一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法

1.本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法。


背景技术：

2.多孔金属材料是一种内部具有贯通的孔隙结构的功能性材料。它不仅延续了金属材料的高强度、高韧性，还具有高孔隙率、高透气性、耐高温、耐腐蚀、相对密度低、高比表面积等特点，被广泛应用于航空航天、石油化工、节能环保、生物医药等行业的过滤、分离、消音减振、阻燃防爆等领域。近年来，随着社会的发展，各领域对金属多孔材料的需求越来越多，金属多孔材料对社会的发展，人类的进步起着不可替代的作用。梯度多孔金属材料由于其过滤孔隙大小具有梯度变化特征，可高效过滤不同粒径的烟尘，因此在过滤领域的应用较为广泛，如高温烟气除尘、食品行业、医用生物和燃料电池领域。在高温烟气除尘领域，国外一些公司（如德国舒马赫公司、美国西屋公司、日本的建材玻璃公司等）研制的梯度多孔陶瓷过滤器除尘率都可达到99%以上。
3.激光选区熔化成形(selective laser melting, slm)技术作为金属增材制造领域的代表性技术之一，具有直接成形复杂金属梯度多孔结构的能力。目前的梯度多孔结构大多通过slm技术直接成形制备。然而，slm技术受限于其工艺约束条件（光斑尺寸、台阶效应、粉末粘附等），其最小成形特征通常不小于0.2~0.5 mm。因此，通过slm技术直接成形的金属梯度多孔结构通常只能过滤毫米级尺寸的烟尘，无法对微米级和纳米级的烟尘进行有效过滤。此外，通过slm直接成形的梯度多孔结构通常仅包含单一成分比例，且slm成形的激光参数一致导致耐腐蚀性与强度的单一性，无法满足复杂服役环境下的多功能需求，例如结构的不同位置具有不同的耐腐蚀性与强度要求。
4.因此，本方法基于激光选区熔化技术(slm)与后热处理技术，提出一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法，在保证原有过滤效果的基础上，大大提高了结构的耐腐蚀性和过滤能力，适合应用于工业推广。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法，通过在相关的工艺及原料改进下，对于气体循环净化多孔结构材料的抗腐蚀能力和过滤效果具有良好的增益效果。
6.本方法的重点：1、产品呈现出螺旋、梯度的多孔型结构材料，上下两层的孔洞存在不断地偏移叠加结构，偏移叠加的目的是不断提高材料的过滤效果，提高材料的过滤能级，梯度型结构也避免聚集性小孔造成的堵塞情况；2、在一定范围内对梯度多孔结构不同位置的组分进行调整，并采用激光工艺参数调整镍基高温合金的微观组织与相析出状态，以调控梯度多孔结构不同位置的耐腐蚀性与强度，满足复杂服役环境的多功能需求，实现成本、性能和需求三方面的有效平衡；3、在镍基合金表面制备石墨烯薄层，利用的是镍与碳的较
高的高温固溶性能，而在急冷的状态下，大量的碳会在镍基合金表面析出形成薄薄的石墨烯层，以提高耐磨和耐腐蚀性能。
7.本发明涉及的一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法的具体实施方案如下:s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:16.5-22.5％，ni:50-55％，mo:2.5-3.5％，al:0.2-0.8％，ti:0.6-1.5％，y2o3:0.3-0.6％，ta:1.5-3.5％，cu:0.05-0.1％，tic:0.8-1.5％，mn:0.15-0.35％，si:0.15-0.35％，c:0.02-0.08％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:16.5-22.5％，ni:50-55％，mo:2.5-3.5％，al:0.2-0.8％，ti:0.6-1.5％，ta:1.5-3.5％，cu:0.05-0.1％，mn:0.15-0.35％，si:0.15-0.35％，c:0.02-0.08％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:16.5-22.5％，ni:50-55％，mo:2.5-3.5％，al:0.2-0.8％，ti:0.6-1.5％，nb:0.1-0.5％，ta:1.5-3.5％，cu:0.05-0.1％，co:0.3-1％，mn:0.15-0.35％，si:0.15-0.35％，c:0.02-0.08％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为x（x＜100%），每层孔洞与上一层偏移率为y（0%＜y＜1-x）；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径2-7 mm，下端最小孔径为0.4-1.0 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为30-40%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为60-90 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为100-300 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3-10-2
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为25-35 μm，设置激光功率为150-240 w，激光扫描速度在600-1500 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为1-4 h，转速为100-300 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的
螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为900-1000 ℃，保温时间20-60 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于50-100 ℃/s。
8.有益效果
9.本发明通过调整梯度多孔结构不同位置的成分比例以及slm成形过程的激光工艺参数，以调整梯度多孔结构不同位置的耐腐蚀性与强度，可满足复杂服役环境下的多功能需求；（2）本发明设计的方法中在激光选区熔化制备时采用螺旋式的梯度结构，每两层之间偏移1-15%，将原有的受限于激光选区熔化精度限制的只能过滤毫米级颗粒物的能力提高到了微米级；（3）本发明设计的方法中在镍基合金表面制备了一层石墨烯，并在靠近材料表面的区域固溶了大量的碳，这有利于材料抗摩擦和耐腐蚀性能的提高。
附图说明
10.图1为一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法的制备流程图；图2为具有不同成分比例、孔径尺寸的梯度多孔结构示意图。
具体实施方式
11.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
12.本发明实施例提供一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法，该方法中主要包含如下步骤:s1.按质量比例配置多孔合金原料；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；作为一种实施例，本发明实施例以下内容给出了前述一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法的几个具体示例如实施例1、实施例2、实施例3以及实施例1-7进行比对说明。
13.实施例1
14.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:16.5％，ni:50％，mo:2.5％，al:0.2％，ti:0.6％，y2o3:0.3％，ta:1.5％，cu:
