（ZrO2/Al2O3）复相陶瓷内衬管耐腐蚀性能研究

张改萍

西安工程大学机电工程学院

（ZrO2/Al2O3）复相陶瓷内衬管耐腐蚀性能研究

张改萍

西安工程大学机电工程学院

采用SHS重力分离法，以10%ZrO2、2%SiO2、2%NaF为添加剂，制备（ZrO2/Al2O3）复相陶瓷内衬管，研究空冷、水冷、炉冷及水平震动等外界环境对内衬管微观组织及物理力学性能的影响。实验表明：不同外界环境下ZrO2以不同晶体形态存在于Al2O3晶粒之间，水平震动后Al2O3和ZrO2均出现碎化晶粒；相对空冷，其余方式处理后显微硬度均略有增加；气孔率在水冷方式后增加，其他方式均降低；水平震动方式对抗热震性提升明显；断裂韧性在水平震动后小幅下降，其他处理方式下降显著。

复相陶瓷；耐腐蚀；微观组织；物理力学性能

引言

目前针对内衬层增韧的复相陶瓷内衬管研究基本都集中于通过改变ZrO2和其他添加剂的成分而改变内衬管性能[2-5]，对其工艺参数的研究却相对少见。本文选取添加剂为10%ZrO2、2%SiO2、2%NaF的铝热剂，通过实验研究空冷、水冷、炉冷及水平震动等不同外界环境对内衬管的微观组织及显微硬度、气孔率、抗热震性及断裂韧性的影响。

1 试样制备及实验方法

1.1 试样制备

实验选择Fe2O3-Al系铝热剂，Fe2O3粉（纯度≥99%，100目）与Al粉（纯度≥99%，200目）重量比5：2，添加剂为10%ZrO（2纯度≥99%，180目）、2%SiO（2纯度≥99%，200目）、2%NaF（纯度≥99%，200目）；选用20#无缝钢管，规格为Φ20x100x2.2（mm），经盐酸酸洗除锈，NaOH碱液除油，烘干打磨后混料12小时；钢管一端铝箔封口，一端填充密度1.6g/cm3填料。

1.2 实验方法

内衬管在燃烧反应刚刚结束后，处以空冷、水冷、炉冷及水平震动等不同外界环境。空冷即在空气中自然冷却；水冷即当试样底部的铝箔刚刚熔穿，立即予以水淬；炉冷即试样底部的铝箔刚刚熔穿时放入已升温至1000℃的程式控制炉中，随炉冷却；水平震动即对刚引燃的内衬管施以摆动频率230次/min、摆动偏心距12mm的水平震动，在震动下完成反应。在内衬管下半部截取20mm试样，经砂轮除去毛刺，粗磨精磨之后检测分析。

（1）微观组织：日立s-4800扫描电子显微镜；

（2）硬度检测：HX-1000TM型显微硬度机，在200g力下对试样加载12s，检测其硬度；

（3）气孔率测定：采用阿基米德排水法检测；

（4）抗热震性检测

试样放入已升温至900℃的箱式电阻炉中，保温10min，取出后迅速放入室温水中急冷；经干燥箱干燥后继续放入电阻炉中重复加热-水冷过程，以内衬层出现宏观裂纹的水冷次数评价。

（5）断裂韧性检测

采用维氏压痕法，在试件表面加载200g或1000g的压应力，压应力选择在出现裂纹情况下的较小载荷，保持载荷12s，计算断裂韧性。

2 实验结果与分析

2.1 宏观组织观察

不同外界环境下内衬管截面与空冷试样对比，可以得出：

（1）水冷陶瓷层较厚且不均匀，块状凸起多，内壁粗糙有少许红色物质，经分析为多余的FeO或Fe2O3凝固形成的浮渣；

（2）炉冷陶瓷层较薄，表面气孔率低；

3）水平震动内衬管截面组织均匀细密，陶瓷层厚度相对较薄。

2.2 微观组织观察

利用SEM扫描电镜对陶瓷层分析，微观组织如图1。

可以看出不同外界环境下内衬层组织形态发生明显变化：

（1）空冷后，Al2O3呈柱状晶生长，其边界平直，结构紧凑，长径比10～20，柱状晶特征明显，生长缓慢的ZrO2被先析出且Al2O3柱状晶排挤到枝晶间隙，与NaF、SiO2等低熔点相凝固于柱状晶边界；

