一種耐高溫沖蝕磨損的ZrO₂-Al₂O₃復相陶瓷材料的制作方法

專利名稱：一種耐高溫沖蝕磨損的ZrO₂-Al₂O₃復相陶瓷材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3復相陶瓷材料，屬于結構陶瓷及高溫復合材料領域。
背景技術：
磨損是現代工業生產中儀器設備破壞損失的主要的形式，由于生產過程中磨損的存在，嚴重影響儀器設備的使用壽命，降低生產效率，造成能源和材料的大量損失。其中，沖蝕磨損在磨損中占到較高的比例，沖蝕磨損是材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現破壞的一類磨損現象。而高溫氣固兩相沖蝕磨損作為沖蝕磨損的主要形式之一，廣泛存在于現代工業生產中。例如入侵到直升機發動機的粉塵和沙粒對發動機的沖蝕；氣流運輸物料對管路彎頭的沖蝕；火力發電廠粉煤尾氣對換熱器管路的沖蝕等。現代高溫耐磨損材料主要以Ni-Gr為基的高溫合金中添加W、Co、Mo等元素的基礎上制備得到，但由于其生 產成本高、承受溫度相對較低、耐高溫腐蝕性相對較差，影響生產的進一步擴大，降低生產效率。陶瓷材料作為一種新型材料，彌補了金屬耐腐蝕性差及合金成本高等的一些缺點，在工業生產中得到了廣泛應用。其中，氧化鋁陶瓷因其具有良好的耐高溫性、耐磨性等性能，被用來制作耐高溫磨損機械零件，但由于氧化鋁陶瓷的力學性能較差，不能使其它優越性能得到充分發揮。因此，本發明提出在氧化鋁陶瓷基體上，利用復合陶瓷的工藝原理和制備思想，加入了氧化鋯，制得ZrO2-Al2O3復相陶瓷，獲得較大的斷裂韌性和抗折強度，以代替一些耐磨損器件，作為一種新型耐高溫沖蝕磨損材料。

發明內容
本發明的主要目的是針對氧化鋁系列陶瓷耐高溫沖蝕磨損性能差、強度低、韌性差等問題，提出一種耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3復相陶瓷材料。本發明以自制ZrO2粉體和Al2O3粉體為原料通過控制ZrO2的添加量和燒結溫度使材料獲得較高的斷裂韌性，提高材料的耐高溫沖蝕磨損性能。本發明提出一種通過添加ZrO2制備耐高溫沖蝕磨損ZrO2-Al2O3陶瓷復合材料。其特征在于將ZrO2粉體與Al2O3粉體按照氧化鋯的加入量為2vol. % 30vol. %進行配料，后采用球磨濕法置于行星式球磨機中球磨4-24h，混合后經旋轉蒸發儀80°C蒸發，置于烘箱中在100°C烘干，后經研磨、160目過篩處理得到混合粉體。采用干壓成型法在10-50MPa下得到試樣坯體，然后經200MPa冷等靜壓處理得到坯體，最后采用無壓燒結法在13000C -1700°C條件下保溫6h，自然冷卻到室溫，即可得到耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3基陶瓷復合材料。在上述材料的制備工藝中，所述的ZrO2粉體是以ZrO (NO3) 2 · 2H20和氨水為原料，采用原位水解法在常溫下水解I 24h，并在600 1000°C煅燒I 24h制備得到。本發明所述工藝制備得到的ZrO2-Al2O3陶瓷復合材料的抗彎強度最高可達51OMPa,斷裂韌性最高可達6. 34MPa · m1/2，常溫沖蝕磨損率達到O. 012mm3/g，性能均優于常用的氧化鋁系列陶瓷，也可代替低碳鋼、耐熱合金鋼和硬質合金應用于各種易磨損部件(如氣流運輸物料管道、高溫煙氣物料輸送管道等)的耐沖蝕磨損材料。下面結合實例對本發明的特點做進一步描述，但并非僅僅局限于下述實施例。實施案例I :用ZrO (NO3) 2 ·2Η20和氨水為原料，按照化學計量比進行配料，后經原味水解4h，并于烘箱中烘干，烘干后于600°C保溫8h進行無壓燒結，后研磨過篩得到ZrO2粉體。將ZrO2粉體與Al2O3粉體為原料按體積比為5 95混合配料，然后以瑪瑙球為球磨介質、無水乙醇為球磨劑濕法球磨8h，混合后經旋轉蒸發儀80°C蒸發，置于烘箱中在10(TC烘干，后經研磨、160目過篩處理得到混合粉體。采用干壓成型法在20MPa下得到試樣坯體，然后經200MPa冷等靜壓處理得到坯體，最后采用無壓燒結法在1300°C條件下保溫6h，自然冷卻到室溫，即可得到耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3基陶瓷復合材料。
