目前，國內(nèi)鋁加工企業(yè)主要采用旋轉(zhuǎn)噴吹工藝凈化鋁熔體，除氫凈化裝置的關(guān)鍵部件是石墨轉(zhuǎn)子。鋁合金精煉期間，惰性氣體經(jīng)石墨轉(zhuǎn)軸中心通孔流入高速旋轉(zhuǎn)的石墨轉(zhuǎn)子噴嘴，由噴嘴以細(xì)小氣泡形式射入鋁熔體。氣泡螺旋上升過程中，利用分壓差攜帶鋁熔體中的氫和渣，上浮至液面。扒渣去除后，即可實(shí)現(xiàn)凈化的目的。通常來說，氣泡越小，鋁熔體凈化效果越好。然而，受到現(xiàn)有加工技術(shù)水平的限制，傳統(tǒng)石墨轉(zhuǎn)子的噴嘴孔徑較大（≧1 mm），不利于氣體熔劑（N2或Ar等）的分散和破碎細(xì)化，導(dǎo)致鋁熔體中氫含量偏高≧0.12 ～ 30.15 cm/100g·Al，引起鋁制品性能惡化。

針對石墨轉(zhuǎn)子噴嘴尺寸、分布位置、數(shù)量、孔道結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，研制一種由相互聯(lián)結(jié)桿件構(gòu)成的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨后，將該多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為造孔模板，填充入石墨與瀝青的混合粉中，等靜壓制成致密的石墨圓柱坯料。焙燒和石墨化后，去除模板（多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)），可在石墨圓柱內(nèi)部形成孔隙壁面，從而實(shí)現(xiàn)造孔功能。最后，去除石墨圓柱多余部分，獲得的石墨轉(zhuǎn)子因組織致密，而兼具優(yōu)異力學(xué)性能及微小噴嘴的結(jié)構(gòu)。

用于承擔(dān)在石墨轉(zhuǎn)子內(nèi)部“造孔”功能的模板，屬于一種大尺寸精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需要具有如下特征：結(jié)構(gòu)排列周期有序，布局可裁減，尺寸均一，大小宏微觀可精準(zhǔn)調(diào)控，穩(wěn)定性和剛度優(yōu)異，與石墨材料有較好的相容性。雖然，傳統(tǒng)模板法也可制備出具有一定孔隙體積占比和力學(xué)性能的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是其存在以下弊端：1）難以依據(jù)石墨轉(zhuǎn)子噴嘴尺寸、分布位置、數(shù)量等特征，精確加工出具有特定孔隙體積占比和孔徑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；2）整體剛性差等不足。

為了提高鋁熔體除氫的效率，需要制備出一種具有較高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)的造孔模板，以滿足石墨轉(zhuǎn)子對更小噴嘴孔徑的需求。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：為突破傳統(tǒng)加工方法制造微小噴嘴石墨轉(zhuǎn)子的技術(shù)瓶頸，提供一種兼顧“造孔”與力學(xué)性能要求的用于制備有序多孔石墨轉(zhuǎn)子的模板結(jié)構(gòu)及采用3D技術(shù)成型的方法。

解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：一種用于制備有序多孔石墨轉(zhuǎn)子的模板結(jié)構(gòu)，包括主干、環(huán)形鏤空體和多組枝干，所述主干從上往下依次由頂空心圓柱、N個中間空心圓柱和底空心圓柱套裝構(gòu)成，N為13，所述頂空心圓柱和中間空心圓柱內(nèi)開有上小下大的階梯孔，階梯孔下端內(nèi)壁設(shè)置有定位凸柱，所述底空心圓柱內(nèi)開有等徑孔，頂空心圓柱的底面開有用于安裝枝干的半圓安裝槽，所述中間空心圓柱和底空心圓柱是由上小空心圓柱和下大空心圓柱構(gòu)成，上小空心圓柱外壁上設(shè)置有定位凹柱，中間空心圓柱的下大空心圓柱的頂面和底面以及底空心圓柱的下大空心圓柱的頂面開有用于安裝枝干的半圓安裝槽，上小空心圓柱上開有與下大空心圓柱頂面上的半圓安裝槽連通的連通孔。

本發(fā)明另一技術(shù)方案是：一種采用3D技術(shù)成型上述模板結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

步驟一、環(huán)形鏤空體和枝干均采用金屬材質(zhì)的粉體制備，選擇光敏樹脂作為成型主干的材料。

步驟二、以石墨轉(zhuǎn)子外徑dgra及0.75dgra的尺寸為直徑繪制圓環(huán)，石墨轉(zhuǎn)子扇形葉片輪廓與圓環(huán)相交，所形成的區(qū)域視為環(huán)形鏤空體所處的區(qū)域。

步驟三、依據(jù)下述公式計算石墨圓柱的孔隙體積占比Φ：

Φ =模板結(jié)構(gòu)的體積Vpore/石墨圓柱實(shí)體的體積Ventity

其中，模板結(jié)構(gòu)的體積Vpore =主干熱解碳化后形成的空腔體積+環(huán)形鏤空體體積+枝干體積，孔隙體積占比Φ要求為0.02～ 0.05。

