張改萍

西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院

（ZrO2/Al2O3）復(fù)相陶瓷內(nèi)襯管耐腐蝕性能研究

張改萍

西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院

采用SHS重力分離法，以10%ZrO2、2%SiO2、2%NaF為添加劑，制備（ZrO2/Al2O3）復(fù)相陶瓷內(nèi)襯管，研究空冷、水冷、爐冷及水平震動等外界環(huán)境對內(nèi)襯管微觀組織及物理力學(xué)性能的影響。實驗表明：不同外界環(huán)境下ZrO2以不同晶體形態(tài)存在于Al2O3晶粒之間，水平震動后Al2O3和ZrO2均出現(xiàn)碎化晶粒；相對空冷，其余方式處理后顯微硬度均略有增加；氣孔率在水冷方式后增加，其他方式均降低；水平震動方式對抗熱震性提升明顯；斷裂韌性在水平震動后小幅下降，其他處理方式下降顯著。

復(fù)相陶瓷；耐腐蝕；微觀組織；物理力學(xué)性能

引言

目前針對內(nèi)襯層增韌的復(fù)相陶瓷內(nèi)襯管研究基本都集中于通過改變ZrO2和其他添加劑的成分而改變內(nèi)襯管性能[2-5]，對其工藝參數(shù)的研究卻相對少見。本文選取添加劑為10%ZrO2、2%SiO2、2%NaF的鋁熱劑，通過實驗研究空冷、水冷、爐冷及水平震動等不同外界環(huán)境對內(nèi)襯管的微觀組織及顯微硬度、氣孔率、抗熱震性及斷裂韌性的影響。

1 試樣制備及實驗方法

1.1 試樣制備

實驗選擇Fe2O3-Al系鋁熱劑，F(xiàn)e2O3粉（純度≥99%，100目）與Al粉（純度≥99%，200目）重量比5：2，添加劑為10%ZrO（2純度≥99%，180目）、2%SiO（2純度≥99%，200目）、2%NaF（純度≥99%，200目）；選用20#無縫鋼管，規(guī)格為Φ20x100x2.2（mm），經(jīng)鹽酸酸洗除銹，NaOH堿液除油，烘干打磨后混料12小時；鋼管一端鋁箔封口，一端填充密度1.6g/cm3填料。

1.2 實驗方法

內(nèi)襯管在燃燒反應(yīng)剛剛結(jié)束后，處以空冷、水冷、爐冷及水平震動等不同外界環(huán)境?？绽浼丛诳諝庵凶匀焕鋮s；水冷即當(dāng)試樣底部的鋁箔剛剛?cè)鄞?，立即予以水淬；爐冷即試樣底部的鋁箔剛剛?cè)鄞r放入已升溫至1000℃的程式控制爐中，隨爐冷卻；水平震動即對剛引燃的內(nèi)襯管施以擺動頻率230次/min、擺動偏心距12mm的水平震動，在震動下完成反應(yīng)。在內(nèi)襯管下半部截取20mm試樣，經(jīng)砂輪除去毛刺，粗磨精磨之后檢測分析。

（1）微觀組織：日立s-4800掃描電子顯微鏡；

（2）硬度檢測：HX-1000TM型顯微硬度機，在200g力下對試樣加載12s，檢測其硬度；

（3）氣孔率測定：采用阿基米德排水法檢測；

（4）抗熱震性檢測

試樣放入已升溫至900℃的箱式電阻爐中，保溫10min，取出后迅速放入室溫水中急冷；經(jīng)干燥箱干燥后繼續(xù)放入電阻爐中重復(fù)加熱-水冷過程，以內(nèi)襯層出現(xiàn)宏觀裂紋的水冷次數(shù)評價。

（5）斷裂韌性檢測

采用維氏壓痕法，在試件表面加載200g或1000g的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力選擇在出現(xiàn)裂紋情況下的較小載荷，保持載荷12s，計算斷裂韌性。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀組織觀察

不同外界環(huán)境下內(nèi)襯管截面與空冷試樣對比，可以得出：

（1）水冷陶瓷層較厚且不均勻，塊狀凸起多，內(nèi)壁粗糙有少許紅色物質(zhì)，經(jīng)分析為多余的FeO或Fe2O3凝固形成的浮渣；

（2）爐冷陶瓷層較薄，表面氣孔率低；

3）水平震動內(nèi)襯管截面組織均勻細密，陶瓷層厚度相對較薄。

2.2 微觀組織觀察

利用SEM掃描電鏡對陶瓷層分析，微觀組織如圖1。

可以看出不同外界環(huán)境下內(nèi)襯層組織形態(tài)發(fā)生明顯變化：

（1）空冷后，Al2O3呈柱狀晶生長，其邊界平直，結(jié)構(gòu)緊湊，長徑比10～20，柱狀晶特征明顯，生長緩慢的ZrO2被先析出且Al2O3柱狀晶排擠到枝晶間隙，與NaF、SiO2等低熔點相凝固于柱狀晶邊界；