0.05％，tic:0.8％，mn:0.15％，si:0.15％，c:0.02％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:16.5％，ni:50％，mo:2.5％，al:0.2％，ti:0.6％，ta:1.5％，cu:0.05％，mn:0.15％，si:0.15％，c:0.02％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:16.5％，ni:50％，mo:2.5％，al:0.2％，ti:0.6％，nb:0.1％，ta:1.5％，cu:0.05％，co:0.3％，mn:0.15％，si:0.15％，c:0.02％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为20%，每层孔洞与上一层偏移率为10%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径2 mm，下端最小孔径为0.4 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为30%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为60 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为100 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3 pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为25 μm，设置激光功率为150 w，激光扫描速度在600 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为1 h，转速为100 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为900 ℃，保温时间20 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于50 ℃/s。
15.实施例2
16.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:22.5％，ni:55％，mo:3.5％，al:0.8％，ti:1.5％，y2o3:0.6％，ta:3.5％，cu:0.1％，tic:1.5％，mn:0.35％，si:0.35％，c:0.08％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；
中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:22.5％，ni:55％，mo:3.5％，al:0.8％，ti:1.5％，ta:3.5％，cu:0.1％，mn:0.35％，si:0.35％，c:0.02-0.08％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:22.5％，ni:55％，mo:3.5％，al:0.8％，ti:1.5％，nb:0.5％，ta:3.5％，cu:0.1％，co:1％，mn:0.35％，si:0.35％，c:0.08％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为40%，每层孔洞与上一层偏移率为60%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径7 mm，下端最小孔径为1.0 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为40%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为90 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为300 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-2
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为35 μm，设置激光功率为240 w，激光扫描速度在1500 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为4 h，转速为300 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为1000 ℃，保温时间60 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于100 ℃/s。
17.实施例3
18.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，y2o3:0.5％，ta:2.5％，cu:0.8％，tic:1.2％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；
cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:18％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，nb:0.3％，ta:2.5％，cu:0.08％，co:0.6％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为10%，每层孔洞与上一层偏移率为80%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径5 mm，下端最小孔径为0.7 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为35%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为70 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为200 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为30 μm，设置激光功率为200 w，激光扫描速度在1000 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为3 h，转速为200 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为950 ℃，保温时间40 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于80 ℃/s。
19.对比例1:
20.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.8％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:
0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为10%，每层孔洞与上一层偏移率为80%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径5 mm，下端最小孔径为0.7 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为35%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为70 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为200 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为30 μm，设置激光功率为200 w，激光扫描速度在1000 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为3 h，转速为200 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为950 ℃，保温时间40 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于80 ℃/s。
21.对比例2:
22.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，y2o3:0.5％，ta:2.5％，cu:0.8％，tic:1.2％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；
