CN111098051B

CN111098051B - 一种铁铝基金属间化合物滤芯及其制备方法

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Publication number: CN111098051B
Application number: CN202010027214.3A
Authority: CN
Inventors: 顾虎; 杨军军; 王凡; 刘冠颖; 张玉; 杨烜; 王琨; 林士玉
Original assignee: AT&M Environmental Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: AT&M Environmental Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2024-02-09
Anticipated expiration: 2040-01-10
Also published as: CN111098051A; WO2021139081A1; US20230219173A1

Abstract

本发明公开一种Fe‑Al金属间化合物滤芯及其制备方法，涉及粉末冶金及过滤技术领域。针对现有技术中使用纤维毡为过滤层会降低过滤器的稳定可靠性的缺陷，本发明提供一种Fe‑Al金属间化合物滤芯，其包括：至少两节滤芯部件以及将至少两节滤芯部件横向焊接连接的加强筋，滤芯部件包括至少两段Fe‑Al金属间化合物滤芯粉末管和将至少两段Fe‑Al金属间化合物粉末管首尾焊接连接的连接件；至少两段Fe‑Al金属间化合物粉末管包括基体骨架和在基体骨架外面的表面过滤膜，基体骨架是经压制烧结过的预合金化的Fe‑Al金属间化合物粉末。本发明保证了滤芯具有高精度、大通量、低流通阻力、良好反洗再生性能与优异整体结构强度的优点。

Description

一种铁铝基金属间化合物滤芯及其制备方法

技术领域

该发明涉及粉末冶金材料及过滤技术领域，并具体涉及铁铝基(以下简称Fe-Al)金属间化合物滤芯及其制备领域，尤其涉及用于E-gas煤气化工艺的Fe-Al金属间化合物滤芯及其制备领域。

背景技术

目前，印度Jamnagar石化区为目前世界上最大的石化园区，信实工业有限公司在该地区建有世界上最大的单体炼油装置(6700万吨/年)。Jamnagar石化区中的上游煤化工采用美国McDermott公司(前CB&I)的E-Gas煤气化技术。E-GAS气化炉采用“十”字形结构，水煤浆原料，两段气化，粗合成气配置废锅流程。第一段为水平圆筒，在1316℃～1427℃的熔渣温度下运行；第二段为内衬耐火材料且垂直于第一段的直立圆筒，该段采用向上气流床形式，有一路煤浆通过喷嘴均匀地分布到第一段来的热煤气中，水煤浆喷入量为总量的10％～15％。第二段是利用第一段来的热煤气，从而将混合物的温度降至1038℃，以保证热回收系统的正常工作。原料可以为烟煤、次烟煤及石油焦，清洁的合成气可用于制造氢气、化肥、运输燃料、合成天然气(SNG)、甲醇或整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)发电。

目前世界上采用该技术的煤化工企业一共有四家，按照建厂顺序分别为美国Wabash River(1套装置)，韩国浦项制铁(3套装置)、印度信实工业(10套装置)和中海油惠州炼化(3套装置)。其中前两家已经因为不同原因停止相关项目，现如今只有印度信实工业Jamnagar石化项目(RIL项目)和中海油惠州炼化在运行中。

E-Gas技术在气化工艺流程中设置了一组两台焦过滤器，用于除去合成气中夹带的固体颗粒。焦过滤器的操作温度为320～350℃，操作压力4～5MPa，反吹压力高达10～11MPa，待过滤的固体颗粒细小，10％(体积百分比)以上的颗粒尺寸小于2微米，且工艺气中含有H₂S、CO₂、HCl等在高温湿热环境下具有强腐蚀性的气体，工况极为苛刻。以前E-Gas工艺的焦过滤器一般都采用纤维毡滤芯。但在使用的过程中都存在焦过滤器压差上升快，反吹球阀寿命短、系统非正常停车频繁，滤芯破裂等问题。烧结金属纤维滤芯的主要结构是内外两层金属丝网作为保护层，中间为金属纤维纤维毡过滤层，最内层以约翰逊网作为支撑层，这种滤芯的结构复杂，主要依靠滤芯中间的金属纤维来实现过滤，由于纤维毡过滤层为柔性材料，其过滤方式属于深层过滤，一旦细小金属颗粒嵌入金属纤维之间的迷宫式的孔隙通道，通过脉冲反吹难以将这些细小颗粒反吹出来，使得过滤器的通量逐步降低，压差也逐渐增大，严重影响了过滤器的连续稳定运行。

现有金属烧结纤维滤芯在使用过程中主要依靠滤芯中间的金属纤维毡来实现过滤，属于深层过滤，滤芯经过使用后，纤维毡大量迷宫式的孔隙容易阻塞，反吹效果较差，压差上升较快，纤维毡自身强度较低也使得其在使用时易发生撕裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种Fe-Al金属间化合物粉末滤芯。主要包括非对称粉末滤芯的纵向结构(即，至少两段式)与横向断面结构设计技术(即，非对称复合结构)以及滤芯的成组安装方式，这是保证滤芯具有高精度、大通量、低流通阻力、良好反洗再生性能与优异整体结构强度的关键技术。

根据上述目的，本发明提供一种Fe-Al金属间化合物滤芯，其特征在于，所述Fe-Al金属间化合物滤芯包括：至少两节滤芯部件以及将所述至少两节滤芯部件横向焊接连接的加强筋，其中，所述滤芯部件包括至少两段Fe-Al金属间化合物滤芯粉末管和将至少两段Fe-Al金属间化合物粉末管首尾焊接连接的连接件；以及其中所述至少两段Fe-Al金属间化合物粉末管包括基体骨架和在所述基体骨架外面的表面过滤膜，所述基体骨架是经压制烧结过的预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末。

