一种蜂窝结构合金材料及其应用的制作方法

本发明涉及触媒转化器技术领域，尤其涉及一种蜂窝结构合金材料及其应用。

背景技术：

汽车尾气净化器中的触媒转化器是蜂窝状过滤器，负责将尾气中的有害气体(HC、CO、NO_X)转化为无害的H₂O、CO₂、N₂，主要的性能要求是足够的比表面积、强度、抗氧化、抗腐蚀、以及耐高温性。汽车尾气净化器对我国环保及雾霾控制起着至关重要的作用，每年该产品的市场价值约30亿元人民币。

由于蜂窝网孔密集，传统制备金属基触媒转化器方法主要是采用合金薄片卷叠工艺制备，需要先将合金轧制成薄片，要求合金有极高的延展性，因此极大限制了合金成分设计的自由度，限制蜂窝状合金材料与汽车尾气的接触面积。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蜂窝结构合金材料及其应用，该蜂窝结构合金材料具有较大的比表面积。

本发明提供了一种蜂窝结构合金材料，由以下方法制得：

a)、将颗粒平铺后，得到当前层，所述颗粒选自Fe-Cr-Al合金、Ni-Cr合金或Fe-Mo-W合金；

b)、采用激光束将所述当前层按照预设当前层的蜂窝结构截面轮廓进行扫描，使颗粒烧结，得到截面层；

c)、在所述截面层上再次平铺颗粒重复步骤a)和步骤b)，直至得到预设形状的蜂窝结构合金材料。

优选地，所述Fe-Cr-Al合金中Cr的质量含量大于等于5％且小于80％，和Al的质量含量大于等于5％且小于80％；

所述Ni-Cr合金中Cr的质量含量大于等于10％且小于80％；

所述Fe-Mo-W合金中Mo的质量含量大于等于10％且小于等于60％，和W的质量含量大于等于5％且小于等于60％。

优选地，所述步骤b)中蜂窝结构截面轮廓中的蜂窝结构的形状为三角形、方形、六角形或圆形。

优选地，所述步骤a)颗粒选自Fe-20Cr-20Al合金、Ni-35Cr合金或Fe-30Mo-20W合金。

优选地，所述蜂窝结构合金材料的孔隙尺寸为600～2400。

优选地，所述步骤b)中烧结的温度为1250℃～1950℃。

优选地，所述步骤b)中激光束的功率为100～1500W。

优选地，所述步骤b)中扫描的间距为0.005～0.07mm；所述扫描的速度为50～1200mm/s。

优选地，所述步骤a)中颗粒的粒度为1～50微米。

本发明提供了一种上述技术方案所述蜂窝结构合金材料在汽车尾气净化器中的应用。

本发明提供了一种蜂窝结构合金材料，由以下方法制得：a)、将颗粒平铺后，得到当前层，所述颗粒选自Fe-Cr-Al合金、Ni-Cr合金或Fe-Mo-W合金；b)、采用激光束将所述当前层按照预设当前层的蜂窝结构截面轮廓进行扫描，使颗粒烧结，得到截面层；c)、在所述截面层上再次平铺颗粒重复步骤a)和步骤b)，直至得到预设形状的蜂窝结构合金材料。本发明将Fe-Cr-Al合金、Ni-Cr合金或Fe-Mo-W合金按照预设的蜂窝结构的孔隙形状、尺寸以及分布，结合激光选区熔化3D打印法，一步到位打印具有规则立体孔隙通道分布的蜂窝结构合金材料。该蜂窝结构合金材料的制备方法可自由设计蜂窝几何形状、尺寸和分布，实现更大的比表面积，力求达到与尾气接触面积的最大化。实验结果表明：该蜂窝结构合金材料的比表面积最大可达到62cm²/cm³；蜂窝结构的孔壁厚度可达到50.8微米；蜂窝每平方英寸蜂窝孔数可达到2400目。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的截面层的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例2制备的截面层的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例3制备的截面层的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种蜂窝结构合金材料，由以下方法制得：

a)、将颗粒平铺后，得到当前层，所述颗粒选自Fe-Cr-Al合金、Ni-Cr合金或Fe-Mo-W合金；

b)、采用激光束将所述当前层按照预设当前层的蜂窝结构截面轮廓进行扫描，使颗粒烧结，得到截面层；

c)、在所述截面层上再次平铺颗粒重复步骤a)和步骤b)，直至得到预设形状的蜂窝结构合金材料。

本发明将Fe-Cr-Al合金、Ni-Cr合金或Fe-Mo-W合金按照预设的蜂窝结构的孔隙形状、尺寸以及分布，结合激光选区熔化3D打印法，一步到位打印具有规则立体孔隙通道分布的蜂窝结构合金材料。该方法可自由设计蜂窝几何形状、尺寸和分布，实现更大的比表面积，力求达到与尾气接触面积的最大化。另外，该蜂窝结构合金材料具有优异的抗氧化性和耐腐蚀性。