步驟四、金屬粉末預(yù)處理

用陶瓷器皿承裝粒徑為1553μm的金屬粉末，隨后，將陶瓷器皿放入真空烘箱，加熱至373K保溫2h，將烘干的金屬粉末取出，用200280目篩網(wǎng)篩分后，備用。

步驟五、金屬3D打印準(zhǔn)備

采用粉末床激光熔化金屬3D打印設(shè)備成型環(huán)形鏤空體和枝干，將鈦合金基板材質(zhì)噴砂處理后，安裝入成型缸，接著，成型缸下降一個層厚，供粉缸則相應(yīng)地上升一個層厚，刮刀將供粉缸的粉末刮至成型缸內(nèi)，在基板表面均勻鋪上一層的金屬粉末，多余的粉末刮至回收缸，隨后，基板預(yù)熱至330350K，將高純Ar氣通入成型室內(nèi)，同時，控制成型室內(nèi)含氧量低于0.1%。

步驟六、環(huán)形鏤空體和枝干的金屬3D成型參數(shù)

將環(huán)形鏤空體和枝干的三維模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行切片、路徑規(guī)劃和打印參數(shù)處理，制作可以加工的數(shù)據(jù)工程，針對環(huán)形鏤空體和枝干的細(xì)小特征，工藝參數(shù)為：激光掃描功率200 ～ 300W；光斑直徑80 ～ 100 μm；掃描速度800 ～ 1500mm/s；掃描間距為 100μm；層厚30 ～ 60μm。

步驟七、金屬3D成型環(huán)形鏤空體和枝干

待設(shè)備氧含量、基板溫度、惰性氣體等參數(shù)達(dá)到設(shè)定的條件后，點(diǎn)擊開始按鈕啟動打印，在掃描振鏡的控制下，激光束依據(jù)環(huán)形鏤空體和枝干的當(dāng)前層截面形狀進(jìn)行快速掃描金屬粉末，使其熔化凝固形成熔覆層，隨著，環(huán)形鏤空體和枝干的當(dāng)前層掃描完畢，鈦合金基板下降一個層厚，供粉缸相應(yīng)地上升一個層厚，由刮刀在基板上再次鋪一層金屬粉末，然后進(jìn)行環(huán)形鏤空體和枝干的下一層掃描，重復(fù)上述過程，直至環(huán)形鏤空體和枝干成型結(jié)束。

步驟八、環(huán)形鏤空體和枝干的后處理

將環(huán)形鏤空體和枝干放入真空爐中加熱至923 ～ 1123K保溫2 ～ 4h，以消除內(nèi)部應(yīng)力，隨爐空冷后，取出，將環(huán)形鏤空體和枝干從基板上切除分離。

步驟九、主干光固化的成型參數(shù)

將主干的空心階梯圓柱三維模型轉(zhuǎn)化為 STL 格式的文件導(dǎo)出，接著，采用切片軟件對該STL 文件的模型進(jìn)行切片處理，獲得主干的截面層數(shù)據(jù)，再將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入SLA光固化打印機(jī)系統(tǒng)，由系統(tǒng)設(shè)計掃描路徑，并精確控制激光掃描器和升降臺的運(yùn)動軌跡，工藝參數(shù)為：輪廓掃描速度8000mm/s；填充掃描速度2000mm/s；支撐掃描速度2000mm/s；跳跨速度30000mm/s；工作臺進(jìn)給速度5mm/s。

步驟十、光固化成型主干

通過掃描器將激光光束按設(shè)計的掃描路徑投射到液態(tài)光敏樹脂中，使特定區(qū)域的樹脂固化形成主干的一個截面層；隨后，升降臺下降一個截面層厚，并使樹脂流動覆蓋在固化層上，再由激光固化主干的下一個截面層；反復(fù)上述流程，直至層層疊加構(gòu)成主干實(shí)體。

步驟十一、裝配

依次將金屬材質(zhì)枝干與金屬材質(zhì)環(huán)形鏤空體、光敏樹脂主干進(jìn)行組裝，即可獲得異質(zhì)材料耦合的“軸樹”模板結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 石墨轉(zhuǎn)子內(nèi)部造孔的模板及采用3D技術(shù)成型模板的制備方法是結(jié)合了造孔的大尺寸精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、采用金屬材質(zhì)及3D技術(shù)成型大尺寸精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、采用光敏樹脂CUV 9400材質(zhì)及光固化技術(shù)成型模板組件，以消除后續(xù)石墨復(fù)合材料制備過程中的熱應(yīng)力。
• 本發(fā)明制備的模板結(jié)構(gòu)具有較高強(qiáng)度，且基于石墨轉(zhuǎn)子噴孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用樹狀結(jié)構(gòu)單元對石墨材料內(nèi)部進(jìn)行填充，達(dá)到了精準(zhǔn)調(diào)控石墨轉(zhuǎn)子噴孔的孔間距、孔徑尺寸、開孔位置等目的，從而滿足了石墨轉(zhuǎn)子對更小噴嘴孔徑的需求。
• 本發(fā)明制備的模板結(jié)構(gòu)與石墨材料復(fù)合后，可以采用酸腐蝕的方式方便地去除，從而獲得功能有序多孔石墨材料。