CN108568160A - 一种高温镍基合金多级过滤器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温镍基合金多级过滤器及制造方法，包括密封接口段和多级多孔过滤介质层，密封接口段在过滤器的端部，起连接、密封作用；多级多孔过滤介质由两种以上致密度、孔隙率、材料、最小孔径、平均孔径、多孔结构类型和多孔结构方位角上不完全相同的多孔结构组成，并由金属增材制造方法制得。本多级过滤器可使用金属增材制备工艺制得，与传统多级过滤器相比，具有优异的耐腐蚀和耐高温性能；可以实现复杂外形金属过滤器多级多孔过滤结构的一体化制造；优化过滤器整体结构，使支撑结构与过滤介质一体成型，降低流体阻力和压降；结构利于清洗清洁；缩短过滤器研发‑制造周期，实现定制化过滤器快速设计及加工。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造的多级过滤器及其制备工艺，尤其涉及一种高温镍基合金多级过滤器及制造方法。
背景技术
过滤器是一种阻挡相对大尺寸杂质，实现滤浆中固液分离、保护流体系统元件的装置。过滤器的使用，既保证滤液后续的顺畅运动，又可保护流体系统的重要元件，是流体系统不可或缺的重要元件。
过滤器的过滤介质是起过滤作用的部分，常见有金属、陶瓷、高分子材料等，其中金属材料因机械强度高，耐腐蚀与冲击等优点，得到广泛的应用。金属过滤介质主要有穿孔金属板、金属网、烧结粉末和烧结纤维毡。穿孔金属板可由板件冲裁制得，金属编织网是用金属丝按一定规则编织而成。金属板和网采用表层过滤原理，过滤效果完全由孔径保证，提高过滤精度需缩小孔径，导致流体阻力显著上升。金属网的规格主要由网孔尺寸和金属丝径所决定，并有定义：筛分面积百分率A0：
式中：w为网孔尺寸(mm)；d为金属丝直径(mm)。
显然，A0越大，则过滤器对流体的阻力越小。对于近球状固体，金属网的过滤精度取决于网孔尺寸w。因此，在保持过滤精度(w不变)的前提下增大A0，需要减少金属丝直径d。但是，为满足过滤器工作的耐压、耐冲击和耐疲劳等要求，过滤器的结构强度必须得到保证。为解决这个矛盾，要通过增强金属纤维之间的结合强度，才可以以较细的金属丝直径d达到较高的金属网整体刚度，实现减少流体流动阻力的目标。
这些过滤介质制成过滤器都需要进行拼接封口。拼接可用钣金压紧或焊接的方法，但这会使接口段的过滤材料过于致密，增大过滤阻力；同时，接口的可靠性也直接影响过滤器的过滤精度。
对于多级过滤器而言，金属烧结纤维毡有深层过滤的效果，但是烧结的均一性和稳定性不能保证，使用过程中在流体冲击下会发生烧结不牢固的纤维脱落问题，而且高孔隙率的纤维毡整体强度较低，作为过滤介质使用必须加上支撑结构以抵抗流体冲击，但支撑结构的存在增大了流动阻力和过滤压降。金属网是多层铺设的方法，烧结纤维毡则是分层松装、压实再烧结，这就决定了传统金属多级过滤介质厚度较大，外形只能是较简单的、小曲率的二次曲面(平面、圆柱面、圆锥面)。为了减少过滤阻力和压降，通常只采用加大过滤介质尺寸的方法，以增大过滤面积，但这导致过滤器整体体积增大，在汽车、航空航天等空间有限的设备中非常不利。
总的来说，传统金属过滤器的设计和制造问题：(1)方法工序较多，单件制造周期长，通常只批量制造标准件，无法适应定制化和快速迭代设计的需求；(2)难以生产出同时兼顾高结合强度和刚度、高过滤精度和低流体阻力的金属多级过滤介质；(3)传统多级过滤器形状简单，尺寸较大、笨重；(4)受限于过滤器制造技术，常使用普通金属材料，耐高温耐腐蚀能力不足。
高温镍基合金具有良好的抗拉伸、抗疲劳、抗热疲劳性能，其中的Inconel718合金具有优异的耐腐蚀性和良好的耐热、抗蠕变性能，已被成功用于涡轮发动机等严重腐蚀极端环境中。使用高温镍基合金制造过滤器，将可以使其在重度腐蚀和高温环境下稳定工作。