本发明还提供一种Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备Fe-Al金属间化合物滤芯的基体骨架，通过将预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末进行等静压成型，然后将等静压压制成型的生坯进行真空烧结以形成所述基体骨架；制备Fe-Al金属间化合物滤芯的滤芯部件，其中，将至少两段所述基体骨架的首尾分别通过连接件焊接在一起，并在涂覆过滤膜后进行二次烧结以形成所述滤芯部件；以及通过加强筋将至少两节滤芯部件横向焊接连接以形成Fe-Al金属间化合物滤芯。

因此，本发明以具有良好的抗高温氧化及硫化腐蚀性能的Fe-Al金属间化合物为滤芯材料，通过对Fe-Al粉末滤芯的结构进行设计优化，使其满足焦过滤器的使用要求。滤芯采用分段连接的方式进行制备，使滤芯的整体结构强度具有很高的可靠性。滤芯的断面结构采用“基体骨架+表面过滤膜”的非对称复合结构，非对称粉末滤芯较为细小的孔径使其具有很高的过滤精度，且非对称粉末滤芯为刚性材料，其过滤方式属于表面过滤，过滤时绝大部分细小的固体颗粒被拦截在滤芯的外表面，脉冲反吹时可以被吹落下来，使得滤芯具有良好的反吹再生效果，大大降低了过滤器的运行压差的上涨速度，使得滤芯通量保持在较高水平。同时，非对称粉末滤芯采用至少两节并成一组通过连接环位置分别焊接加强筋固定的方式进行安装，可有效提高滤芯整体结构强度、防止滤芯使用时的变形或断裂现象，提高了过滤器运行的稳定性与可靠性，从而大幅度提高了过滤器的使用寿命。因此，本发明的成功开发对于解决焦过滤器存在的问题具有十分重要的现实意义。

附图说明

图1为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯中的两段式结构的滤芯部件的结构示意图；

图2为根据本发明滤芯部件中的滤芯粉末管的横向结构示意图；

图3为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯(三节滤芯部件)的结构示意图；

图4为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯中的三段式结构的滤芯部件的结构示意图；

图5为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯(两节滤芯部件)的结构示意图；

图6为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法流程图；

图7为Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法的流程图；

图8为Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法中使用氩弧焊的流程图；

图9为Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法中使用等离子焊的流程图；以及

图10为Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法中使用激光焊的的流程图。

具体实施方式

现在参考附图来具体描述发明，其中相同的标号表示相同的部件，其中：1-连接头；2-滤芯粉末管；3-上连接环；4-下连接环；5-底封环；6-底盖；7-基体骨架；8-表面过滤膜；9-加强筋；10-定位销。

图1为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯中的两段式结构的滤芯部件的结构示意图，根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯的单节的滤芯部件采用两段Fe-Al金属间化合物粉末形成的滤芯粉末管2首尾通过相应的连接件焊接连接，所述连接件包括上连接环3，下连接环4和底封环5。滤芯粉末管2各段间通过上连接环3和下连接环4焊接连接，末端滤芯粉末管2与底盖6通过底封环5焊接连接，首端滤芯粉末管2与连接头1通过下连接环4焊接连接，焊接方式均采用熔化焊，优选等离子焊进行焊接，焊接工艺为焊接电流:50～60A，氩气流量10～15L/min，焊接速度150～180mm/min，离子气1±0.1L/min，焊丝使用GCrMo91焊丝。由此，得到单节的滤芯部件。

如图2所示，根据本发明滤芯部件中的滤芯粉末管2包括基体骨架7和涂覆在所述基体骨架7外表面的表面过滤膜8，并构成非对称复合结构，基体的厚度较大、强度较高、孔径较大、透气性好，可以提高流体通过量；表面过滤膜的厚度较薄、孔径较小，由外往内过滤时可以提高过滤精度。基体骨架7是经压制烧结过的预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末，以及表面过滤膜8是涂覆在基体骨架7后二次烧结过的粘结剂、水和预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末的混合物，上述粘结剂可以是聚乙二醇、甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种。

上述混合物各组分的重量比为粘结剂：水：Fe-Al金属间化合物粉末＝1～10:100:200～300。表面过滤膜8的厚度优选为100～200μm。

在本发明以及后续的描述中，预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末的制备方法详见专利“一种铁铝基金属间化合物微孔过滤元件的制备方法及用途”，专利号ZL200610057538.1。

图3为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯的结构示意图，如图3所示，Fe-Al金属间化合物滤芯包括三节滤芯部件形成一组，在连接件处分别焊接加强筋9固定，用定位销10把三节滤芯部件的底部连接在一些，三节滤芯部件共用一个定位销，便于滤芯部件的安装，三节滤芯部件芯呈等边三角形分布。

图4为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯中的三段式结构的滤芯部件的结构示意图，根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯的单节滤芯部件采用三段Fe-Al金属间化合物粉末形成的滤芯粉末管2首尾通过相应的连接件焊接连接，所述连接件包括上连接环3，下连接环4和底封环5。滤芯粉末管2各段间通过上连接环3和下连接环4焊接连接，末端的滤芯粉末管2与底盖6通过底封环5焊接连接，首端的滤芯粉末管2与连接头1通过下连接环4焊接连接，焊接方式均采用熔化焊，由此，得到单节的滤芯部件。

需要说明的是，为了描述简便起见，图1和图4中分别给出了两段式和三段式结构的滤芯部件。三段以上的多段式结构的滤芯部件的具体实施方式也与此类似，滤芯粉末管各段间通过上连接环和下连接环焊接连接，末端滤芯粉末管与底盖通过底封环焊接连接，首端滤芯粉末管与连接头通过下连接环焊接连接，焊接方式均采用熔化焊，由此，得到多段式结构的单节滤芯部件。

图5为根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯的结构示意图，Fe-Al金属间化合物滤芯包括两节滤芯部件形成一组，通过在连接环位置两侧分别焊接加强筋9固定，底部通过定位销10把两节滤芯部件连接在一起，两节滤芯部件共用一个定位销10。