對得到的ZrO2-Al2O3復相陶瓷材料進行測試，測得陶瓷抗彎強度為389. 75MPa，斷裂韌性為5. 06MPa · m1/2,常溫沖蝕磨損體積磨損率為O. 026mm3/g。實施案例2:用ZrO(NO3)2 · 2H20和氨水為原料，按照化學計量比進行配料，后經原味水解6h，并于烘箱中烘干，烘干后于700°C保溫IOh進行無壓燒結，后研磨過篩得到ZrO2粉體。將ZrO2粉體與Al2O3粉體為原料按體積比為10 90混合配料，然后以瑪瑙球為球磨介質、無水乙醇為球磨劑濕法球磨10h，混合后經旋轉蒸發儀80°C蒸發，置于烘箱中在100°C烘干，后經研磨、160目過篩處理得到混合粉體。采用干壓成型法在30MPa下得到試樣坯體，然后經200MPa冷等靜壓處理得到坯體，最后采用無壓燒結法在1500°C條件下保溫6h，自然冷卻到室溫，即可得到耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3基陶瓷復合材料。對得到的ZrO2-Al2O3復相陶瓷材料進行測試，測得陶瓷抗彎強度為461MPa，斷裂韌性為5. 77MPa · m1/2，常溫沖蝕磨損體積磨損率為O. 015mm3/g。實施案例3:用ZrO(NO3)2 · 2H20和氨水為原料，按照化學計量比進行配料，后經原味水解8h，并于烘箱中烘干，烘干后于800°C保溫12h進行無壓燒結，后研磨過篩得到ZrO2粉體。將ZrO2粉體與Al2O3粉體為原料按體積比為15 85混合配料,然后以瑪瑙球為球磨介質、無水乙醇為球磨劑濕法球磨12h，混合后經旋轉蒸發儀80°C蒸發，置于烘箱中在100°C烘干，后經研磨、160目過篩處理得到混合粉體。采用干壓成型法在30MPa下得到試樣坯體，然后經200MPa冷等靜壓處理得到坯體，最后采用無壓燒結法在1700°C條件下保溫6h，自然冷卻到室溫，即可得到耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3基陶瓷復合材料。對得到的ZrO2-Al2O3復相陶瓷材料進行測試，測得陶瓷抗彎強度為510MPa，斷裂韌性為6. 34MPa · m1/2，常溫沖蝕磨損體積磨損率為O. 012mm3/g。
權利要求
1.一種耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3復相陶瓷材料，其特征在于將ZrO2粉體與Al2O3粉體按照氧化鋯的加入量為2vol. % 30vol. %進行配料，后采用球磨濕法置于行星式球磨機中球磨4-24h，混合后經旋轉蒸發儀80°C蒸發，置于烘箱中在100°C烘干，后經研磨、160目過篩處理得到混合粉體。采用干壓成型法在10-50MPa下得到試樣坯體，然后經200MPa冷等靜壓處理得到坯體，最后采用無壓燒結法在1300°C -1700°C條件下保溫6h，自然冷卻到室溫，即可得到耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3基陶瓷復合材料。
2.根據權利要求書I所述的一種耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3復相陶瓷材料，其特征在于所述的ZrO2粉體是以ZrO(NO3)2 · 2H20和氨水為原料，采用原位水解法在常溫下水解I 24h，并在600 1000°C煅燒I 24h制備得到。
全文摘要
本發明涉及一種耐高溫沖蝕磨損的ZrO2-Al2O3復相陶瓷材料，屬于結構陶瓷及高溫復合材料領域。本發明以自制ZrO2粉體和Al2O3粉體為原料，通過無壓燒結制得。通過控制ZrO2的添加量和燒結溫度使材料獲得較高的斷裂韌性，提高材料的耐高溫沖蝕磨損性能。其耐高溫氣固兩相流沖蝕磨損性能均優于常用的氧化鋁系列陶瓷，也可代替低碳鋼、耐熱合金鋼和硬質合金應用于各種易磨損部件(如氣流運輸物料管道、高溫煙氣物料輸送管道等)的耐沖蝕磨損材料。
文檔編號C04B35/622GK102826835SQ20121032160
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月4日 優先權日2012年9月4日
發明者文瑞龍, 房明浩, 閔鑫, 黃朝暉, 劉艷改, 唐浩, 劉書躍, 唐潮 申請人:中國地質大學(北京)