（ZrO2/Al2O3）復相陶瓷內襯管耐腐蝕性能研究

張改萍

西安工程大學機電工程學院

（ZrO2/Al2O3）復相陶瓷內襯管耐腐蝕性能研究

張改萍

西安工程大學機電工程學院

采用SHS重力分離法，以10%ZrO2、2%SiO2、2%NaF為添加劑，制備（ZrO2/Al2O3）復相陶瓷內襯管，研究空冷、水冷、爐冷及水平震動等外界環境對內襯管微觀組織及物理力學性能的影響。實驗表明：不同外界環境下ZrO2以不同晶體形態存在于Al2O3晶粒之間，水平震動后Al2O3和ZrO2均出現碎化晶粒；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。

復相陶瓷；耐腐蝕；微觀組織；物理力學性能

引言

目前針對內襯層增韌的復相陶瓷內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襯管性能[2-5]，對其工藝參數的研究卻相對少見。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境對內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，Fe2O3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，規格為Φ20x100x2.2（mm），經鹽酸酸洗除銹，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

內襯管在燃燒反應剛剛結束后，處以空冷、水冷、爐冷及水平震動等不同外界環境。空冷即在空氣中自然冷卻；水冷即當試樣底部的鋁箔剛剛熔穿，立即予以水淬；爐冷即試樣底部的鋁箔剛剛熔穿時放入已升溫至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。在內襯管下半部截取20mm試樣，經砂輪除去毛刺，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；經干燥箱干燥后繼續放入電阻爐中重復加熱-水冷過程，以內襯層出現宏觀裂紋的水冷次數評價。

（5）斷裂韌性檢測

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

2 實驗結果與分析

2.1 宏觀組織觀察

不同外界環境下內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，內壁粗糙有少許紅色物質，經分析為多余的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境下內襯層組織形態發生明顯變化：

（1）空冷后，Al2O3呈柱狀晶生長，其邊界平直，結構緊湊，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，晶體生長擇優取向還未經發展，就經水冷被抑制形成近似等軸晶形態；

（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，柱狀晶形態弱化，Al2O3和ZrO2均出現碎化晶粒，因為施加的慣性力震碎正常生長的枝晶。

2.3 外界環境對內襯管物理力學性能的影響

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

（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，提高反應效率，快速進入穩定階段，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，促使反應生成物和反應預熱區中氣體排除，明顯降低氣孔率。

（3）空冷抗熱震次數為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，相當于在陶瓷層上施加一個巨大的壓應力，致使界面結合力得到提高，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不同程度下降；經過其他方式處理后，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。總體來看，水平震動后基本保持柱狀晶形態，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 結論

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

（1）空冷后Al2O3陶瓷呈現鮮明的柱狀晶形態，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弱化，Al2O3和ZrO2均出現碎化晶粒。

（2）相對空冷，其他外界環境下，內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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