专利名称：陶瓷体及其变化探测法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用时受应力作用的陶瓷体及其应用中受应力作用引起的变化监测方法和装置以及预测其剩余使用寿命的诊断方法和装置。
结构陶瓷用于实际部件的最大问题之一是其可靠性低，陶瓷在耐热，耐酸和耐磨性方面优于金属，但可靠性低，因为断裂韧性(粘性)低，带来的问题是难于用陶瓷作结构部件。为解决这些问题，已提出许多提高韧性的方法(见例如“Si3N4-SiC Whisker Based Composite Ceramics”，Ceramics No.12，1983)或用超声波检测裂纹进展的方法(见“Non-Destructive Evaluation Technique for Cersmics”，Ceramics No.10，1985)。
为确定燃气轮机维护时间，就要对寿命进行计算(见JP-A-59-3335)或测定紧靠实际部件放置的试件寿命以便于诊断(见JP-A-57-113360)。但所有这些方法均未能直接诊断实际部件的状态，因此不能称其为准确的寿命诊断方法。
因此，上述现有技术未能直接诊断实际部件的使用寿命，对可靠性预测和寿命诊断的改进还留有很大的余地，这是因为，尽管有粒子分散并用纤维增强，但对韧性的改进效果仍未能使陶瓷物理性能发生根本性变化，其中表现韧性可得到提高，但其值仅为金属韧性的五分之一。用超声波确认裂纹进展的方法可测定试件水准，但用于实际部件时会伴随有应用问题，如将传感器附到陶瓷件上或另附测量设备带来的问题。因此，用不直接诊断部件状态的方法并不能保证应用陶瓷的可靠性。
本发明的目的是提出应用时经受应力作用并可准确监测其状态的陶瓷体。
本发明另一目的是提出烧结陶瓷体中的变化监测方法和装置。
本发明又一目的是提出预测陶瓷件寿命或剩余使用寿命以延长维护期的方法和装置。
本发明基于这样一种构思，即在实际部件的烧结陶瓷体中或其表面上设置诊断导电元件，该导电元件应与陶瓷紧密接触。
总之，本发明提出通过测定导电元件因断裂，变形，温度，氧化或腐蚀而发生的电阻变化而评估陶瓷构件寿命并确定保养要求的寿命诊断系统。
本发明一方面提出应用中经受应力作用并因应力作用而逐渐发生变化的陶瓷体，其中包括烧结陶瓷材料和与其接触的导电元件，该元件具有根据陶瓷体的逐渐变化而不可逆加大的可测电阻，用测得的电阻值即可得到有关陶瓷体变化的信息。
导电元件宜放在陶瓷体因应力作用而发生结构变化的区域，而典型的这种结构变化是形成裂纹。
导电元件优选由体电阻小于1Ω·cm的材料制成，而且沿其长度方向电阻优选是均匀的。
从横截面上看，本发明方案之一中导电元件包括一束选自纤维和晶须的细长元件，晶须为短纤维，应用中纤维或晶须会逐渐断裂，使导电元件电阻逐渐加大。从横截面上看，导电元件优选包括至少10根，更优选100-105根这种细长元件，细长元件束可完全由导电细长元件制成，也可由绝缘和导电纤维混合物或绝缘和导电晶须混合物制成，还可包括绝缘和/或导电粒子。
导电元件直径优选100μm-1cm，优选100μm-1mm。
导电元件可埋入陶瓷材料并与其共同烧结或烧结前后在陶瓷材料表面上形成。
本发明可用于许多陶瓷部件如a)燃气轮机部件，选自转动叶片，固定叶片，燃烧室过渡段，换热部件，罩件和管件;
b)核裂变动力发电部件，选自屏蔽部件，换热部件和管件;
c)设在真空容器壁远离等离子体一侧上的核聚变部件;