本发明将颗粒平铺后，得到当前层，所述颗粒选自Fe-Cr-Al合金、Ni-Cr合金或Fe-Mo-W合金。在本发明中，所述颗粒优选为球形或类球形；所述颗粒的粒度优选为1～50微米，更优选为2～30微米。本发明优选采用熔融雾化造粒的方法制备颗粒。所述Fe-Cr-Al合金的制备方法优选包括：将铁、铬和铝混合熔融，雾化造粒，得到Fe-Cr-Al合金。所述Ni-Cr合金的制备方法优选包括：将镍和铬混合熔融，雾化造粒，得到Ni-Cr合金。所述Fe-Mo-W合金的制备方法优选包括：将铁、钼和钨混合熔融，雾化造粒，得到Fe-Mo-W合金。

在本发明中，所述Fe-Cr-Al合金中Cr的质量含量优选大于等于5％且小于80％，和Al的质量含量大于等于5％且小于80％；在本发明具体实施例中，所述Fe-Cr-Al合金具体为Fe-20Cr-20Al合金。

在本发明中，所述Ni-Cr合金中Cr的质量含量优选大于等于10％且小于80％；在本发明具体实施例中，所述Ni-Cr合金具体为Ni-35Cr合金。

在本发明中，所述Fe-Mo-W合金中Mo的质量含量优选大于等于10％且小于等于60％，和W的质量含量大于等于5％且小于等于60％；在本发明的具体实施例中，所述Fe-Mo-W合金具体为Fe-30Mo-20W合金。

本发明提供的方法可以改进常规合金成分，最大限度提高其制备的蜂窝结构合金材料的抗氧化性和耐腐蚀性，不必考虑合金的延展性问题。

得到当前层后，本发明采用激光束将所述当前层按照预设当前层的蜂窝结构截面轮廓进行扫描，使颗粒烧结，得到截面层。在本发明中，所述蜂窝结构截面轮廓中的蜂窝结构的形状优选为三角形、方形、六角形或圆形。在本发明中，所述激光束的功率优选为100～1500W，更优选为375～425W。所述扫描的间距优选为0.005～0.07mm；所述扫描的速度优选为50～1200mm/s。所述烧结的温度优选为1250℃～1950℃。

得到截面层后，本发明在所述截面层上再次平铺颗粒重复步骤a)和步骤b)，直至得到预设形状的蜂窝结构合金材料。

在本发明中，所述蜂窝结构合金材料的每平方英寸蜂窝孔数优选为600～2400，更优选为900～2400；在具体实施例中，所述蜂窝结构合金材料的每平方英寸蜂窝孔数为600，900，2400。所述蜂窝结构合金材料的蜂窝结构的孔壁厚度可以达到微米级别；优选小于等于35微米。本发明优选采用三维绘图软件设计蜂窝结构材料的孔隙形状，尺寸以及分布。

本发明提供的蜂窝结构合金材料的蜂窝几何形状、尺寸可以自由设计，力求达到与尾气的接触面积、转化效率的最优化；采用的制备蜂窝结构合金材料的原料包括不锈钢系列、抗氧化的高温合金系列和耐热合金系列。

本发明提供了一种上述技术方案所述蜂窝结构合金材料在汽车尾气净化器中的应用。本发明提供的蜂窝结构合金材料在汽车尾气净化器中作为触媒转化器负责将尾气中的有害气体(HC、CO、NO_X)转化为无害的H₂O、CO₂、N₂。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种蜂窝结构合金材料及其应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将质量比为60：20：20的铁、铬和铝混合熔融，雾化造粒，得到平均粒度为40微米的球形或近球形的Fe-20Cr-20Al合金颗粒；

a)、将Fe-20Cr-20Al合金平铺后形成当前层；

b)、采用功率为375～425W激光束按照预设的当前层截面轮廓进行扫描，扫描的间距为0.06mm，扫描的速度为1000mm，所述蜂窝结构截面轮廓中的蜂窝结构的形状为三角形，使球形或近球形颗粒1250℃～1950℃下烧结，形成截面层，截面层的剖面图，如图1所示，图1为本发明实施例1制备的截面层的剖面结构示意图；由图1可以看出：截面层的蜂窝结构为三角形。

