一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法与流程

本发明属于多孔金属材料加工技术领域，具体涉及一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法。

背景技术：

多孔陶瓷管作为最早应用的多孔过滤管由于其良好的耐高温、耐腐蚀性能，已经有了较广的应用。但多孔陶瓷管自身的热脆性加之抗热振性和压力冲击强度较差，无法保证其在使用过程中的可靠性，这严重限制了多孔陶瓷管的发展。近些年来，多孔金属管由于良好的耐温性和优良的机械性能，同时良好的韧性和导热性使其具有很好的抗热、抗震性，此外，多孔金属管还具有良好的加工性能，引起了国内外科研工作者的广泛关注。

目前，国内多孔金属管主要分为两种结构，分别为焊接法兰结构(如图1所示)和带法兰整体式结构(如图2所示)。实际使用过程中发现，焊接法兰结构的多孔金属管在强酸、高温、强碱等腐蚀性工况条件下，由于多孔金属与致密金属接触的焊缝处应力集中和材质结构的差异等原因，焊缝处容易出现腐蚀和多孔金属开裂等问题。虽然带法兰整体式多孔金属管很好的解决了焊接法兰结构的焊缝缺陷问题，但是过滤介质传输速率的不稳定性和过滤介质在过滤罐中的搅动，使得过滤管的法兰部分和过滤罐中花板会发生连续磕碰。因为带法兰整体式多孔金属管中多孔结构法兰强度没有致密金属强度高，所以多孔结构的法兰在连续碰撞中会产生细小裂纹。这些细小裂纹在过滤介质连续冲刷过程中，会导致多孔金属管在法兰部位彻底断裂。因此焊接法兰结构和带法兰整体式结构的两种结构多孔金属管都难以满足现代工业使用寿命的要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法。该制备方法解决了以往焊接法兰和带法兰整体式两种结构的金属膜在服役中由于焊缝处应力集中和材质差异容易出现断裂、焊缝处腐蚀开裂等问题，通过扩散烧结的方式在致密金属管头于多孔金属管体连接，增强了连接的强度，延长了多孔金属管在高温、高压和强腐蚀环境中的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法，其特征在于，该致密金属法兰多孔金属管包括多孔金属管体、致密金属管头和致密金属法兰，所述致密金属管头设置在多孔金属管体的一端，所述致密金属管头与多孔金属管体的连接面均为环斜面，所述致密金属法兰安装在所述致密金属管头上，所述多孔金属管体、致密金属管头和致密金属法兰的材质相同，该方法包括以下步骤：

步骤一、按照图纸要求采用致密金属材料加工致密金属管头和致密金属法兰，所述致密金属管头和致密金属法兰为分体式结构或者一体式结构；

步骤二、当致密金属管头和致密金属法兰为分体式结构时，将致密金属管头置于压制模具中，当致密金属管头和致密金属法兰为一体式结构时，则将致密金属管头和致密金属法兰均置于压制模具中，然后在致密金属管头上方的压制模具腔内填充金属粉末，装填好金属粉末后置于冷等静压机中进行压坯成型，得到管坯料；

步骤三、将步骤二中所述管坯料放入烧结模具中，并在烧结模具与管坯料的空隙处填充陶瓷填料，使陶瓷填料完全包覆管坯料，然后进行烧结处理，得到致密金属法兰多孔金属管。

上述的一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法，其特征在于，所述多孔金属管体、致密金属管头和致密金属法兰的材质均为不锈钢、钛、镍、钛合金、镍合金或FeAl合金。

上述的一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法，其特征在于，所述多孔金属管体的孔隙率为20％～40％。

上述的一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末的粒度为60μm～120μm。

上述的一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法，其特征在于，步骤二中所述压坯成型的压力为140吨。

上述的一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法，其特征在于，步骤三中所述烧结处理的温度为900℃～1350℃，所述烧结处理的时间为1h～3h。

上述的一种致密金属法兰多孔金属管的制备方法，其特征在于，步骤三中所述陶瓷填料为TiO₂陶瓷填料、ZrO₂陶瓷填料或Al₂O₃陶瓷填料。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明制备工艺流程简单，生产成本低廉，对生产设备的要求较低，适于大规模工业化生产。