激光选区熔化技术(Select Laser Melting,SLM)使用激光束扫描熔化金属粉末令其达到冶金结合，直接成型得到近100％致密度的实体，是金属增材制造技术的一个重要方向。SLM制造的零件力学性能已经和锻造件相当，可实现优于0.1mm的精度，可以满足大部分常规零件的制造要求。同时，SLM技术可以加工包括高温镍基合金、钛合金、不锈钢、铜合金、铝合金等10多种材料。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种高温镍基合金多级过滤器及制造方法。本发明主要解决传统金属多级过滤器造型变化有限、有限体积下流动阻力和压降较大、耐腐蚀耐高温能力不足、制造周期长等问题，使用选区激光熔化工艺，一体成型高温镍基合金多级过滤器。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高温镍基合金多级过滤器，包括多级多孔过滤介质体及其密封接口段1；多级多孔过滤介质体通过密封接口段1与管道连接；所述多级多孔过滤介质体由内外两层多孔过滤介质体构成，它们均包括多孔过滤介质体中段2和多孔过滤介质体头部3；
这两层多孔过滤介质体中，外层为第一级多孔过滤介质层，内层为第二级多孔过滤介质层；所述第一级多孔过滤介质层的过滤孔形状与第二级多孔过滤介质层的过滤孔形状不相同；
第一级多孔过滤介质层的过滤孔与第二级多孔过滤介质层的过滤孔的大小，均由密封接口段1至多孔过滤介质体头部3方向逐渐减小。
所述第一级多孔过滤介质层与第二级多孔过滤介质层之间为可拆卸式结构；
第一级多孔过滤介质层和第二级多孔过滤介质层的过滤孔，均由金属线或者金属柱构成，构成各过滤孔的金属线或者金属柱之间在相交结点处彼此熔合连接，相交结点的厚度仍和金属线或者金属柱的厚度相同。
上述均由密封接口段1至多孔过滤介质体头部3方向逐渐减小，具体是指：
第一级多孔过滤介质层和第二级多孔过滤介质层的过滤孔的最大孔径和平均孔径沿流体流动方向逐渐变小，每级最大孔径范围：30～200μm，这两级多孔过滤介质层的平均孔径以0～50μm的梯度沿流动方向递减。
所述第一级多孔过滤介质层的过滤孔形状为六边形；第二级多孔过滤介质层为菱形。
所述多孔过滤介质体头部3的过滤孔形状为矩形。
所述第一级多孔过滤介质层的密封接口段及多孔过滤介质体头部，为一次成型结构；
所述第二级多孔过滤介质层的密封接口段及多孔过滤介质体头部，为一次成型结构。
所述金属线或者金属柱的横截面直径为10～1000μm。
本发明高温镍基合金多级过滤器的制备方法，是指采用激光选区熔化(SelectiveLaser Melting，SLM)设备制备，其属于金属增材制造：
步骤一：使用三维设计软件针对要求，参数化设计高温镍基合金多级过滤器的模型；
步骤二：在三维设计软件中设置模型在SLM设备中的摆放位置，结合设计要求进行摆放，无需添加支撑，对模型进行切片/分层处理，得到零件断层信息并导入SLM设备，准备加工；
步骤三：清洁SLM设备的成型腔并安装、调整成型基板，向粉末缸加入高温镍基合金粉末；
步骤四：在SLM设备中设置扫描速度、空跳速度、激光功率、扫描策略、扫描间距、供粉量、层厚的加工参数；
步骤五：对成型缸抽真空，循环通入保护气体，开始加工；
步骤六：加工完成，取出基板和高温镍基合金多级过滤器，将其从基板切割下来并清洗，根据需要进行后处理，加工完成。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)在制造多级多孔过滤介质体(类似金属网状结构)时，可使不同金属丝相互融合而不是搭接，在同等机械强度下减小金属丝的直径，降低流动阻力；
(2)使每一级多孔过滤介质层整体成型，孔隙均匀分布，而不必相互搭接或拼接减少实际开孔率；
(3)相邻两级多孔过滤介质层可实现金属连接，一体成型，增强整体强度，进一步减少金属支柱/金属丝的直径，降低流动阻力；
(4)过滤器耐腐蚀、耐高温能力强，体积紧凑，可在极端环境下稳定运行；
(5)多孔过滤介质层的孔隙大小、形状、朝向都可以通过设计软件进行定向设计，可获得高过滤精度和较低的流体阻力；
(6)整体成型精准可控，避免出现烧结工艺的烧结不牢固问题。同时，SLM技术可以直接成型过滤器，比传统“编织金属纤维+辅助工艺”更快捷简便。
附图说明
图1是本发明高温镍基合金多级过滤器示意图。
图2是图1的剖视示意图。
图3是本发明高温镍基合金多级过滤器另一结构示意图。
