непроводящей ванне; в раствор электролита помещают одновременно две партии обрабатываемых изделий, предварительно закрепив изделия одной партии к клеммам для обрабатываемых деталей, изделия другой партии - к клеммам вспомогательного электрода; а электролит дополнительно содержит гидроксид натрия, гидрофосфат натрия, натриевое жидкое стекло, метасиликат натрия, в следующих соотношениях, из расчета массы сухого вещества в граммах на литр состава: гидроксид калия КОН - 2, гидроксида натрия NaOH - 1, гидрофосфата натрия Na2HРО4×12H2О - 5, жидкое стекло nNa2O·mSiO2 (М=3,2) - 5, метасиликат натрия Na2SiO3×9H2O - 8, нанодисперсный гидроксиапатит - 0,5÷5, причем отклонения от указанных концентраций компонентов электролита не превышают ±10%.
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для получения защитно-декоративных покрытий в промышленности, в частности для формирования тонких пленок нитрида титана на поверхностях из титана и его сплавов.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в области наноэлектроники. Способ включает формирование слоя пористого анодного оксида анодным окислением титанового образца в потенциостатическом режиме в электролите на неводной основе, при этом после формирования слоя пористого анодного оксида проводят электрохимический процесс его отделения в слабом водном растворе неорганической кислоты катодной поляризацией титанового образца в потенциостатическом режиме, затем анодным окислением титанового образца в потенциостатическом режиме в электролите на неводной основе формируют вторичный слой пористого анодного оксида титана, при этом анодное окисление титанового образца для формирования слоя и вторичного слоя пористого анодного оксида проводят при термостабилизации зоны протекания электрохимической реакции.
Изобретение относится к области получения декоративных покрытий на изделиях из стекла, керамики и других материалов с оптически гладкой поверхностью и может быть использовано при нанесении декоративных покрытий на товары народного потребления, отделочно-декоративные и художественные изделия в различных областях народного хозяйства.
Изобретение относится к строительству и может быть использовано для укрепления грунтовых оснований фундаментов строящихся и восстанавливаемых зданий и сооружений методом инъектирования.

Изобретение может быть использовано в медицине, фармакологии, сельском хозяйстве, в производстве фильтрующих материалов. Композиция, обладающая антимикробным и антитоксическим действием, содержит бинарную смесь коллоидного раствора наноструктурных частиц серебра с размером частиц 2-100 нм и ионов серебра, стабилизатор и растворитель.

Изобретение относится к способу получения каучуковых иономеров и полимерных нанокомпозитов. Способ получения каучуковых иономеров включает стадии подачи в экструдерный узел концентрированной жидкости, содержащей бромированный каучук и летучее соединение, и нуклеофила, содержащего азот и/или фосфор.

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно нанотехнологии интерактивного взаимодействия, датчиков или приведения в действие, например квантовых точек в качестве биомаркеров.

Изобретение относится к химической технологии, а именно к способу очистки промышленных сточных вод от гипохлорит-ионов, образующихся в процессе хлорирования гидрооксидов лития, натрия, кальция.

Изобретение относится к области физики наноразмерных структур, а именно способу получения тонких металлических пленок, которые могут быть использованы в качестве тест объектов оптических приборов.

Изобретение относится к технологии производства высокотвердых жаростойких материалов на основе циркония, а именно к способам получения диборида циркония. Способ получения наноразмерного порошка диборида циркония включает приготовление шихты из порошков диоксида циркония, борной кислоты и углерода в соотношении компонентов, вес.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для изготовления автоэлектронных эмиттеров. Углеродные нанотрубки осаждают на металлические подложки в дуговом реакторе в рабочей атмосфере на основе инертного газа, содержащей водород 8-10 об.% и гелий - остальное.

Изобретение относится к синтезу островковых металлических катализаторов и углеродных нанообъектов и может быть использовано в промышленности для производства нанообъектов и наноструктурированных пленок.

Изобретение может быть использовано в оптоэлектронике и медицине при получении источников излучения и флуоресцентных меток. Способ получения водного коллоидного раствора наночастиц сульфида серебра включает получение смеси водных растворов нитрата серебра, сульфида натрия и стабилизатора.

Изобретение может быть использовано в производстве гетерогенных катализаторов, обладающих высокоразвитой поверхностью, и электродов в литий-ионных батареях. Электрохимический способ получения наноразмерных структур оксида титана (IV) включает анодное окисление титанового электрода в ионной жидкости с добавлением воды или пропиленгликоля в атмосфере воздуха. Ионная жидкость имеет общую формулу К+А-, где К+ - алкилимидазолий, А- - NTf2 -, или PF6 -, или Cl-. Анодное окисление проводят при температуре 20-25°C в течение 5-30 минут при постоянном токе 1-10 мА или при постоянном потенциале 1-10 B. Изобретение позволяет получать наночастицы оксида титана в виде наносфер, нановолокон или наностержней в зависимости от условий проведения синтеза. 8 ил., 7 пр.
Наверх