需要说明的是，尽管在图3和图5中分别示出的Fe-Al金属间化合物滤芯包括两和三节滤芯部件，但根据本发明的Fe-Al金属间化合物滤芯由至少两节滤芯部件构成一组即可，其连接与图3和图5中类似，本领域普通技术人员可容易理解，在此不再赘述。

本发明Fe-Al金属粉末滤芯由于其特殊金属化合物材质与特殊的孔隙结构而具有精度高，通量大、强度高、再生性能好、耐高温、抗腐蚀、耐冲击与抗磨损等诸多优异性能，特别适用于用于高温、高压及腐蚀环境下的精密过滤与气固分离等。在涉及含尘气体在高温下直接净化除尘和应用的领域，均可使用Fe-Al滤芯。本发明选择Fe-Al金属间化合物作为E-gas煤气化工艺焦过滤器滤芯材质。Fe-Al金属间化合物复合滤芯部件纵向结构采用至少两段粉末体焊接致密环进行连接的结构，在提高单节滤芯部件的结构强度的同时，便于在连接环上焊接加强筋；滤芯粉末管的横向断面结构采用非对称复合结构，同时通过细化表面膜粉末粒度、降低表面过滤膜厚度等方式，在保证过滤精度的同时，提高流体通量与反洗再生效果，降低过滤器运行时压差，确保过滤器长周期安全稳定运行。滤芯采用至少两节滤芯部件并成一组并通过连接环位置分别焊接加强筋固定的方式进行安装，可有效提高滤芯整体结构强度、防止滤芯使用时的变形或断裂现象，提高滤芯的可靠性。

在本发明的Fe₃Al金属间化合物的滤芯，主要包括滤芯的制备技术，滤芯纵向结构与横向断面结构设计技术以及滤芯的安装方式设计。滤芯纵向结构采用至少两段粉末体式结构，中间部位通过焊接致密(即，实体)连接环的方式连接成整节滤芯，以提高滤芯结构强度，同时便于在连接环处焊接加强筋以将至少两节滤芯部件组成滤芯从而获得更高的整体结构强度；本发明的滤芯横向断面结构采用“基体骨架+表面过滤膜”的非对称复合结构。基体的厚度较大、强度较高、孔径较大、透气性好，可以提高流体通过量；表面过滤膜的厚度较薄、孔径较小，由外往内过滤时可以提高过滤精度。滤芯由内向外的粉末颗粒由粗到细，断面微观结构总体上呈倒置的喇叭口状，这有助于提高由内向外反吹时的清灰效果；因此，非对称滤芯不仅精度高、通量大，还具有良好的反洗再生效果。通过3节滤芯用加强筋连接成1组的方式并采用焊接工艺实现滤芯组与管板的连接。采用图3的滤芯方式，可以有效提高滤芯的整体结构强度。1组滤芯共用1个定位销，可以有效减少定位花板上的定位孔数量，便于定位销与孔的对心，降低滤芯安装难度。管板与定位花板通过拉杆进行连接。

现在参考附图6的流程图来详细描述根据本发明Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其包括以下步骤：

1.粉末原料准备。选择具有良好的抗高温氧化及硫化腐蚀性能的Fe-Al金属间化合物作为E-gas煤气化工艺焦过滤器滤芯材质，根据过滤器的过滤精度和透气性的要求，筛分出适当粒度的、用于基体和表面过滤膜的预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末(其制备方法详见专利“一种铁铝基金属间化合物微孔过滤元件的制备方法及用途”，专利号ZL200610057538.1)。

2.等静压成型。将筛分好的基体粉末装填于模具中并在振动平台上振动均匀，然后将模具置于冷等静压机中进行压制，成型压力150MPa～200MPa。压制出单段管状滤芯粉末的生坯。根据实际工况设计滤芯的尺寸。

3.真空高温烧结。将压制成形的生坯装入烧舟，为了防止生坯纵向弯曲变形，将生坯垂直立于烧舟中并在四周填埋柔性约束物进行真空高温约束烧结，真空度一般控制在10^-2～10^-3Pa。烧结温度为1100～1300℃，保温1～5h。即得到Fe-Al金属间化合物滤芯的滤芯基体。采用激光切割或者切管机将滤芯基体切成合适的尺寸以形成具有合适尺寸的基体骨架。

也就是说，在本发明的方法中，首先要制备Fe-Al金属间化合物滤芯的基体骨架，通过将Fe-Al金属间化合物粉末进行等静压成型，然后将等静压压制成型的管状滤芯粉末的生坯进行真空高温烧结来制备基体骨架。

4.单段环缝焊接。焊接时，把连接件与基体骨架固定在单段环缝焊接工装上，保证基体骨架与连接件端面无间隙装配，采用等离子弧焊或氩弧焊进行焊接。连接件包括上连接环，下连接环和底封环。连接件采用不锈钢材质，如304，316，316L，310S等。优选等离子焊进行焊接，焊接工艺为焊接电流:50～60A，氩气流量10～15L/min，焊接速度150～180mm/min，离子气1±0.1L/min，焊丝使用GCrMo91焊丝。

5.表面过滤膜制备。采用湿法喷涂的方式进行表面过滤膜的制备。将一定粒度的预合金化的Fe-Al气雾化球形粉末或水雾化粉末、粘结剂物料按一定比例添加到一定量的水中，通过超声波振动、电机搅拌等方式混合均匀，制成粉末悬浮液浆料。采用自制的粉末自动喷涂机进行喷涂，通过调整喷涂压力、喷涂速度和喷涂次数来调整涂层厚度。所选择粘结剂为聚乙二醇、甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种。粉末悬浮液浆料重量比为粘结剂：水：粉末＝1～10:100:200～300。