d)高温气体运动而产生电能的磁流体动力发电部件，其中包括高温气体排气管内壁部件;
e)汽车涡轮增压器转子部件或f)金属铸造机器中间包。
本发明陶瓷体也可定义为应用中经受应力作用并因应力作用而随时间逐渐变化的陶瓷体，其中包括烧结陶瓷材料和其中处于因应力而发生结构变化的区域中的导电元件，而后者又包括从横截面上看至少有100根选自纤维和晶须的细长元件。
本发明另一方面提出烧结陶瓷体因应力作用而发生的变化探测方法，其中包括测定与陶瓷体中烧结陶瓷材料紧密接触的导电元件电阻并用该测得电阻变化评估该陶瓷体的变化，其典型变化包括机械性能如强度变化，其中可通过将测定电阻与其至少一个预定值比较而进行陶瓷体变化评估的步骤，而该导电元件的电阻预定值可为电阻初始值或其预定临界最大值。
本发明还提出应用中经受应力作用并且因应力作用而逐渐发生变化的陶瓷体剩余使用寿命值确定方法，其中包括在陶瓷体应用一段时间后测定与陶瓷体中陶瓷材料接触的导电元件的电阻并根据该测定电阻计算剩余使用寿命值，而计算剩余使用寿命的步骤中包括将测定电阻与该导电元件电阻随该陶瓷体变化而变化的预定模式比较。
本发明陶瓷体的应用方法包括有效地缓解因导电元件电阻加热陶瓷体而在陶瓷体中造成的热应力。
本发明还有一方面是提出包括陶瓷体及其监测设备的装置，陶瓷体包括应用时经受应力作用的烧结陶瓷材料和与其接触的导电元件，该陶瓷材料应用中因其中的应力作用而逐渐发生变化，而导电元件具有可测电阻并且该电阻随陶瓷材料的变化而不可逆地增大，监测设备中包括测量该电阻的测量设备，其中又优选包括将测量设备测得的电阻值与至少一个预定电阻值比较并根据比较结果输出信号的评判设备，该评判设备可包括将所说测量设备测得的电阻值与预定值比较并在测得电阻值超过预定临界值时输出信号的比较设备，监测设备也还可包括以测得电阻为基础计算与所说陶瓷体的剩余有效工作寿命有关的值的设备并同时还可适当包括存储导电元件与所说陶瓷材料的变化有关的电阻变化预定模式的存储设备，而且评判设备包括将测定电阻与预定模式比较的比较设备。
本发明中与陶瓷材料接触的导电元件由低电阻材料如C，SiC，TiN，TiC，ZrN和Cr2N以及金属如W，Mo，Ta和Nb等构成，尤其是可有效地将导电纤维，晶须和颗粒与耐热绝缘纤维，晶须和颗粒结合使用，而且将具有不同弹性的两或多种纤维和颗粒组合也有效，特别有效的是导电元件也可用来增强陶瓷部件，其中除单一物质如C和SiC等之外，还可有效地使用复合导电材料如C/SiC，C/Al2O3，C/Si3N4，C/Si2N2O，SiC/Si3N4，SiC/Si2N2O，SiC/Al2O3，TiN/Al2O3，TiN/Si3N4和TiN/Si2N2O。
本发明中导电元件电阻变化可由导电元件材料即纤维的拉拔，断裂，界面接触，变形，化学腐蚀或温度变化造成，该变化可测定并与临界值比较，从而可预测寿命，诊断寿命和维修期，如陶瓷中出现的裂纹可向导电元件中延伸，从而导致电阻增大。这种值可读出并与临界值比较，如用外部装备的计算机进行比较。若超过临界值，就会自动输出停机信号，从而使设备停机并在陶瓷零部件断裂之前替换受损零部件。
本发明功能陶瓷体可用于各种机器结构件，其中在各种机器结构件上设置电路时，并不需要在整个零部件上装电路，而是只需在接近最大应力作用的地点附近或在易受磨损的表面上装电路，优选应将元件装在表面附近(离表面5mm或以下)，这是因为陶瓷件有可能出现裂纹，导致线性断裂，因此对表面裂纹的敏感性极其重要，如表面上的裂纹会逐渐切断纤维束，导致电阻增大，纤维束中的纤维逐渐断裂并且电阻逐渐加大，其中并不是形成单一纤维，而是一束长纤维，即纤维和颗粒组合成束。