（2）水冷處理后，ZrO2以條絮狀分布在Al2O3晶界，Al2O3從熔體剛形核析出，晶體生長擇優(yōu)取向還未經(jīng)發(fā)展，就經(jīng)水冷被抑制形成近似等軸晶形態(tài)；

（3）爐冷處理使其具有平緩的正溫度梯度，成分充分擴散，減弱擇優(yōu)取向，各向生長能力增強，后期ZrO2組織得到充分生長，呈團狀均勻地分布于Al2O3晶粒之間；

（4）輔以水平震動的組織，柱狀晶形態(tài)弱化，Al2O3和ZrO2均出現(xiàn)碎化晶粒，因為施加的慣性力震碎正常生長的枝晶。

2.3 外界環(huán)境對內(nèi)襯管物理力學(xué)性能的影響

針對不同外界環(huán)境下內(nèi)襯管顯微硬度、氣孔率、抗熱震性能及斷裂韌性的檢測結(jié)果進行分析：

（1）相對空冷，水冷后硬度有所升高；爐冷使ZrO2得到充分生長，使NaF、SiO2等低熔點相有充足時間填充枝晶間隙，高溫熔體中氣體與夾渣也有充分時間逸出，提高密度及組織均勻度，提高顯微硬度；水平震動提高鋁液流動性，與氧化鐵充分反應(yīng)，提高反應(yīng)效率，快速進入穩(wěn)定階段，并且由于慣性力提高熔體流動性，促進陶瓷與鐵的分離，利于組織均勻致密，因此顯微硬度提高。

圖1 陶瓷層顯微組織

（2）不同環(huán)境對氣孔率影響不同；相對空冷，水冷溫度梯度更為陡峭，高溫時快速凝固，氣孔被大量封存導(dǎo)致氣孔率增高；爐冷促使大部分氣體逸出，氣孔率降低；水平震動氣孔率最低，其所施加的慣性力有較高震動頻率，促使反應(yīng)生成物和反應(yīng)預(yù)熱區(qū)中氣體排除，明顯降低氣孔率。

（3）空冷抗熱震次數(shù)為8，明顯低于其他方式，水冷16，爐冷13，水平震動18；水冷使高溫膨脹的鋼管瞬時收縮，相當(dāng)于在陶瓷層上施加一個巨大的壓應(yīng)力，致使界面結(jié)合力得到提高，抗熱震性能提高；爐冷界面處氣孔率降低，同時低熔點相充分填充界面，使接觸面更大而達到抗熱震性提高；水平震動改善熔體流動能力，增強向鋼管基體的鋪展能力，減少陶瓷層與鋼管壁之間的氣孔，提高結(jié)合力，對抗熱震性能的提高最為明顯。

（4）相對空冷，其他方式斷裂韌性均出現(xiàn)不同程度下降；經(jīng)過其他方式處理后，柱狀晶的拔出、橋接等增韌機制均被弱化；雖然顯微硬度略有增加，氣孔率下降，有利于韌性的提高，但都不足以彌補柱狀晶弱化造成的韌性下降?？傮w來看，水平震動后基本保持柱狀晶形態(tài)，相對于空冷長徑比下降，致使韌性有小幅下降；水冷和爐冷后組織趨于等軸晶，弱化了柱狀晶增韌機理，斷裂韌性下降。

3 結(jié)論

本文對相同成分的內(nèi)襯管施以空冷、水冷、爐冷及燃燒過程中輔加水平震動等不同外界環(huán)境，研究其微觀組織及物理力學(xué)性能的變化，實驗結(jié)果表明：

（1）空冷后Al2O3陶瓷呈現(xiàn)鮮明的柱狀晶形態(tài)，ZrO2分布于柱狀晶的枝晶間隙；水冷后，Al2O3近似等軸晶，ZrO2以條絮狀分布在Al2O3晶界；爐冷后ZrO2晶粒較大，呈團狀分布于Al2O3晶粒之間；輔以水平震動的柱狀晶形態(tài)弱化，Al2O3和ZrO2均出現(xiàn)碎化晶粒。

（2）相對空冷，其他外界環(huán)境下，內(nèi)襯管顯微硬度均略有增加；抗熱震性有所提升，水平震動方式提升明顯；氣孔率水冷后增加，爐冷和水平震動均降低；斷裂韌性在水平震動后有小幅下降，水冷和爐冷均顯著下降。

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