6.二次真空烧结。烧结时分阶段保温，以保证粘结剂在烧结过程中尽可能挥发，防止粘结剂残留以影响滤芯的性能。烧结工艺为1～2h-450～550℃，保温1～2h，2～3h-1100～1200℃，保温2～4h，随炉冷却即得到“基体骨架+表面过滤膜”的非对称复合结构。

也就是说，在本发明的方法中，通过连接件将两段Fe-Al金属间化合物粉末的基体骨架的首尾通过连接件焊接在一起，并在涂覆过滤膜后进行二次真空烧结来制备Fe-Al金属间化合物滤芯的单节滤芯部件。在此，需要指出的是，先进行过滤膜的制备在进行环缝焊接可以达到相同的效果，具体操作与各步骤相同。

7.成品组焊。采用熔化焊(例如氩弧焊，等离子焊或激光焊等)方式进行焊接。将焊接好连接部件的单段滤芯粉末管各段间通过上连接环和下连接环焊接连接，末端的滤芯粉末管与底盖通过底封环焊接连接，首端的滤芯粉末管与连接头通过下连接环焊接连接，由此，得到单节的滤芯部件。成组焊接，滤芯每3节焊接成1组，在焊接工装上用螺母把3节滤芯部件连接头固定，用定位板把3节滤芯底部固定，然后在连接两段基体骨架的连接件部位焊接3件拉筋，再把定位销组件与滤芯部件的底盖焊接在一起，利用焊接工装测量长度并记录，即得到三节滤芯部件一组构成的滤芯。连接头，底盖，加强筋和定位销组件采用不锈钢材质，如304，316，316L，310S等。

也就是说，在本发明中，通过加强筋将至少两节滤芯部件横向焊接连接来制备Fe-Al金属间化合物滤芯。

此外，需要说明的是，在上述描述本发明的方法中使用了两段式单节滤芯部件与三节滤芯部件一组构成的滤芯，但本领域普通技术人员完全可以容易设想出至少两段式单节滤芯部件与至少两节滤芯部件一组构成的滤芯的其他实施形式，这些实施形式也并不脱离本发明的实质内容。

下面，为了进一步更清楚地描述本发明的制备方法，以下给出了分别以Fe₃Al和FeAl金属间化合物滤材作为本发明Fe-Al金属间化合物滤芯的各种具体实例，其中也详细列出了制备方法中的具体制备参数。

实例1

1)粉末原料准备。选择-40+100目的预合金化的水雾化Fe₃Al粉为基体。-500目的气雾化Fe₃Al粉末为表面过滤膜粉末。

2)等静压成型。将-40+100目的基体粉末装填于模具中并在振动平台上振动均匀，然后将模具置于冷等静压机中进行压制，成型压力180MPa。压制出单段管状滤芯粉末生坯。生坯管尺寸：外径φ60±1mm；壁厚：5±2mm；长度：1250±5mm。

3)真空高温烧结。将压制成形的管坯装入烧舟，为了防止管坯纵向弯曲变形，将管坯垂直立于烧舟中并在四周填埋柔性约束物进行真空高温约束烧结，真空度一般控制在10^-2～10^-3Pa。烧结温度为1300℃，保温3h。既得到基体骨架滤芯。

4)单段环缝焊接。采用激光切割将基体滤芯切成长度1164mm。焊接时，把连接件与基体滤芯固定在单段环缝焊接工装上，保证滤芯与连接件端面无间隙装配，采用等离子焊接。焊接参数，等离子焊接电流55A，氩气流量10～15L/min，焊接速度160mm/min，离子气1±0.1L/min；焊接时，首先开启“枪气”和保护罩气体，保护罩氩气流量20～25L/min，然后启动等离子环缝焊机旋转机构，调节好焊枪位置，按下起弧开关，焊工手动填丝满焊一周完成焊接，在保护罩中冷却10秒后再拿出滤芯。上连接环组件材质选择310S不锈钢，尺寸φ60x63mm，下连接环组件材质选择310S不锈钢，尺寸φ60x62mm，底封环材质选择310S不锈钢，尺寸φ60x17mm。

5)表面过滤膜制备。采用湿法喷涂的方式进行表面过滤膜的制备。将-500目的预合金化的Fe₃Al气雾化球形粉末、粘结剂物料按一定比例添加到一定量的水中，通过超声波振动、电机搅拌等方式混合均匀，制成粉末悬浮液浆料。浆料配比为：5g聚乙烯醇+100ml水+250g粉末，采用自制的粉末自动喷涂机进行喷涂，通过调整喷涂压力、喷涂速度和喷涂次数来调整涂层厚度。

6)二次真空烧结。烧结时分阶段保温，以保证粘结剂在烧结过程中尽可能挥发，防止粘结剂残留以影响滤芯的性能。烧结工艺为1h-450℃，保温2h，3h-1150℃，保温4h，随炉冷却既得到“基体骨架+表面过滤膜”的非对称复合结构。如图2所示。

7)成品组焊。采用氩弧焊方式进行焊接。底盖焊接，把定位销(如图3中的10)和下段滤芯的底封环(如图1中的5)配合到位固定在环缝焊接工装上，启动旋转机构按下起弧开关，填丝满焊一周。双段点焊，将上下两段滤芯在对接工装上配合到位，按圆周方向把连接件均匀点焊3点，焊点长3～5mm。双段焊接，将点焊好的双段滤芯固定在整节环缝焊接工装上，启动旋转机构按下起弧开关，填丝满焊一周。连接头焊接，将组焊好的滤芯与连接头固定在整节环缝焊接工装上，启动旋转机构进行焊接，填丝满焊一周。焊后滤芯结构示意图如图1所示。成组焊接，滤芯每3节焊接成1组，在焊接工装上用螺母把3节滤芯连接头固定，用定位板把3节滤芯底部固定，然后在两节滤管的连接件部位焊接3件拉筋(如图3中的9)，再把定位销组件与滤芯底盖焊接在一起，利用焊接工装测量长度并记录。既得到两段式整节滤芯与三节一组的滤芯。滤芯结构示意图如图3所示。连接头，底盖，定位销组件和加强筋采用310S不锈钢，尺寸分别为φ81x81mm，φ60mm，φ14，90x12x3mm。