本发明中也可用导电元件作为陶瓷体加热器而降低外部热应力效果，从而缓解陶瓷体中的热应力。
陶瓷体可用常见方法如高压烧结法，反应烧结法，HP(热压)和HIP(热等压)法制成，其中该陶瓷体通过成为复合体或通过颗粒分散法而增强时，也可用具有更大强度的陶瓷。
所用陶瓷可为包括一或多种氧化物，碳化物，氮化物和碳氮化物的反应烧结陶瓷，这是因为用模制体烧结成为烧结体时反应烧结陶瓷的尺寸变化很小，可低至1%或以下，因此易在模制体内或其表面上布置电路，而又不会出现变形或破裂，并且剩余应力在导电元件本身中不会出现。而且，由于反应烧结陶瓷为多孔体，所以在陶瓷体用作结构件时可用达到要求性能的物质对表面涂层或浸渍其内部，其中涂层和浸渍可采用CVD(化学汽相沉积)，CVI(化学汽相掺入)，PVD(物理汽相沉积)，离子掺入和激光等方法，因此设置导电元件的反应烧结陶瓷表面可由具有优异耐磨，耐热和耐腐蚀致密材料制成，并且与HIP法并用可在反应烧结后使材料致密。
本发明烧结陶瓷体之一可按以下所述制成导电元件包括金属粉(Si和Al等)或金属粉和无机化合物(氧化物，碳化物，氮化物或碳氮化物中的一或多种)，可置于陶瓷体内或其表面上，陶瓷体在包括氧化气，碳化气，氮化气和氧氮化气中一或多种反应气的气氛中将陶瓷体加热，使金属粉与反应气反应而制成产品，其中元件与所说产品结合，从而制成反应烧结陶瓷体，其中布置有导电元件，其孔隙率为5-30vol%。
导电元件可具有一、二和三维取向。
本发明陶瓷体的另一制造方法是未烧带形成法，这有利于有效降低制造成本，未烧带用刮片形成，其中用包括有机粘合剂和陶瓷粉的浆料，该带冲切成要求形状后烧结，未烧带适宜厚度为1-5mm，但根据零部件形式，可选用任何要求厚度形成诊断导电元件，并在未烧带叠架排列并烧结后按要求整修。
陶瓷体内或其表面上的导电元件与外接线之间的连接可通过例如钎焊，激光或超声波进行，而且表面上用金属线如钢，钨和铂线可达到耐热效果。
本发明可将陶瓷件的可靠性大大提高，并促使其应用于各种装置零部件和机械部件，如用于发动机，其中提供可在实际操作条件下评判零部件工作状况，并计算出使用寿命和有助于维修的系统。
现通过非限制性实施例并参照
本发明实施方案，其中图1为本发明中核聚变炉第一壁件的诊断陶瓷体俯视图;
图2为图1所示核聚变炉第一壁件应用图;
图3为图1所示核聚变炉第一壁件的中子照射时间和导电元件电阻之间的关系图;
图4为核聚变炉壁件的部分透视图;
图5为本发明中燃气轮机固定部件诊断陶瓷体示意图;
图6为图5所示燃气轮机操作时间和导电元件电阻之间的关系图;
图7为应用本发明的燃气轮机叶片透视图;
图8为应用本发明的燃气轮机罩件透视图;
图9为燃气轮机转子部分透视图;
图10为本发明中包括防腐管件的诊断陶瓷系统示意图;
图11为图10所示高温腐蚀时间和管件中导电元件电阻之间的关系图;
图12为本发明中包括另一防腐管件的诊断陶瓷系统示意图;
图13为图12所示化学(酸，碱)腐蚀时间和管件中导电元件电阻之间的示意图;
图14(a)和14(b)为本发明柱件中导电元件安装工艺步骤示意图;
图15(a)，15(b)和15(c)为本发明陶瓷管件制造工艺步骤示意图;
图16(a)，16(b)和16(c)亦为本发明陶瓷管件制造工艺步骤示意图;
图17为本发明陶瓷体中导电元件另一安装工艺示意图;
