一种耐高温冲蚀磨损LnMgAl₁₁O₁₉-ZrO₂复相陶瓷材料的制备方法

专利名称：一种耐高温冲蚀磨损LnMgAl₁₁O₁₉-ZrO₂复相陶瓷材料的制备方法
技术领域：
一种耐高温冲蚀磨损LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料的制备方法，属于特种陶瓷及耐高温材料技术领域。
背景技术：
冲蚀磨损是材料破坏的主要形式之一，约占工业生产中磨损破坏总数的8%，它是指流体或固体粒子以松散的小颗粒按着一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。在工业中存在的高温气固两相流冲蚀磨损现象较多并且危害很大，例如火力发电厂煤粉锅炉燃烧尾气对换热器管道的冲蚀磨损而造成的破坏大致占管道破坏的1/3 ;石油化工厂烟气发电设备中，高温烟气夹带的破碎催化剂粉粒对回收过热气流能量的涡轮机叶片和相关过流件等会造成严重的冲蚀磨损；循环流化床锅炉、固体垃圾焚烧炉等燃烧固体物料的热处理装置的受热面和内衬材料长期经受高温气固两相流冲蚀磨损，使其寿命严重缩短，需要经常停炉维修，而且有些停炉故障是不可预见的，给企业造成较大的经济损失，并且对稳定安全的电力供应以及人们的日常生活等都带来严重的威胁。例如，循环流化床锅炉系统是一类典型的长期经受高温气固两相流冲蚀磨损的大型设备，它通过高速运行的气流带动固体物料在炉膛中燃烧，经过物料分离设备和再循环设备将物料返回炉膛，达到高效燃烧的目的。但是燃料中未燃烧尽得小颗粒(难熔的矿物) 以及脱硫用石灰石颗粒以及其反应物颗粒，在炉膛的封闭循环中处于不停的高温循环中流动，床料在重力作用下沿炉膛四壁不断的进行内循环，并对相应部位耐火材料进行强烈的冲蚀磨损，会导致耐火材料及相应管道的磨损失效造成停炉事故。目前，循环流化床的再循环设备主要由低碳钢、耐热合金钢和硬质合金为主，价格较高，同时承受温度相对较低，耐高温磨损性较差，部件高温下易变性，不耐氧化腐蚀，使用寿命较短。但是由于其特殊的燃烧方式及其受热面长期工作在高温(1200°C左右)、固体颗粒(2-500 μ m)冲蚀以及烟气腐蚀等恶劣环境下，极易产生高温磨损和磨蚀，从而使得管壁变薄甚至磨穿，严重影响其运行安全及其经济效益。国内外在这方面主要采用耐热合金钢以及氧化铝系列陶瓷。前者普遍存在着耐高温磨蚀性能较差、价格昂贵、高温(超过 IOOO0C )易软化等特性，从而导致其耐磨性能较差、使用寿命较短等缺陷；后者能够满足耐高温的要求，但是存在着脆性大、耐高温稳定性欠佳和韧性差等缺点，从而导致在高温环境下工作易造成大块剥落、使用寿命短等问题，均不能满足高温生产和高温技术进步的要求。用3mol%氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)具有熔点高、硬度高、强度和韧性较高、导热系数低、热膨胀系数与高温合金十分接近等特点，已在航空燃气轮机等领域取得了较好的应用效果。但由于高温条件下氧化锆陶瓷相变增韧失效，导致的YSZ陶瓷存在力学性能尤其是断裂韧性的下降以及循环使用寿命变短等缺点。因此，本发明在氧化锆陶瓷的最新研究成果的基础上，通过添加LnMgAl11O19 (Ln = La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd)片状颗粒,提高氧化锆陶瓷材料的韧性和耐高温冲蚀磨损性能，可以用作循环流化床锅炉和粉煤锅炉的耐高温磨损部件，是一种新型的耐高温气固两相流冲蚀磨损防护材料。

发明内容
本发明提出了在氧化钇稳定的氧化锆中添加LnMgAl11O19 (Ln = La、Ce、Pr、Nd、Sm、 Eu,Gd)片状颗粒制备具有高的耐高温冲蚀磨损的LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料的制备方法。通过调整LnMgAl11O19片状颗粒的加入量，产生好的增韧作用,提高其耐高温冲蚀磨损性倉泛。一种耐高温冲蚀磨损LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于 以 LnMgAl11O19 (Ln = La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd)片状颗粒和 2_8mol %氧化乾稳定的氧化锆为原料，将O. 2-15 〖％的LnMgAl11O19片状颗粒与氧化钇稳定的氧化锆进行配料，然后球磨3h-48h，球磨后经干燥处理得到粉体，采用干压或者注浆成型法得到坯体，再在经过 100-300MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1500°C -1700°C保温1_80小时进行烧结，自然冷却到室温，得到耐高温冲蚀磨损的LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料。根据权利要求书I所述的耐高温冲蚀磨损LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料，其特征在于所述的LnMgAl11O19片状颗粒原料是以Mg(OH)2、Al (OH)3和稀土氧化物(La203、Ce203、 Pr2O3> Nd2O3> Sm2O3> Eu2O3和Gd2O3)为原料(均为化学分析纯)，按照化学计量比进行配料， 进行球磨混合3h-48h，将球磨后的混合物经干燥后，在1400°C -1650°C保温lh_20h合成后， 将合成后的粉体破碎磨细，得到LnMgAl11O19片状颗粒。采用本发明制备得到的LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料抗弯强度最高可达 850MPa，断裂韧性最高可达14. OMPa ·πι1/2，其耐高温气固两相流冲蚀磨损性能均优于氧化铝及氧化锆系列陶瓷，可代替低碳钢、耐热合金钢和硬质合金应用于各种易磨损部件(如循环流化床、高温烟气物料输送管道等)的耐冲蚀磨损材料。