实例2

1)粉末原料准备。选择-60+150目的预合金化的水雾化Fe3Al粉为基体。-500目的气雾化Fe₃Al粉末为表面过滤膜粉末。

2)等静压成型。将-60+150目的基体粉末装填于模具中并在振动平台上振动均匀，然后将模具置于冷等静压机中进行压制，成型压力200MPa。压制出单段管状滤芯粉末生坯。生坯管尺寸：外径φ60±1mm；壁厚：5±2mm；长度：1180±5mm。

3)真空高温烧结。将压制成形的管坯装入烧舟，为了防止管坯纵向弯曲变形，将管坯垂直立于烧舟中并在四周填埋柔性约束物进行真空高温约束烧结，真空度一般控制在10-2～10-3Pa。烧结温度为1250℃，保温5h。既得到基体骨架滤芯。

4)单段环缝焊接。采用激光切割将基体滤芯切成长度1089mm。焊接时，把连接件与基体滤芯固定在单段环缝焊接工装上，保证滤芯与连接件端面无间隙装配，采用等离子焊接。焊接参数，等离子焊接电流60A，氩气流量10～15L/min，焊接速度150mm/min，离子气1±0.1L/min；焊接时，首先开启“枪气”和保护罩气体，保护罩氩气流量20～25L/min，然后启动等离子环缝焊机旋转机构，调节好焊枪位置，按下起弧开关，焊工手动填丝满焊一周完成焊接，在保护罩中冷却10秒后再拿出滤芯。上连接环组件材质选择316L不锈钢，尺寸φ60x63mm，下连接环组件材质选择316L不锈钢，尺寸φ60x62mm，底封环材质选择316L不锈钢，尺寸φ60x17mm。

5)表面过滤膜制备。采用湿法喷涂的方式进行表面过滤膜的制备。将-500目的预合金化的Fe₃Al气雾化球形粉末、粘结剂物料按一定比例添加到一定量的水中，通过超声波振动、电机搅拌等方式混合均匀，制成粉末悬浮液浆料。浆料配比为：2g甲基纤维素+100ml水+250g粉末，采用自制的粉末自动喷涂机进行喷涂，通过调整喷涂压力、喷涂速度和喷涂次数来调整涂层厚度。

6)二次真空烧结。烧结时分阶段保温，以保证粘结剂在烧结过程中尽可能挥发，防止粘结剂残留以影响滤芯的性能。烧结工艺为1.5h-550℃，保温1h，3h-1200℃，保温3h，随炉冷却既得到“基体骨架+表面过滤膜”的非对称复合结构。如图2所示。

7)成品组焊。采用氩弧焊方式进行焊接。底盖焊接，把定位销(如图3中的10)和下段滤芯的底封环(如图1中的5)配合到位固定在环缝焊接工装上，启动旋转机构按下起弧开关，填丝满焊一周。双段点焊，将上下两段滤芯在对接工装上配合到位，按圆周方向把连接件均匀点焊3点，焊点长3～5mm。双段焊接，将点焊好的双段滤芯固定在整节环缝焊接工装上，启动旋转机构按下起弧开关，填丝满焊一周。连接头焊接，将组焊好的滤芯与连接头固定在整节环缝焊接工装上，启动旋转机构进行焊接，填丝满焊一周。焊后滤芯结构示意图如图1所示。成组焊接，滤芯每3节焊接成1组，在焊接工装上用螺母把3节滤芯连接头固定，用定位板把3节滤芯底部固定，然后在两节滤管的连接件部位焊接3件拉筋(如图3中的9)，再把定位销组件与滤芯底盖焊接在一起，利用焊接工装测量长度并记录。既得到两段式整节滤芯与三节一组的滤芯。滤芯结构示意图如图3所示。连接头，底盖，定位销组件和加强筋采用316不锈钢，尺寸分别为φ81x81mm，φ60mm，φ14，90x12x3mm。

实例3

1)粉末原料准备。选择-40+150目的预合金化的水雾化FeAl粉为基体。-500目的气雾化FeAl粉末为表面过滤膜粉末。

2)等静压成型。将-40+150目的基体粉末装填于模具中并在振动平台上振动均匀，然后将模具置于冷等静压机中进行压制，成型压力150MPa。压制出单段管状滤芯粉末生坯。生坯管尺寸：外径φ60±1mm；壁厚：5±2mm；长度：850±5mm。

3)真空高温烧结。将压制成形的管坯装入烧舟，为了防止管坯纵向弯曲变形，将管坯垂直立于烧舟中并在四周填埋柔性约束物进行真空高温约束烧结，真空度一般控制在10^-2～10^-3Pa。烧结温度为1240℃，保温4h。既得到基体骨架滤芯。

4)单段环缝焊接。采用激光切割将基体滤芯切成长度780mm。焊接时，把连接件与基体滤芯固定在单段环缝焊接工装上，保证滤芯与连接件端面无间隙装配，采用等离子焊接。焊接参数，等离子焊接电流60A，氩气流量10～15L/min，焊接速度150mm/min，离子气1±0.1L/min；焊接时，首先开启“枪气”和保护罩气体，保护罩氩气流量20～25L/min，然后启动等离子环缝焊机旋转机构，调节好焊枪位置，按下起弧开关，焊工手动填丝满焊一周完成焊接，在保护罩中冷却10秒后再拿出滤芯。上连接环组件材质选择310S不锈钢，尺寸φ60x63mm，下连接环组件材质选择310S不锈钢，尺寸φ60x62mm，底封环材质选择310S不锈钢，尺寸φ60x17mm。