（2）水冷处理后，ZrO2以条絮状分布在Al2O3晶界，Al2O3从熔体刚形核析出，晶体生长择优取向还未经发展，就经水冷被抑制形成近似等轴晶形态；

（3）炉冷处理使其具有平缓的正温度梯度，成分充分扩散，减弱择优取向，各向生长能力增强，后期ZrO2组织得到充分生长，呈团状均匀地分布于Al2O3晶粒之间；

（4）辅以水平震动的组织，柱状晶形态弱化，Al2O3和ZrO2均出现碎化晶粒，因为施加的惯性力震碎正常生长的枝晶。

2.3 外界环境对内衬管物理力学性能的影响

针对不同外界环境下内衬管显微硬度、气孔率、抗热震性能及断裂韧性的检测结果进行分析：

（1）相对空冷，水冷后硬度有所升高；炉冷使ZrO2得到充分生长，使NaF、SiO2等低熔点相有充足时间填充枝晶间隙，高温熔体中气体与夹渣也有充分时间逸出，提高密度及组织均匀度，提高显微硬度；水平震动提高铝液流动性，与氧化铁充分反应，提高反应效率，快速进入稳定阶段，并且由于惯性力提高熔体流动性，促进陶瓷与铁的分离，利于组织均匀致密，因此显微硬度提高。

图1 陶瓷层显微组织

（2）不同环境对气孔率影响不同；相对空冷，水冷温度梯度更为陡峭，高温时快速凝固，气孔被大量封存导致气孔率增高；炉冷促使大部分气体逸出，气孔率降低；水平震动气孔率最低，其所施加的惯性力有较高震动频率，促使反应生成物和反应预热区中气体排除，明显降低气孔率。

（3）空冷抗热震次数为8，明显低于其他方式，水冷16，炉冷13，水平震动18；水冷使高温膨胀的钢管瞬时收缩，相当于在陶瓷层上施加一个巨大的压应力，致使界面结合力得到提高，抗热震性能提高；炉冷界面处气孔率降低，同时低熔点相充分填充界面，使接触面更大而达到抗热震性提高；水平震动改善熔体流动能力，增强向钢管基体的铺展能力，减少陶瓷层与钢管壁之间的气孔，提高结合力，对抗热震性能的提高最为明显。

（4）相对空冷，其他方式断裂韧性均出现不同程度下降；经过其他方式处理后，柱状晶的拔出、桥接等增韧机制均被弱化；虽然显微硬度略有增加，气孔率下降，有利于韧性的提高，但都不足以弥补柱状晶弱化造成的韧性下降。总体来看，水平震动后基本保持柱状晶形态，相对于空冷长径比下降，致使韧性有小幅下降；水冷和炉冷后组织趋于等轴晶，弱化了柱状晶增韧机理，断裂韧性下降。

3 结论

本文对相同成分的内衬管施以空冷、水冷、炉冷及燃烧过程中辅加水平震动等不同外界环境，研究其微观组织及物理力学性能的变化，实验结果表明：

（1）空冷后Al2O3陶瓷呈现鲜明的柱状晶形态，ZrO2分布于柱状晶的枝晶间隙；水冷后，Al2O3近似等轴晶，ZrO2以条絮状分布在Al2O3晶界；炉冷后ZrO2晶粒较大，呈团状分布于Al2O3晶粒之间；辅以水平震动的柱状晶形态弱化，Al2O3和ZrO2均出现碎化晶粒。

（2）相对空冷，其他外界环境下，内衬管显微硬度均略有增加；抗热震性有所提升，水平震动方式提升明显；气孔率水冷后增加，炉冷和水平震动均降低；断裂韧性在水平震动后有小幅下降，水冷和炉冷均显著下降。

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