图18亦为本发明陶瓷体中导电元件再一安装工艺示意图;
图19为本发明中应用燃烧炉瓦的诊断陶瓷系统示意图;
图20为图19所示燃烧炉操作时间和导电元件电阻之间的关系图;
图21为汽车中应用本发明的涡轮增压器陶瓷转子示意图;
图22为应用本发明的连铸装置示意图;
图24为本发明诊断陶瓷体之一的示意图;
图25为用于本发明导电元件之一的部分剖面透视图;
图26为用于本发明的另一导电元件示意图;
图27为用于本发明的另一导电元件示意图;
图28为用于本发明的另一导电元件示意图;
图29为用于本发明的另一导电元件示意图;
图30为用于本发明的另一导电元件示意图;
图31为应用本发明并包括监测设备的装置方框图;
图32为应用本发明计算寿命的方法流程图;
图33(a)，33(b)和33(c)为陶瓷体临界使用时间计算图;
图示各实施方案中具有相同或类似功能的零部件标为同一数字。
下述所有实施例中，用于寿命诊断的导电元件电阻小于1Ω·cm。
实施例1讨论核聚变炉第一壁件，已示于图1和图2，其中为制成构成核聚变炉第一壁件的陶瓷件，将13重量份聚乙烯，硬脂酸和合成蜡的混合物加入100重量份平均粒径1μm的金属Si粉中并将其捏和，该物料经挤出机制成2mm厚，100mm见方的板1，再用包括碳纤维(直径10μm，长1000μm)和Al2O3纤维(直径5μm，长1000μm)的复合长纤维(直径1.5mm)作为该板上用于寿命诊断的导电元件2，其中所用碳纤维和Al2O3纤维混合比为50∶50vol%，但并不仅限于该值，如可为30∶70或80∶20vol%，而元件2直径优选0.1mm或以上。
模制板1在氮气氛炉中加热到1350℃，升温速度1℃/分钟，1350℃保持1小时后在炉中冷却而得到反应烧结Si3N4陶瓷，其中设有进行寿命诊断的导电元件2，粘合剂在升温过程中脱脂，在该反应烧结陶瓷1表面上用等离子体火焰喷镀法形成厚0.3mm的致密BN膜3作为耐热层。由于反应烧结材料表面为多孔面，所以即使孔中亦形成了BN，因此膜3粘结牢固。元件2的端部4经银钎焊与铜线5连接，并连到外部测量设备6上。
该陶瓷件用作核聚变炉第一壁件，应用中BN膜3因中子照射受损，元件2电阻变化见图3，这表明可对核聚变炉第一壁件进行寿命诊断，这种电阻变化传入核动力装置控制系统，在该电阻超过规定临界值时，则装置会自动停机以进行维护和检修。
Si3N4，Si2N2O，AlN，Al2O3，ZrO2，B4C，BN以及富铝红柱石粉和晶须可与用于例1的Si粉混合而制成复合陶瓷(Si3N4/Si3N4，Si4N4/Si2N2O，Si3N4/AlN，Si3N4/Al2O3，Si3N4/ZrO2，Si3N4/B4C，Si3N4/BN，Si3N4/富铝红柱石和Si3N4/SiC等)，其中可通过反应烧结法布置进行寿命诊断的导电元件。
陶瓷可按许多方式模制以满足本发明部件的各种形状要求，如采用刮片法，粉末模制法，CIP，注模法，浇铸模制法和挤出法等。
用于模制的粘合剂为常用于模制陶瓷的粘合剂，包括高分子材料如聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯，聚硅氧烷系列化合物以及聚硅烷化合物，这些粘合剂脱脂法在这里并不特别说明，事实上通过烧结时控制升温速度即可脱脂。
实施例2。
用金属Al粉代替例1的金属Si粉，制成AlN陶瓷，其中设有反应烧结形成的寿命诊断用导电元件，该陶瓷以同样方式用于核聚变炉第一壁件。