5)表面过滤膜制备。采用湿法喷涂的方式进行表面过滤膜的制备。将-500目的预合金化的FeAl气雾化球形粉末、粘结剂物料按一定比例添加到一定量的水中，通过超声波振动、电机搅拌等方式混合均匀，制成粉末悬浮液浆料。浆料配比为：5g甲基纤维素+100ml水+250g粉末，采用自制的粉末自动喷涂机进行喷涂，通过调整喷涂压力、喷涂速度和喷涂次数来调整涂层厚度。

6)二次真空烧结。烧结时分阶段保温，以保证粘结剂在烧结过程中尽可能挥发，防止粘结剂残留以影响滤芯的性能。烧结工艺为1h-500℃，保温2h，3h-1100℃，保温4h，随炉冷却既得到“基体骨架+表面过滤膜”的非对称复合结构。如图2所示。

7)成品组焊。采用氩弧焊方式进行焊接。底盖焊接，把定位销(如图5中的10)和下段滤芯的底封环(如图4中的5)配合到位固定在环缝焊接工装上，启动旋转机构按下起弧开关，填丝满焊一周。双段点焊，将上下两段滤芯在对接工装上配合到位，按圆周方向把连接件均匀点焊3点，焊点长3～5mm。双段焊接，将点焊好的双段滤芯固定在整节环缝焊接工装上，启动旋转机构按下起弧开关，填丝满焊一周。连接头焊接，将组焊好的滤芯与连接头固定在整节环缝焊接工装上，启动旋转机构进行焊接，填丝满焊一周。焊后滤芯结构示意图如图4所示。成组焊接，滤芯每2节焊接成1组，在焊接工装上用螺母把2节滤芯连接头固定，用定位板把2节滤芯底部固定，然后在两节滤管的连接件部位焊接拉筋(如图5中的9)，再把定位销组件与滤芯底盖焊接在一起，利用焊接工装测量长度并记录。既得到三段式整节滤芯与二节一组的滤芯。滤芯结构示意图如图5所示。连接头，底盖，定位销组件和加强筋采用310S不锈钢，尺寸分别为φ81x81mm，φ60mm，φ14，90x12x3mm。

需要说明的是，根据对本发明的上述详细描述，本领域普通技术人员完全可以清楚设想出除Fe₃Al和FeAl金属间化合物外的其它Fe-Al金属间化合物的类似实施方式，因此，本发明人在此不一一赘述。

最后，详细描述Fe-Al金属间化合物微孔材料与不锈钢的焊接方法，以实施本发明中滤芯粉末管与连接件的焊接。

参考图7，在Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法中，首先，开启熔化焊焊机的“枪气”并开启保护罩内的焊接保护气体，其中保护罩用于保护Fe-Al金属间化合物微孔材料；其次，调节熔化焊过程中焊机的焊接参数以及保护罩内的焊接保护气体的参数；之后，调整好焊枪位置，按下起弧开关，使用焊丝作为焊接填充料进行Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接；以及，当完成焊接之后，在保护罩中进行冷却。

在Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法中，焊丝材质优选采用GCrMo91(C＜0.1％wt，Cr<8～10％wt，Mo<1％wt)耐热钢焊丝、ER310S焊丝或ERNiCr-3焊丝，作为焊接填充料。焊接方式采用熔化焊，并优选采用氩弧焊，等离子焊或激光焊进行焊接。在上述焊接方法中，通过使用焊丝、且焊接过程中对接头区域进行多通道焊接保护气体(即，焊枪本身的焊接保护气以及新引入保护罩内的焊接保护气)，完成了Fe-Al材料与实体不锈钢间的高质量焊接。而且，通过优化工艺参数(焊接电流，焊接电压，焊接速度，保护气流量)，使得具有更好的效果。

图8所示是Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法中使用氩弧焊的流程图，首先，开启氩弧焊焊机的“枪气”并开启保护罩内的焊接保护气体，其中保护罩用于保护Fe-Al金属间化合物微孔材料；其次，调节氩弧焊过程中焊机的焊接参数以及保护罩内的焊接保护气体的参数；之后，调整好焊枪位置，按下起弧开关，并使用例如GCrMo91耐热钢焊丝或ER310S焊丝或ERNiCr-3焊丝，作为焊接填充料进行Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接，在GCrMo91耐热钢焊丝中，C＜0.1％wt，Cr<8～10％wt，Mo<1％wt；以及，当完成氩弧焊接之后，在保护罩中进行冷却。

在图8的具体焊接方法中：

氩弧焊接设备采用环缝自动氩弧焊机，由于焊接时熔合区的Fe-Al合金特别是Al元素易发生氧化，因此除了关注焊接速度、焊接电压、焊接电流、氩气流量等工艺参数之外，还要重点注意焊接接头(包括焊缝、熔合区、热影响区)部分的焊接保护气体的保护方式。氩弧焊焊接工艺参数为：焊接电流65～75A，焊接电压12.4V，焊接速度150～210mm/min，焊枪的氩气流量为20L/min，保护罩内的氩气(保护气体)流量为10～15L/min。

图9所示是Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法中使用等离子焊的流程图，首先，开启等离子焊焊机的“枪气”并开启保护罩内的焊接保护气体，保护罩用于保护Fe-Al金属间化合物微孔材料；其次，调节等离子焊过程中焊机的焊接参数和保护罩内的焊接保护气体的参数；之后，调整好焊枪位置，按下起弧开关，并使用例如GCrMo91耐热钢焊丝或ER310S焊丝或ERNiCr-3焊丝，作为焊接填充料进行Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接，在GCrMo91耐热钢焊丝中，C＜0.1％wt，Cr<8～10％wt，Mo<1％wt；以及，当完成等离子焊接之后，在保护罩中进行冷却。

