Исследование высокотемпературных металлокерамических фильтров на основе Ti – Al

Для работы в условиях воздействия агрессивных сред и/или высоких температур необходимы улучшенные эксплуатационные характеристики и долговечность фильтровального оборудования. Интерметаллидная система Ti – Al сочетает в себе низкую плотность с высокой прочностью, а также обладает стойкостью к окислению и коppозии при повышенных температурах. В работе представлены результаты исследования изделий (фильтров) с наноразмерными порами на основе высокотемпературной Ti – Al-металлокерамики. Фильтры из смеси порошков Ti и Al (массовое соотношение 40:60) получали с применением метода теплового взрыва. Методами РФА установлено, что синтезированный материал состоит из двух основных фаз: TiAl₃ и Al₂O₃. Анализ микроструктуры показал наличие крупноразмерных структур TiAl3 и шарообразных агрегатов Al₂O₃, которые обволакиваются наноструктурированным TiAl₃. Помимо этого, во всем объеме порового пространства материала наблюдаются наноразмерные волокнистые соединения TiAl₃, образующие многоуровневую развитую паутинообразную структуру. Открытая пористость материала составила 48 %, величина пор – 0,1 – 0,2 мкм, эффективность пористого материала – 99,999 %, сопротивление газовому потоку – 100 мм водного столба, фильтрационный показатель – 0,062. Термические испытания выявили возможность эффективного применения фильтров в условиях высоких (до 800 °C) температур, в том числе при воздействии агрессивных сред, что обусловлено химически- и жаростойкой бинарной структурой материала. Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании методики разработки и эксплуатации высокотемпературных металлокерамических фильтров на основе Ti – Al.

1. Ali A., Tufa R., Macedonio F., et al. Membrane technology in renewable-energy-driven desalination / Renew. Sustainable Energy Rev. 2018. Vol. 81. N 1. P. 1 – 21. DOI: 10.1016/j.rser.2017.07.047

2. Tang C., Yang Z., Guo H., el al. Potable Water Reuse through Advanced Membrane Technology / Environ. Sci. Technol. 2018. Vol. 52. N 18. P. 10215 – 10223. DOI: 10.1021/acs.est.8b00562

3. Nunes S. P., Peinemann K.-V. Membrane Technology: in the Chemical Industry. 2nd edition. — Weinheim: Wiley-VCH, 2006. — 358 р.

4. Li C., Sun W., Lu Z., el al. Ceramic nanocomposite membranes and membrane fouling: а review / Water Res. 2020. Vol. 175. P. 115674. DOI: 10.1016/j.watres.2020.115674

5. Munirasu S., Haija M., Banat F. Use of membrane technology for oil field and refinery produced water treatment (а review) / Process Saf. Environ. Prot. 2016. Vol. 100. P. 183 – 202. DOI: 10.1016/j.psep.2016.01.010

6. Shi X., Tal G., Hankins N., et al. Fouling and cleaning of ultrafiltration membranes: a review / J. Water Proc. Engi. 2014. Vol. 1. P. 121 – 138. DOI: 10.1016/j.jwpe.2014.04.003

7. Andrianov A. The study and optimization of the installations water purification by ultrafiltration: autoref. dis. — Moscow: MGSU, 2003. — 24 p. [in Russian].

8. Kamato Y., Suzuki Y. Reactive synthesis of porous MgAl2O4 membranes on a macroporous Al2O3-based ceramic tube toward cross-flow ultrafiltration / J. Ceram. Soc. 2019. Vol. 127. P. 267 – 271. DOI: 10.2109/jcersj2.18202

9. Ulbricht M. Advanced functional polymer membranes / Pol. 2006. Vol. 47. N 7. P. 2217 – 2262. DOI: 10.1016/j.polymer.2006.01.084

10. Zearley T., Summers S. Removal of trace organic micropollutants by drinking water biological filters / Environ. Sci. Technol. 2012. Vol. 46. N 17. P. 9412 – 9419. DOI: 10.1021/es301428e

11. Muhammad N., Sinha R., Krishnan E., et al. Ceramic filter for small system drinking water treatment: evaluation of membrane pore size and importance of integrity monitoring / J. Environ. Eng. 2009. Vol. 135. N 11. P. 1181 – 1191. DOI: 10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0000084

12. Zhu B., Duke M., Dumée L., et al. Short Review on Porous Metal Membranes — Fabrication, Commercial Products and Applications / Membranes. 2018. Vol. 8. N 3. P. 83. DOI: 10.3390/membranes8030083

13. Zang C., Tang H., Wang J. Research progress on mechanical properties of sintered metallic porous materials / Rare Met. Mater. Eng. 2009. Vol. 38. P. 437 – 442.

14. Yao J., Yang G., Li C. Fabrication of Porous Stainless Steel by Flame Spraying of Semimolten Particles / Mater. Manuf. Process. 2014. Vol. 29. N 10. P. 1253 – 1259. DOI: 10.1080/10426914.2014.9414792014

15. Kim Y. M., Kim S. J., Kim Y. S. Overview of systems engineering approaches for a large-scale seawater desalination plant with a reverse osmosis network / Desalination. 2009. Vol. 238. N 1 – 3. P. 312 – 332. DOI: 10.1016/j.desal.2008.10.004

16. Shen P., Gao H., Song M. Preparation and Pore Structure Stability at High Temperature of Porous Fe – Al Intermetallics / J. Mater. Eng. Perf. 2013. Vol. 22. P. 3959 – 3966. DOI: 10.1007/s11665-013-0703-z

17. Hammel E., Ighodaro O., Okoli O. Processing and properties of advanced porous ceramics: An application based review / Ceram. Int. 2014. Vol. 40. N 10A. P. 15351 – 15370. DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.06.095

18. Deng X., Wang J., Liu J., et al. Preparation and characterization of porous mullite ceramics via foam-gelcasting / Ceram. Int. 2015. Vol. 41. P. 9009 – 9017. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.03.237.