高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:18％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，nb:0.3％，ta:2.5％，cu:0.08％，co:0.6％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为10%，每层孔洞与上一层偏移率为100%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径5 mm，下端最小孔径为0.7 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为35%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为70 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为200 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为30 μm，设置激光功率为200 w，激光扫描速度在1000 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为3 h，转速为200 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为950 ℃，保温时间40 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于80 ℃/s。
23.对比例3:
24.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，y2o3:0.5％，ta:2.5％，cu:0.8％，tic:1.2％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；
cr:18％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，nb:0.3％，ta:2.5％，cu:0.08％，co:0.6％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为10%，每层孔洞与上一层偏移率为0%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径5 mm，下端最小孔径为0.7 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为35%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为70 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为200 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为30 μm，设置激光功率为200 w，激光扫描速度在1000 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为3 h，转速为200 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为950 ℃，保温时间40 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于80 ℃/s。
25.对比例4:
26.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，y2o3:0.5％，ta:2.5％，cu:0.8％，tic:1.2％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:18％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，nb:0.3％，ta:2.5％，cu:0.08％，
co:0.6％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为0%，每层孔洞与上一层偏移率为0%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径5 mm，下端最小孔径为0.7 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为35%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为70 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为200 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为30 μm，设置激光功率为200 w，激光扫描速度在1000 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为3 h，转速为200 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为950 ℃，保温时间40 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于80 ℃/s。
27.对比例5:
28.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，y2o3:0.5％，ta:2.5％，cu:0.8％，tic:1.2％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:18％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，nb:0.3％，ta:2.5％，cu:0.08％，co:0.6％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；
s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为10%，每层孔洞与上一层偏移率为80%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径5 mm，下端最小孔径为0.7 mm，次层孔隙率为上一层的90%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为70 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为200 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为30 μm，设置激光功率为200 w，激光扫描速度在1000 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为3 h，转速为200 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为950 ℃，保温时间40 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于80 ℃/s。
29.对比例6:
30.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，y2o3:0.5％，ta:2.5％，cu:0.8％，tic:1.2％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:18％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，nb:0.3％，ta:2.5％，cu:0.08％，co:0.6％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理
得到螺旋梯度多孔合金成品；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为10%，每层孔洞与上一层偏移率为80%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径5 mm，下端最小孔径为0.7 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为35%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为70 ℃；导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为200 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为30 μm，设置激光功率为200 w，激光扫描速度在1000 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金成品自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为3 h，转速为200 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金成品进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末。