在图9的具体焊接方法中：

等离子焊接设备优选可以采用等离子环缝焊机，等离子焊接工艺参数为：焊接电流50～60A，氩气流量10～15L/min，焊接速度150～180mm/min，离子气1±0.1L/min，焊丝材质采用GCrMo91(C＜0.1％wt，Cr<8～10％wt，Mo<1％wt)耐热钢焊丝、ER310S焊丝或ERNiCr-3焊丝作为焊接填充料。具体焊接时，首先开启焊机的“枪气”和保护罩气体，保护罩内的氩气(保护气体)流量20～25L/min，然后启动等离子环缝焊机旋转机构，调节好焊枪位置，按下起弧开关，焊工手动填丝满焊一周完成焊接，在保护罩中冷却10秒后再拿出焊接件。

图10所示是Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接方法中使用激光焊的流程图，首先，开启激光焊机的“枪气”并开启保护罩内的焊接保护气体，保护罩用于保护Fe-Al金属间化合物微孔材料；其次，调节激光焊过程中焊机的焊接参数以及焊接保护气体的参数；之后，启动激光焊机并使用例如GCrMo91耐热钢焊丝或ER310S焊丝或ERNiCr-3焊丝，作为焊接填充料进行Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的焊接，在GCrMo91耐热钢焊丝中，C＜0.1％wt，Cr<8～10％wt，Mo<1％wt；以及，当完成激光焊接之后，在保护罩中进行冷却。

在图10的具体焊接方法中：

激光焊焊接工艺参数为：焊接功率为2～3kw，焊接速度50～100mm/min，送丝速度85～100mm/s，离焦量6～10mm，保护罩内的氩气(保护气体)流量20～25L/min。

采用以上方法焊接Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢形成的焊接件的焊接部分结合牢固且稳定性高，焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤等缺陷。

也就是说，在上述焊接方法中，优选地：

1)熔化焊采用氩弧焊、等离子焊或激光焊进行焊接。并通过使用焊丝、且焊接过程中对接头区域进行多通道气体保护(即，焊枪本身的焊接保护气以及新引入保护罩内的焊接保护气)，完成了Fe-Al金属间化合物微孔材料与实体不锈钢间的高质量焊接。而且，通过优化工艺参数可使上述焊接方法有更好效果。

2)焊丝材质采用GCrMo91(C＜0.1％wt，Cr＜8～10％wt，Mo<1％wt)耐热钢焊丝、ER310S焊丝或ERNiCr-3合金，作为焊接填充料。

在上述焊接方法中，通过对焊丝、焊接电流、焊接速度、氩气流量(焊接后用材料万能试验机测试样品的抗拉强度，用布洛维光学硬度计测试焊接接头的硬度，用金相显微镜、扫描电镜、能谱以及X射线衍射仪观察与分析焊接接头的显微组织与形貌、成分及物相组成，在此基础上对焊接工艺进行优化)以及焊接接头保护方式(加保护罩内的焊接保护气体)的优化，实现了Fe-Al金属间化合物微孔材料与致密不锈钢的有效连接。焊接拉伸强度可以达到35～40MPa，拉伸断裂部位均在粉末体热影响区，高于陶瓷滤材的强度。焊接接头的振动抗弯疲劳强度为300N以上、三点抗弯强度大于700N以上，断裂部位也位于紧邻焊缝的粉末体热影响区。焊缝外观平滑，焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。

为了进一步更清楚地描述上述焊接方法，以下给出了分别以Fe₃Al和FeAl金属间化合物管材作为Fe-Al金属间化合物微孔材料的具体实施方式、其分别与各种致密不锈钢连接环进行焊接的各种实例、及其焊接效果，其中也详细列出了实际焊接过程中的各种具体实施参数。

实例1：

Fe₃Al金属间化合物管材与310S不锈钢连接环进行焊接，氩弧焊焊接工艺参数为：电流65A，电压12.4V，焊接速度150mm/min，氩气流量为20L/min，保护罩氩气流量10～15L/min，焊丝材质采用GCrMo91(C＜0.1％wt，Cr＜8～10％wt，Mo<1％wt)耐热钢焊丝作为焊接填充料。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度37MPa。

实例2：

Fe₃Al金属间化合物管材与310S不锈钢连接环进行焊接，氩弧焊焊接工艺参数为：电流70A，电压12.4V，焊接速度180mm/min，氩气流量为20L/min，保护罩氩气流量10～15L/min，焊丝材质采用ER310S焊丝作为焊接填充料。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度39MPa。

实例3：

Fe₃Al金属间化合物管材与304不锈钢连接环进行焊接，氩弧焊焊接工艺参数为：电流75A，电压12.4V，焊接速度210mm/min，氩气流量为20L/min，保护罩氩气流量10～15L/min，焊丝材质采用ERNiCr-3焊丝作为焊接填充料。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度36MPa。

实例4：

Fe₃Al金属间化合物管材与304不锈钢连接环进行焊接。等离子焊接电流60A，氩气流量15L/min，焊接速度180mm/min，离子气1L/min，焊丝材质采用ERNiCr-3焊丝作为焊接填充料。焊接时，首先开启“枪气”和保护罩气体，保护罩氩气流量为20～25L/min，然后启动等离子环缝焊机旋转机构，调节好焊枪位置，按下起弧开关，焊工手动填丝满焊一周完成焊接，在保护罩中冷却10秒后再拿出完成焊接的滤芯。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度37MPa。

实例5：

Fe₃Al金属间化合物管材与316不锈钢连接环进行焊接。等离子焊接电流50A，氩气流量10L/min，焊接速度150mm/min，离子气1L/min，焊丝材质采用ER310S焊丝作为焊接填充料。焊接时，首先开启“枪气”和保护罩气体，保护罩氩气流量20～25L/min，然后启动等离子环缝焊机旋转机构，调节好焊枪位置，按下起弧开关，焊工手动填丝满焊一周完成焊接，在保护罩中冷却10秒后再拿出完成焊接的滤芯。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度35MPa。