19. Nguyen-Manh D., Cawkwell M., Gröger R., et al. Dislocations in materials with mixed covalent and metallic bonding / Mater. Sci. Eng. A. 2005. Vol. 400 – 401. P. 68 – 71. DOI: 10.1016/j.msea.2005.03.081

20. Wang Z., Jiao X., Feng P., et al. Highly porous open cellular TiAl-based intermetallics fabricated by thermal explosion with space holder process / Intermetallics. 2016. Vol. 68. P. 95 – 100. DOI: 10.1016/j.intermet.2015.09.010

21. Dong H., Jiang Y., He Y., Song M. Formation of porous Ni – Al intermetallics through pressureless reaction synthesis / J. Alloy Compd. 2009. Vol. 484. P. 907 – 913. DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.05.079

22. Ran H., Niu J., Song B., et al. Microstructure and properties of Ti5Si3-based porous intermetallic compounds fabricated via combustion synthesis / J. Alloy Compd. 2014. Vol. 612. P. 337 – 342. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.05.216

23. Boyarchenko O., Kamynina O., Sytschev A., et al. Synthesis of Ti – Al-based materials by thermal explosion / Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2010. Vol. 19. P. 285 – 291. DOI: 10.3103/S1061386210040084

24. Kamynina O., Bozhko S., Boyarchenko O., et al. Formation of the Structure and Phase Composition of Ti – Al – Ta-Based Materials / Russ. J. Non-ferrous Metals. 2016. Vol. 57. N 5. P. 489 – 496. DOI: 10.3103/S1067821216050072

25. Li X., Cheng G., Xue W., et al. Wear and corrosion resistant coatings formed by microarc oxidation on TiAl alloy / Mater. Chem. Phys. 2008. Vol. 107. P. 148 – 152. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2007.06.067

26. Zollinger J., Lapin J., Daloz D., Combeau H. Influence of oxygen on solidification behaviour of cast TiAl-based alloys / Intermetallics. 2007. Vol. 15. P. 1343 – 1350. DOI: 10.1016/j.intermet.2007.04.002

27. Lapin J. Creep behaviour of a cast TiAl-based alloy for industrial applications / Intermetallics. 2016. Vol. 14. N 2. P. 115 – 122. DOI: 10.1016/j.intermet.2005.03.008.

28. Kiparisov S. S., Libenson G. A. Powder metallurgy. — Moscow: Metallurgiya, 1980. — 496 p. [in Russian].

29. Alymov M., Shustov V., Uvarov V. Gradient-structure titanium carbide filter for liquid and gas filtration / Inorg Mater. 2015. Vol. 51. P. 984 – 990. DOI: 10.1134/S0020168515090010

30. Aani S., Mustafa T., Hilal N. Ultrafiltration membranes for wastewater and water process engineering: A comprehensive statistical review over the past decade / J. Water Proc. Eng. 2020. Vol. 35. P. 101241. DOI: 10.1016/j.jwpe.2020.101241

31. Borovinskaya I., Merzhanov A., Uvarov V. Capillary-porous SHS materials for filtration of liquids and gases / Science-production. 2001. N 10. P. 28 – 32.

32. Shiryaev A. Thermodynamics of SHS: Modern approach / Int. J. Self-Propag. High-Temp Synth. 1995. N 4. P. 351 – 362.

33. Moore J., Feng H. Combustion synthesis of advanced materials. Part I. Reaction parameters / Progress Mater. Sci. 1995. Vol. 39. P. 243 – 273.

34. Shen P., He Y., Gao H. Development of a new graded-porosity FeAl alloy by elemental reactive synthesis / Desalination. 2009. Vol. 249. P. 29 – 33. DOI: 10.1016/j.desal.2009.06.012

35. Arakawa Y., Kobashi M., Kanetake N. Foaming behavior of long-scale Al – Ti intermetallic foam by SHS mode combustion reaction / Intermetallics. 2013. Vol. 41. P. 22 – 27. DOI: 10.1016/j.intermet.2013.04.004

36. Sohn H., Wang X. Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS) of Intermetallic Compounds Titanium and Nickel Aluminides / Mater Manuf. Processes. 1994. Vol. 9. N 1. P. 75 – 87. DOI: 10.1080/10426919408934886

37. Shi Q., Qin B., Feng P., Ran H. Synthesis, microstructure and properties of Ti – Al porous intermetallic compounds prepared by a thermal explosion reaction / RSC Advances. 2015. Vol. 5. P. 46339 – 46347. DOI: 10.1039/C5RA04047G

38. Bakunov V. S., Balkevich V. L., Guzman I. Ya., Lukin E. S. Workshop on the technology of ceramics and refractories. — Moscow: Stroyizdat, 1972. — 352 p. [in Russian].

39. Wang J., Kong L., Li T., et al. A novel TiAl3/Al2O3 composite coating on γ-TiAl alloy and evaluating the oxidation performance / J. Appl. Surf. Sci. 2016. Vol. 361. P. 90 – 94. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.11.155

40. Bester G., Fähnle M. Interpretation of ab initio total energy results in a chemical language: II. Stability of TiAl3 and ScAl3 / J. Phys. Condens. Matter. 2001. Vol. 13. P. 11551. DOI: 10.1088/0953 – 8984/13/50/314