31.对比例7:
32.s1.按质量比例配置多孔合金原料；高强度多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，y2o3，ta，cu，tic，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，y2o3:0.5％，ta:2.5％，cu:0.8％，tic:1.2％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；中耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，ta，cu，mn，si，c，余量为fe；cr:18.5％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，ta:2.5％，cu:0.08％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；高耐腐蚀多孔合金原料包括:cr，ni，mo，al，ti，nb，ta，cu，co，mn，si，c，余量为fe；cr:18％，ni:53％，mo:3％，al:0.6％，ti:1％，nb:0.3％，ta:2.5％，cu:0.08％，co:0.6％，mn:0.25％，si:0.25％，c:0.06％，p≤0.02％，s≤0.02％，其余为fe；s2.通过三维模型设计、粉末烘干、基板预热、真空处理、激光选区熔化、表面处理得到螺旋梯度多孔合金粗胚；三维模型设计：螺旋梯度多孔结构由多层不同孔隙大小的单胞结构组成，层间可以根据设计需要而保持或调整单胞的类型、尺寸，同时螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为10%，每层孔洞与上一层偏移率为80%；其中螺旋梯度多孔合金粗胚孔径呈纵向分布，孔径尺寸呈梯度变化，上端最大孔径5 mm，下端最小孔径为0.7 mm，每层的孔隙率保持一致，单层和整体孔隙率均为35%；粉末烘干：将球磨后粉体进行烘干处理，温度为70 ℃；
导入设备参数：对三维设计的螺旋梯度多孔结构模型进行切片、路径规划，并将切片数据导入激光选区熔化成形设备的控制软件；基板预热：选取与多孔合金热膨胀系数相差不大的材料作为基板材料并进行预热，预热温度为200 ℃；真空处理：对设备真空室进行抽真空处理，待真空度达到10-3
pa后通入高纯氩气到0.1 mpa，之后再进行抽真空处理，如此往复三次；激光选区熔化成形：设定成形过程的层厚为30 μm，设置激光功率为200 w，激光扫描速度在1000 mm/s，保护气氛为氩气；其中螺旋梯度多孔合金粗胚自上而下分为高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间，选用原料粉体对应s1中三种不同的原料组成，原料处理方式均为真空球磨，球磨方式为干磨，球磨时间为3 h，转速为200 rpm；表面处理：采用化学/电解抛光、磨粒流抛光中的其中一种对激光选区熔化成形的螺旋梯度多孔合金粗坯进行处理，以去除多孔结构表面多余的粘附粉末；s3.通过碳包覆-加热、碳固溶-析出在螺旋梯度多孔合金粗胚表面制备石墨烯薄层得到多级过滤器成品；碳包覆-加热：将螺旋梯度多孔合金粗胚用碳粉进行包覆，并对体系进行真空加热，加热温度为950 ℃，保温时间40 min；碳固溶-析出：将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于2 ℃/s。
33.抗冲击强度：抗冲击强度可直接反映、评价或判断一种材料（或者产品）的抵抗冲击能力（脆性、韧性程度），业界比较流行用三种方法：简支梁冲击（也称c harpy冲击）、悬臂梁冲击（也称izod冲击）和落球（或者落锤）冲击，测试标准可参考国标gb/t2423.5-1995；耐腐蚀性：盐雾实验是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验。盐雾实验的主要目的是考核产品或金属材料的耐盐雾腐蚀性能，盐雾试验结果也是对产品质量的判定，是正确衡量产品或金属抗盐雾腐蚀质量的关键依据，测试标准可参考国标 gb/t 12967.3-1991。
34.表1
35.制备方法抗冲击强度mpa耐腐蚀性过滤效率%实施例14938级99.99实施例25318级99.99实施例35549级99.99对比例14377级99.99对比例24869级0对比例34429级87.72对比例45229级22.43对比例54628级74.31对比例64196级99.99
对比例74227级99.99表1中对比例1-7是在实施例3的实验参数内部调整实验工艺或者实验参数得到，从表1中的实施例1、2、3和对比例1实验数据比较可发现，将原料中的nb、co等成分去除后，抗冲击强度、耐腐蚀性轻微降低、过滤效率降低不明显，说明了这两种元素体对于合金材料的强度增强和耐腐蚀能力是具有增益效果的；从表1中的实施例1、2、3和对比例2实验数据比较可发现，将每层偏移度提高到100%后，抗冲击强度、耐腐蚀性降低不明显，过滤效率降低为0，说明了不合理的偏移率造成了上层直接将下层的孔洞堵住了，造成无法起到过滤的效果；从表1中的实施例1、2、3和对比例3实验数据比较可发现，对比例3中将每层的偏移率调整到0%后，过滤效果有降低，这是由于这种结构造成最上层与最下层形成了通孔的状态，最小有效过滤颗粒物尺寸为最底层孔洞尺寸，因此造成了过滤效率的降低；从表1中的实施例1、2、3和对比例4实验数据比较可发现，对比例4中每层孔洞递减率和偏移率均降为0后，抗冲击强度降低、耐腐蚀性降低不明显、过滤效率降低明显，说明了这种改变造成材料直接变成了由4mm孔洞组成的通孔，无法过滤4mm以下的颗粒物，而这种结构也降低了材料本身的强度性能；从表1中的实施例1、2、3和对比例5实验数据比较可发现，对比例5中将每层孔洞的递减率调整到10%，将次一层孔隙率调整到上一层的90%后，这造成了最上层与最下层的孔洞数量是一致的，虽然也有一定的过滤能力，但是过滤的效率存在降低；从表1中的实施例1、2、3和对比例6实验数据比较可发现，对比例6中当不进行碳的固溶和析出操作后，抗冲击强度降低明显、耐腐蚀性降低明显、过滤效率降低不明显，说明了表面制备的石墨烯对于镍基合金的抗腐蚀能力是有益的，而材料表面扩散的碳也有利于材料表面强度的提高；从表1中的实施例1、2、3和对比例7实验数据比较可发现，对比例7中当降低碳固溶后的冷却速度后，抗冲击强度降低明显、耐腐蚀性降低明显、过滤效率降低不明显，这是由于降低降温速度后，大量的碳固溶在镍基合金内部，造成内部缺陷的提高，而过量的碳也无法从表面有效的析出，因此造成了强度和耐腐蚀能力的降低。
36.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
℃，保温时间20-60 min。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，碳固溶-析出的工艺，包括:将加热后的螺旋梯度多孔合金粗胚在高温状态下进行急冷制备得到表面石墨烯，冷却速度大于50-100 ℃/s。

技术总结
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种耐腐蚀、高过滤的高温镍基合金多级过滤器制备方法。制备工艺选用激光选区熔化工艺得到螺旋梯度多孔结构材料，螺旋梯度多孔结构的孔隙大小由上往下递减，每层孔洞直径尺寸递减率为x（x＜100%），每层孔洞与上一层偏移率为y（0%＜y＜1-x），通过调整梯度多孔结构不同位置的组分与激光成形工艺参数，以调整梯度多孔结构不同位置的耐腐蚀性与强度，最终成品材料包括高强度区，中强度、中耐腐蚀区，高耐腐蚀区三个区间。本发明设计多孔结构材料具有孔径、成分、微观组织梯度特性，可实现强度和耐腐蚀性的梯度，以满足复杂服役工况的多功能需求。以满足复杂服役工况的多功能需求。以满足复杂服役工况的多功能需求。


技术研发人员：王迪 刘振宇 刘林青 骆婉婷 李扬 黄焱明 唐锦荣
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.09.04
技术公布日：2023/10/11