图4是图3的剖视示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例1
如图1-2所示。本发明公开了一种高温镍基合金多级过滤器，包括多级多孔过滤介质体及其密封接口段1；多级多孔过滤介质体通过密封接口段1与管道连接；所述多级多孔过滤介质体由内外两层多孔过滤介质体构成，它们均包括多孔过滤介质体中段2和多孔过滤介质体头部3；
这两层多孔过滤介质体中，外层为第一级多孔过滤介质层，内层为第二级多孔过滤介质层；所述第一级多孔过滤介质层的过滤孔形状与第二级多孔过滤介质层的过滤孔形状不相同；
第一级多孔过滤介质层的过滤孔与第二级多孔过滤介质层的过滤孔的大小，均由密封接口段1至多孔过滤介质体头部3方向逐渐减小。
所述第一级多孔过滤介质层与第二级多孔过滤介质层之间为可拆卸式结构；
第一级多孔过滤介质层和第二级多孔过滤介质层的过滤孔，均由金属线或者金属柱构成，构成各过滤孔的金属线或者金属柱之间在相交结点处彼此熔合连接，相交结点的厚度仍和金属线或者金属柱的厚度相同。
上述均由密封接口段1至多孔过滤介质体头部3方向逐渐减小，具体是指：
第一级多孔过滤介质层和第二级多孔过滤介质层的过滤孔的最大孔径和平均孔径沿流体流动方向逐渐变小，每级最大孔径范围：30～200μm，这两级多孔过滤介质层的平均孔径以0～50μm的梯度沿流动方向递减。
所述第一级多孔过滤介质层的过滤孔形状为六边形；第二级多孔过滤介质层为菱形。
所述多孔过滤介质体头部3的过滤孔形状为矩形。
所述第一级多孔过滤介质层的密封接口段及多孔过滤介质体头部，为一次(或者一体)成型结构；
所述第二级多孔过滤介质层的密封接口段及多孔过滤介质体头部，为一次(或者一体)成型结构。
所述金属线或者金属柱的横截面直径为10～1000μm。
本发明第一级和第二级多孔过滤介质层的形状、结构、致密度、孔隙率等不限于本实施例列举的几种，可根据实际应用要求任意设定。多孔过滤介质层的级数，都可以根据实际应用要求任意设定更多层或者更多级。
本发明高温镍基合金多级过滤器的制备方法，是指采用激光选区熔化(SelectiveLaser Melting，SLM)设备制备，其属于金属增材制造：
(1)使用三维设计软件针对要求，参数化设计过滤器模型；
(2)在三维设计软件中设置过滤器模型在SLM设备中的摆放位置，结合设计特点进行摆放无需添加支撑，对模型进行切片/分层处理，得到零件断层信息并导入SLM设备，准备加工；
(3)清洁SLM设备的成型腔并安装、调整成型基板，向粉末缸加入高温镍基合金粉末；
(4)在SLM设备中设置扫描速度＝1000mm/s；空跳速度＝4000mm/s；激光功率＝150W；扫描策略：S型交叉扫描；扫描间距＝0.08mm；供粉量＝0.06mm、层厚＝0.03mm的加工参数；
(5)对成型缸抽真空，循环通入保护气体氩气，开始加工；
(6)加工完成，取出基板和高温镍基合金多级过滤器，将过滤器从基板切割下来并清洗，进行电解抛光后处理，加工完成。
本实施例第一级多孔过滤介质层结构的孔隙率＝56.8％，最小孔径＝85μm，多孔结构类型为六边形；第二多孔过滤介质层结构的孔隙率＝48.7％，最小孔径＝50μm，多孔结构(过滤孔)类型为菱形；
多孔过滤介质体头部的孔隙率＝52.4％，最小孔径＝60μm，多孔结构(过滤孔)类型为矩形。
如上所述，第一级多孔过滤介质层是按一定函数关系周期性重复的六边形多孔结构，第二级多孔过滤介质层是近似周期性重复的菱形多孔结构，孔隙特征在Z轴方向上服从梯度变化规律。两级多孔过滤介质层可以拆装，有利于清洗和清洁。
本实施例的第一级和第二级多孔过滤介质层的设计遵循SLM成型约束，在加工准备时不需要再添加支撑。
密封接口段与管道连接部分，使用法兰连接，可以适配法兰接头。
实施例2
本实施例除下述特征外，其他特征与实施例1相同。
选用500目高温镍基合金粉末为材料，加工工艺参数为：激光功率150W，激光光斑50μm，扫描速度900mm/s，成型层厚度30μm，激光扫描间距0.08mm。
本实施例两级多孔过滤介质层之间在致密度均为99％、孔隙率分别为第一级44.4％、第二级39.1％。