实例6：

Fe₃Al金属间化合物管材与310S不锈钢连接环进行焊接。等离子焊接电流55A，氩气流量13L/min，焊接速度160mm/min，离子气1L/min，焊丝材质采用ERNiCr-3焊丝作为焊接填充料。焊接时，首先开启“枪气”和保护罩气体，保护罩氩气流量为20～25L/min，然后启动等离子环缝焊机旋转机构，调节好焊枪位置，按下起弧开关，焊工手动填丝满焊一周完成焊接，在保护罩中冷却10秒后再拿出完成焊接的滤芯。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度39MPa。

实例7：

Fe₃Al金属间化合物管材与316L不锈钢连接环进行焊接。激光焊焊接工艺参数为：焊接功率2.35kw，焊接速度60mm/min，送丝速度100mm/s(无倒角)或85mm/s(有倒角)，离焦量8mm时，焊接时间为19.1s，保护罩氩气流量为20～25L/min，焊丝材质采用GCrMo91(C＜0.1％wt，Cr<8～10％wt，Mo<1％wt)耐热钢焊丝作为焊接填充料。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度35MPa。

实例8：

Fe₃Al金属间化合物管材与310S不锈钢连接环进行焊接。激光焊焊接工艺参数为：焊接功率2kw，焊接速度50mm/min，送丝速度100mm/s(无倒角)或85mm/s(有倒角)，离焦量6mm，保护罩氩气流量为20～25L/min，焊丝材质采用GCrMo91(C＜0.1％wt，Cr<8～10％wt，Mo<1％wt)耐热钢焊丝作为焊接填充料。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度37MPa。

实例9：

Fe₃Al金属间化合物管材与304不锈钢连接环进行焊接。激光焊焊接工艺参数为：焊接功率3kw，焊接速度100mm/min，送丝速度100mm/s(无倒角)或85mm/s(有倒角)，离焦量10mm，保护罩氩气流量为20～25L/min，焊丝材质采用ERNiCr-3焊丝作为焊接填充料。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度39MPa。

实例10：

FeAl金属间化合物管材与310S不锈钢连接环进行焊接。等离子焊接电流58A，氩气流量15L/min，焊接速度160mm/min，离子气1L/min，焊丝材质采用ERNiCr-3焊丝作为焊接填充料。焊接时，首先开启“枪气”和保护罩气体，保护罩氩气流量20～25L/min，然后启动等离子环缝焊机旋转机构，调节好焊枪位置，按下起弧开关，焊工手动填丝满焊一周完成焊接，在保护罩中冷却10秒后再拿出完成焊接的滤芯。焊缝饱满均匀，无咬边、表面裂纹、缺肉、明显焊瘤，内部无裂纹，夹杂等缺陷。焊接拉伸强度38MPa。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种Fe-Al金属间化合物滤芯，其特征在于，所述Fe-Al金属间化合物滤芯包括：至少两节滤芯部件以及将所述至少两节滤芯部件横向焊接连接的加强筋(9)，其中，

所述滤芯部件包括至少两段Fe-Al金属间化合物滤芯粉末管(2)和将至少两段Fe-Al金属间化合物粉末管(2)首尾焊接连接的连接件；以及其中

所述至少两段Fe-Al金属间化合物粉末管(2)包括基体骨架(7)和在所述基体骨架(7)外面的表面过滤膜(8)，所述基体骨架(7)是经压制烧结过的预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末；

所述Fe-Al金属间化合物滤芯包括三节滤芯部件横向形成一组，通过焊接加强筋(9)固定，所述加强筋(9)分别焊接到所述滤芯部件的连接件位置；

所述表面过滤膜(8)是经在基体骨架(7)涂覆后二次烧结过的粘结剂、水和预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末的混合物，其中，所述粘结剂为聚乙二醇、甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种；

所述Fe-Al金属间化合物滤芯的断面结构采用“基体骨架+表面过滤膜”的非对称复合结构，非对称粉末滤芯较为细小的孔径使其具有很高的过滤精度，且所述非对称粉末滤芯为刚性材料，所述非对称粉末滤芯采用至少两节并成一组通过连接环位置分别焊接加强筋固定的方式进行安装。

2.如权利要求1所述的Fe-Al金属间化合物滤芯，其特征在于，所述混合物各组分的重量比为粘结剂：水：粉末＝1～10:100:200～300。

3.如权利要求1或2所述的Fe-Al金属间化合物滤芯，其特征在于，所述表面过滤膜(8)的厚度为100～200微米。

4.一种Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备Fe-Al金属间化合物滤芯的基体骨架(7)，通过将预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末进行等静压成型，然后将等静压压制成型的生坯进行真空烧结以形成所述基体骨架；

制备Fe-Al金属间化合物滤芯的滤芯部件，其中，将至少两段所述基体骨架的首尾分别通过连接件焊接在一起，并在涂覆过滤膜(8)后进行二次烧结以形成所述滤芯部件；以及

通过加强筋将至少两节滤芯部件横向焊接连接以形成Fe-Al金属间化合物滤芯；

所述制备Fe-Al金属间化合物滤芯的滤芯部件的步骤还包括用湿法喷涂工艺涂覆表面过滤膜(8)的步骤，所述表面过滤膜是由粘结剂、水和预合金化的Fe-Al金属间化合物粉末的混合物制备而成；

所述粘结剂为聚乙二醇、甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种；

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混合物各组分的重量比为粘结剂：水：粉末＝1～10:100:200～300。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，涂覆表面过滤膜(8)使得所述表面过滤膜的厚度为100～200微米。