2、本发明的方法克服了现有技术中焊接法兰和带法兰整体式两种结构的金属膜在服役中由于焊缝处应力集中和材质差异容易出现断裂、焊缝处腐蚀开裂等问题，通过扩散烧结的方式使致密金属管头与多孔金属管体连接，增强了两者之间连接的强度，延长了多孔金属管在高温、高压和强腐蚀环境中的使用寿命。

3、本发明烧结的多孔金属管体的孔隙率为20％～40％，具有良好的透气系数，并且应用于过滤气体粉尘时，过滤效率高达99％以上。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1是现有技术焊接法兰结构的多孔金属管的结构示意图。

图2是现有技术带法兰整体式结构的多孔金属管的结构示意图。

图3是本发明实施例1～3的致密金属法兰多孔金属管的结构示意图。

图4是本发明实施例4的致密金属法兰多孔金属管的结构示意图。

附图标记说明:

1—多孔金属管体；2—致密金属管头；3—致密金属法兰。

具体实施方式

实施例1

如图3所示，本实施例的致密金属法兰多孔金属管包括多孔金属管体1、致密金属管头2和致密金属法兰3，所述致密金属管头2设置在多孔金属管体1的一端，所述致密金属管头2与多孔金属管体1的连接面均为环斜面，所述致密金属法兰3安装在所述致密金属管头2上，所述多孔金属管体1、致密金属管头2和致密金属法兰3的材质均为Monel400合金；

制备该致密金属法兰多孔金属管的方法包括以下步骤：

步骤一、按照图纸要求采用Monel400合金材料加工致密金属管头2和致密金属法兰3，所述致密金属管头2和致密金属法兰3为一体式结构；

步骤二、将致密金属管头2和致密金属法兰3均置于压制模具中，然后在致密金属管头2上方的压制模具腔内填充Monel400粉末，装填好Monel400粉末后置于冷等静压机中进行压坯成型，得到管坯料；压坯成型的压力为140吨；所述金属粉末的粒度为90μm；

步骤三、将步骤二中所述管坯料放入烧结模具中，并在烧结模具与管坯料的空隙处填充TiO₂陶瓷填料，使TiO₂陶瓷填料完全包覆管坯料，然后在温度为1250℃的条件下烧结处理2h，得到致密金属法兰多孔金属管，所述多孔金属管体1的孔隙率为33％。

依据国家标准GB/T 5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试样孔径的测定”测得本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管的最大孔径为19μm，相对透气系数为110m³/m²·h·kPa。依据国际标准BS ISO 11155-2:2009“乘客舱内空气过滤器”测得本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管对于粒径不小于1.5μm的气体粉尘的过滤效率可高达99.5％以上。本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管与法兰的连接处的拉伸强度为43MPa，而同样材质和结构的焊接法兰多孔金属管相同位置处的拉伸强度只有24MPa，说明本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管的拉伸强度得以大幅提高。

实施例2

如图3所示，本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管包括多孔金属管体1、致密金属管头2和致密金属法兰3，所述致密金属管头2设置在多孔金属管体1的一端，所述致密金属管头2与多孔金属管体1的连接面均为环斜面，所述致密金属法兰3安装在所述致密金属管头2上，所述多孔金属管体1、致密金属管头2和致密金属法兰3的材质均为316L不锈钢，制备所述致密金属法兰多孔金属管的方法包括以下步骤：

步骤一、按照图纸要求采用316L不锈钢材料加工致密金属管头2和致密金属法兰3，所述致密金属管头2和致密金属法兰3为一体式结构；

步骤二、将致密金属管头2和致密金属法兰3均置于压制模具中，然后在致密金属管头2上方的压制模具腔内填充316L不锈钢粉末，装填好316L不锈钢粉末后置于冷等静压机中进行压坯成型，得到管坯料；压力为140吨；所述316L不锈钢粉末的粒度为63μm。

步骤三、将步骤二中所述管坯料放入烧结模具中，并在烧结模具与管坯料的空隙处填充ZrO₂陶瓷填料，使ZrO₂陶瓷填料完全包覆管坯料，然后在温度为1270℃的条件下烧结处理2h，得到致密金属法兰多孔金属管；所述多孔金属管体1的孔隙率为29％。