本实施例中两级多孔过滤介质层中的每一级多孔过滤结构是正方形多孔结构；第一级多孔过滤介质层的金属线/金属支柱的横截面外接圆直径为100μm，第二级多孔过滤介质层的的则为60μm。
本实施例中第一级多孔过滤介质层最大孔径与平均孔径均为200μm以及第二级多孔过滤介质层的最大孔径与平均孔径均为100μm。
本实施例中两级多孔过滤介质层均没有过滤介质自身搭接重叠的接口或封口段，正方形孔都是均匀地分布在每一级多孔过滤介质的整个圆柱面上。
本实施例的1-密封接口段是过滤器与管道连接部分，它与管道的连接形式是螺纹连接，采用M16端密封螺母标准。
本实施例的密封接口段与两级多孔过滤介质层同时使用激光选区熔化方法增材制造整体成型，加工步骤与实施例1相同。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高温镍基合金多级过滤器，包括多级多孔过滤介质体及其密封接口段(1)；多级多孔过滤介质体通过密封接口段(1)与管道连接；其特征在于：
所述多级多孔过滤介质体由内外两层多孔过滤介质体构成，它们均包括多孔过滤介质体中段(2)和多孔过滤介质体头部(3)；
这两层多孔过滤介质体中，外层为第一级多孔过滤介质层，内层为第二级多孔过滤介质层；所述第一级多孔过滤介质层的过滤孔形状与第二级多孔过滤介质层的过滤孔形状不相同；
第一级多孔过滤介质层的过滤孔与第二级多孔过滤介质层的过滤孔的大小，均由密封接口段(1)至多孔过滤介质体头部(3)方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述高温镍基合金多级过滤器，其特征在于：所述第一级多孔过滤介质层与第二级多孔过滤介质层之间为可拆卸式结构；
第一级多孔过滤介质层和第二级多孔过滤介质层的过滤孔，均由金属线或者金属柱构成，构成各过滤孔的金属线或者金属柱之间在相交结点处彼此熔合连接，相交结点的厚度仍和金属线或者金属柱的厚度相同。
3.根据权利要求2所述高温镍基合金多级过滤器，其特征在于：均由密封接口段(1)至多孔过滤介质体头部(3)方向逐渐减小，具体是指：
第一级多孔过滤介质层和第二级多孔过滤介质层的过滤孔的最大孔径和平均孔径沿流体流动方向逐渐变小，每级最大孔径范围：30～200μm，这两级多孔过滤介质层的平均孔径以0～50μm的梯度沿流动方向递减。
4.根据权利要求3所述高温镍基合金多级过滤器，其特征在于：所述第一级多孔过滤介质层的过滤孔形状为六边形；第二级多孔过滤介质层为菱形。
5.根据权利要求4所述高温镍基合金多级过滤器，其特征在于：所述多孔过滤介质体头部(3)的过滤孔形状为矩形。
6.根据权利要求3所述高温镍基合金多级过滤器，其特征在于：所述第一级多孔过滤介质层的密封接口段及多孔过滤介质体头部，为一次成型结构；
所述第二级多孔过滤介质层的密封接口段及多孔过滤介质体头部，为一次成型结构。
7.根据权利要求2所述高温镍基合金多级过滤器，其特征在于：所述金属线或者金属柱的横截面直径为10～1000μm。
8.权利要求5所述高温镍基合金多级过滤器的制备方法，其特征在于所述制备方法是指，采用激光选区熔化制备，属于金属增材制造。
9.根据权利要求8所述高温镍基合金多级过滤器的制备方法，其特征在于激光选区熔化制备过程包括如下步骤：
步骤一：使用三维设计软件针对要求，参数化设计高温镍基合金多级过滤器的模型；
步骤二：在三维设计软件中设置模型在SLM设备中的摆放位置，结合设计要求进行摆放，无需添加支撑，对模型进行切片/分层处理，得到零件断层信息并导入SLM设备，准备加工；
步骤三：清洁SLM设备的成型腔并安装、调整成型基板，向粉末缸加入高温镍基合金粉末；
步骤四：在SLM设备中设置扫描速度、空跳速度、激光功率、扫描策略、扫描间距、供粉量、层厚的加工参数；
步骤五：对成型缸抽真空，循环通入保护气体，开始加工；
步骤六：加工完成，取出基板和高温镍基合金多级过滤器，将其从基板切割下来并清洗，根据需要进行后处理，加工完成。
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