c)、在截面层上再次平铺球形或近球形颗粒重复上述步骤a)～步骤b)的操作过程，直至得到预设形状的蜂窝结构合金材料。

本发明对实施例1制备的蜂窝结构合金材料的性能参数进行测试，测试结果见表1，表1为本发明实施例1～3制备的蜂窝结构合金材料的性能参数：

表1本发明实施例1～3制备的蜂窝结构合金材料的性能参数

本发明实施例1制备的蜂窝结构合金材料在汽车尾气净化器中的应用，在汽车尾气净化器中作为触媒转化器负责将尾气中的有害气体(HC、CO、NO_X)转化为无害的H₂O、CO₂、N₂。

实施例2

将质量比为65：35的镍和铬混合，雾化造粒，得到平均粒度为30微米的球形或近球形的Ni-35Cr合金颗粒；

a)、将Ni-35Cr合金平铺后形成当前层；

b)、采用功率为375～425W激光束按照预设的当前层截面轮廓进行扫描，扫描的间距为0.05mm，扫描的速度为1200mm，所述蜂窝结构截面轮廓中的蜂窝结构的形状为圆形，使球形或近球形颗粒1250℃～1950℃下烧结，形成截面层；截面层的剖面图，如图2所示，图2为本发明实施例2制备的截面层的剖面结构示意图；由图2可以看出：截面层的蜂窝结构为圆形；

c)、在截面层上再次平铺球形或近球形颗粒重复上述步骤a)～步骤b)的操作过程，直至得到预设形状的蜂窝结构合金材料。

本发明对实施例2制备的蜂窝结构合金材料的性能参数进行测试，测试结果见表1。

本发明实施例2制备的蜂窝结构合金材料在汽车尾气净化器中的应用，在汽车尾气净化器中作为触媒转化器负责将尾气中的有害气体(HC、CO、NO_X)转化为无害的H₂O、CO₂、N₂。

实施例3

将质量比为50：30：20的铁、钼和钨混合，雾化造粒，得到平均粒度为25微米的球形或近球形的Fe-30Mo-20W合金颗粒；

a)、将Fe-30Mo-20W合金平铺后形成当前层；

b)、采用功率为375～425W激光束按照预设的当前层截面轮廓进行扫描，扫描的间距为0.07mm，扫描的速度为1100mm，所述蜂窝结构截面轮廓中的蜂窝结构的形状为六角形，使球形或近球形颗粒1250℃～1950℃下烧结，形成截面层；截面层的剖面图，如图3所示，图3为本发明实施例3制备的截面层的剖面结构示意图；由图3可以看出：截面层的蜂窝结构为六角形；

c)、在截面层上再次平铺球形或近球形颗粒重复上述步骤a)～步骤b)的操作过程，直至得到预设形状的蜂窝结构合金材料。

本发明对实施例3制备的蜂窝结构合金材料的性能参数进行测试，测试结果见表1。

本发明实施例3制备的蜂窝结构合金材料在汽车尾气净化器中的应用，在汽车尾气净化器中作为触媒转化器负责将尾气中的有害气体(HC、CO、NO_X)转化为无害的H₂O、CO₂、N₂。

由以上实施例可知，本发明提供了一种蜂窝结构合金材料，由以下方法制得：a)、将颗粒平铺后得到当前层，所述颗粒选自Fe-Cr-Al合金、Ni-Cr合金或Fe-Mo-W合金；b)、采用激光束将所述当前层按照预设当前层的蜂窝结构截面轮廓进行扫描，使颗粒烧结，得到截面层；c)、在所述截面层上再次平铺颗粒重复步骤a)和步骤b)，直至得到预设形状的蜂窝结构合金材料。本发明将Fe-Cr-Al合金、Ni-Cr合金或Fe-Mo-W合金按照预设的蜂窝结构的孔隙形状、尺寸以及分布，结合激光选区熔化3D打印法，一步到位打印具有规则立体孔隙通道分布的蜂窝结构合金材料。该方法可自由设计蜂窝几何形状、尺寸和分布，实现更大的比表面积，力求达到与尾气接触面积的最大化。另外，该蜂窝结构合金材料具有优异的抗氧化性和耐腐蚀性。实验结果表明：该蜂窝结构合金材料的比表面积最大为62cm²/cm³；蜂窝结构的孔壁厚度为50.8微米；蜂窝每平方英寸蜂窝孔数可达到2400。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。