依据国家标准GB/T 5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试样孔径的测定”测得本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管的最大孔径为16μm，相对透气系数为96m³/m²·h·kPa。依据国际标准BS ISO 11155-2:2009“乘客舱内空气过滤器”测得本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管对于粒径不小于1μm的气体粉尘的过滤效率可高达99.5％以上。本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管与法兰的连接处的拉伸强度为55MPa，而同样材质和结构的焊接法兰多孔金属管相同位置处的拉伸强度只有28MPa，说明本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管的拉伸强度得以大幅提高。

实施例3

如图3所示，本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管包括多孔金属管体1、致密金属管头2和致密金属法兰3，所述致密金属管头2设置在多孔金属管体1的一端，所述致密金属管头2与多孔金属管体1的连接面均为环斜面，所述致密金属法兰3安装在所述致密金属管头2上，所述多孔金属管体1、致密金属管头2和致密金属法兰3的材质均为纯Ti，制备所述致密金属法兰多孔金属管的方法包括以下步骤：

步骤一、按照图纸要求采用纯Ti材料加工致密金属管头2和致密金属法兰3，所述致密金属管头2和致密金属法兰3为一体式结构；

步骤二、将致密金属管头2和致密金属法兰3均置于压制模具中，然后在致密金属管头2上方的压制模具腔内填充金属Ti粉末，装填好金属Ti粉末后置于冷等静压机中进行压坯成型，得到管坯料；所述金属Ti粉末的粒度为60μm；

步骤三、将步骤二中所述管坯料放入烧结模具中，并在烧结模具与管坯料的空隙处填充ZrO₂陶瓷填料，使ZrO₂陶瓷填料完全包覆管坯料，然后在温度为900℃的条件下烧结处理3h，得到致密金属法兰多孔金属管；所述多孔金属管体1的孔隙率为26％。

依据国家标准GB/T 5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试样孔径的测定”测得本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管的最大孔径为13μm，相对透气系数为20m³/m²·h·kPa。依据国际标准BS ISO 11155-2:2009“乘客舱内空气过滤器”测得本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管对于粒径不小于0.3μm的气体粉尘的过滤效率可高达99％以上。本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管与法兰的连接处的拉伸强度为43MPa，而同样材质和结构的焊接法兰多孔金属管相同位置处的拉伸强度只有26MPa，说明本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管的拉伸强度得以大幅提高。

实施例4

如图4所示，本实施例的致密金属法兰多孔金属管包括多孔金属管体1、致密金属管头2和致密金属法兰3，所述致密金属管头2设置在多孔金属管体1的一端，所述致密金属管头2与多孔金属管体1的连接面均为环斜面，所述致密金属法兰3安装在所述致密金属管头2上，所述多孔金属管体1、致密金属管头2和致密金属法兰3的材质均为316L不锈钢；制备所述致密金属法兰多孔金属管的方法包括以下步骤：

步骤一、按照图纸要求采用316L不锈钢材料加工致密金属管头2和致密金属法兰3，所述致密金属管头2和致密金属法兰3为分体式结构；

步骤二、将致密金属管头2置于压制模具中，然后在致密金属管头2上方的压制模具腔内填充316L不锈钢金属粉末，装填好316L不锈钢金属粉末后置于冷等静压机中进行压坯成型，得到管坯料；所述316L不锈钢的粒度为120μm；

步骤三、将步骤二中所述管坯料放入烧结模具中，并在烧结模具与管坯料的空隙处填充Al₂O₃陶瓷填料，使Al₂O₃陶瓷填料完全包覆管坯料，然后在温度为1350℃的条件下烧结处理1h，最后再采用焊接的方式将致密金属法兰3与致密金属管头2连接，得到致密金属法兰多孔金属管；所述多孔金属管体1的孔隙率为36％。

依据国家标准GB/T 5249-1985“可渗透性烧结金属材料、气泡试样孔径的测定”测得本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管的最大孔径为40μm，相对透气系数为120m³/m²·h·kPa。依据国际标准BS ISO 11155-2:2009“乘客舱内空气过滤器”测得本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管对于粒径不小于20μm的气体粉尘的过滤效率可高达99％以上。本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管与法兰的连接处的拉伸强度为73MPa，而同样材质和结构的焊接法兰多孔金属管相同位置处的拉伸强度只有52MPa，说明本实施例制备的致密金属法兰多孔金属管的拉伸强度得以大幅提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。