具体实施例方式实施例I :用分析纯的Al (OH) 3、Mg (OH)2^La2O3作为实验原料，按LaMgAl11O19化学计量比设计配料，后球磨12h取出并干燥、分别在1650°C条件下保温5h，煅烧合成粉体，合成后的粉体经粉碎研磨制得LaMgAl11O19片状颗粒。将制备得到的LaMgAl11O19片状颗粒和3mol % Y2O3稳定的ZrO2粉体为原料按照 LaMgAl11O19片状颗粒2wt% , 3mol % Y2O3稳定的ZrO2粉体98 1:%进行配料,球磨6h,球磨混合后经干燥处理得到粉体在60MPa条件下干压成型，在经过250MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1550°C的条件在保温3h无压烧结，自然冷却到室温，即可得到耐高温冲蚀磨损的LaMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料。所制得的LaMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料的主要性能指标抗弯强度800MPa，断裂韧性最高可达13. 5MPa ·πι1/2，其1400°C下高温气固两相流冲蚀磨损率比不添加LaMgAl11O19 片状颗粒的3mol % Y2O3稳定的ZrO2陶瓷低40%。实施例2 用分析纯的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、Nd2O3作为实验原料，按NdMgAl11O19化学计量比设计配料，后球磨24h取出并干燥、分别在1600°C条件下保温15h，煅烧合成粉体，合成后的粉体经粉碎研磨制得NdMgAl11O19片状颗粒。将制备得到的NdMgAln019片状颗粒和5moI % Y2O3稳定的ZrO2粉体为原料按照LaMgAl11O19片状颗粒6wt%,5mol % Y2O3稳定的ZrO2粉体94wt %进行配料,球磨12h, 球磨混合后经干燥处理得到粉体注浆成型，在经过250MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1600°C的条件在保温50h无压烧结，自然冷却到室温，即可得到耐高温冲蚀磨损的 NdMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料。所制得的NdMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料的主要性能指标抗弯强度780MPa，断裂韧性最高可达14. OMPa · m1/2，其1400°C下高温气固两相流冲蚀磨损率比不添加NdMgAl11O19 片状颗粒的5mol % Y2O3稳定的ZrO2陶瓷低42%。实施例3:用分析纯的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、Gd2O3作为实验原料，按GdMgAl11O19化学计量比设计配料，后球磨24h取出并干燥、分别在1600°C条件下保温24h，煅烧合成粉体，合成后的粉体经粉碎研磨制得GdMgAl11O19片状颗粒。将制备得到的GdMgAl11O19片状颗粒和8mol % Y2O3稳定的ZrO2粉体为原料按照 LaMgAl11O19片状颗粒IOwt %，8mol % Y2O3稳定的ZrO2粉体90wt %进行配料，球磨12h, 球磨混合后经干燥处理得到粉体注浆成型，在经过250MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1700°C的条件在保温20h无压烧结，自然冷却到室温，即可得到耐高温冲蚀磨损的 GdMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料。所制得的GdMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料的主要性能指标抗弯强度840MPa，断裂韧性最高可达13. IMPa ·πι1/2，其1400°C下高温气固两相流冲蚀磨损率比不添加GdMgAl11O19 片状颗粒的8mol % Y2O3稳定的ZrO2陶瓷低39%。
权利要求
1.一种耐高温冲蚀磨损LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于 以 LnMgAl11O19 (Ln = La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd)片状颗粒和 2_8mol %氧化乾稳定的氧化锆为原料，将O. 2-15 〖％的LnMgAl11O19片状颗粒与氧化钇稳定的氧化锆进行配料，然后球磨3h-48h，球磨后经干燥处理得到粉体，采用干压或者注浆成型法得到坯体，再在经过 100-300MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1500°C -1700°C保温1_80小时进行烧结，自然冷却到室温，得到耐高温冲蚀磨损的LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料。
2.根据权利要求书I所述的耐高温冲蚀磨损LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料，其特征在于所述的LnMgAl11O19片状颗粒原料是以Mg(OH)2、Al (OH)3和稀土氧化物(La203、Ce203、 Pr2O3> Nd2O3> Sm2O3> Eu2O3和Gd2O3)为原料(均为化学分析纯)，按照化学计量比进行配料， 进行球磨混合3h-48h，将球磨后的混合物经干燥后，在1400°C -1650°C保温lh_20h合成后， 将合成后的粉体破碎磨细，得到LnMgAl11O19片状颗粒。
全文摘要
一种耐高温冲蚀磨损LnMgAl11O19-ZrO2复相陶瓷材料的制备方法，属于特种陶瓷及耐高温材料技术领域。该材料的制备方法是在氧化钇稳定的氧化锆中添加LnMgAl11O19(Ln＝La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd)片状颗粒，通过调整LnMgAl11O19片状颗粒的加入量，增加材料的断裂韧性，提高耐高温冲蚀磨损性能，经过混料、成型和高温烧结过程制备得到。通过，制备得到的材料耐高温气固两相流冲蚀磨损性能均优于氧化铝及氧化锆系列陶瓷，也可代替低碳钢、耐热合金钢和硬质合金应用于各种易磨损部件(如循环流化床、高温烟气物料输送管道等)的耐冲蚀磨损材料。
文档编号C04B35/48GK102603293SQ20111044810
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者刘凤娇, 刘艳改, 唐潮, 房明浩, 胡美羚, 闵鑫, 黄朝晖 申请人:中国地质大学(北京)