实施例3核聚变炉第一壁件按下述方法制成，其中将13重量份聚乙烯，硬脂酸和合成蜡的混合物加入97重量份平均粒径0.1μm的SiC粉，1重量份烧结剂BeO和2重量份AlN中并将整个混合物捏和后用挤出机成型为2mm厚，100mm见方的板，再模制形成包括碳纤维(直径100μm，长1000μm，)和Al2O3纤维(直径100μm，长1000μm)的复合长纤维作为该板上进行寿命诊断的导电元件2(图1和2)，其中用于元件2的碳纤维和Al2O3纤维间的混合比为70∶30vol%。
模制板1在氩气氛炉中以1℃/分钟的升温速度加热到2150℃并于2150℃保持3小时，在炉中冷却而得到布置有元件2的大气压烧结SiC陶瓷体1。为了达到耐热性，在带有元件2的表面上用等离子体喷镀法形成0.3mm厚致密BN膜3，铜线5用银钎焊在元件2的端部4上并与外部测量仪器6连接后再与核动力发电装置诊断系统连接。
实施例4图4表明了核聚变炉第一壁，其中反应炉壁陶瓷板13按同于例3的方法制成，每一陶瓷板13再通过银钎焊连到奥氏体系列不锈钢基体20上，其中经过含有热膨胀系数类似于陶瓷板的碳纤维石墨底层15。钢基体20上涂金属层16，基体20中还设有冷却通道14，其中可让水通过以进行冷却。
元件2位于BN膜内部，而该膜又位于板13的外表面上。元件2连到基体20上并与铜线19连接，元件2和铜线间的连接部分用Al2O3保护管18包覆。
陶瓷板13的BN膜因中子照射受损，元件2中出现的电阻变化示于图3。
实施例5讨论火力发电系统中燃气轮机的固定叶片，为了制成构成燃气轮机固定叶片的陶瓷件材料，将108重量份包括6重量份聚乙烯醇缩丁醛，24重量份三氯乙烯，32重量份四氯乙烯，44重量份正丁醇和2重量份丁基邻苯二甲酰乙醇酸的粘合剂加入100重量份平均粒径0.5μm的金属Si粉中，混合物球磨捏和24小时而得浆料，该浆料真空脱气以除去气泡，然后按照浇铸模塑法注入燃气轮机固定叶片的橡胶模具中，再干燥10小时而得模制体。在模塑过程中，按照规定模式在橡胶模具中设置由70vol%碳纤维(直径100μm)和30vol%SiC纤维(直径100μm)组成的复合纤维(直径3mm)，以形成导电元件，然后再围绕该复合纤维浇铸浆料。
该模制体在氮气氛炉中以1℃/分钟的升温速度加热到1350℃并于1350℃保持1小时后在炉中冷却而得设有寿命诊断元件2的反应烧结Si3N4陶瓷体1(图5)，在升温期间粘合剂脱脂。为了达到耐热性，在反应烧结陶瓷表面上通过等离子体喷镀法制成30μm厚致密ZrO2膜，将钨线5钎焊到元件2端部上，再与外部测量仪器6连接后与火力发电装置诊断系统连接。
在燃气轮机的这种固定叶片使用过程中，元件2电阻加大，其典型示于图6，这表明可进行寿命诊断，这种诊断法大大提高了陶瓷件的可靠性，其中这种电阻变化传入火力发电装置诊断系统，若电阻值超过规定的临界值，该系统即发出停机信号，从而进行维护和检修。
图6示出了电阻如何随操作时间变化，陶瓷初始状态保持约500小时，然后陶瓷受损，因为因应力产生了裂纹，并且这些裂纹因疲劳而向陶瓷体内部发展，因这些裂纹的生成使元件变薄，而其电阻逐渐发生不可逆变化，图6示出了陶瓷体毁坏之前装置停机的临界使用时间。在已知图6的电阻变化模式时，就可确定与要求临界使用时间有关的临界电阻水平，这种临界使用时间根据陶瓷件尺寸，诊断元件位置和电阻以及安全系统数确定。
而且，由于电阻加大量可预测，所以可延长可允许的剩余寿命。
为了形成获得反应烧结陶瓷致密表面的膜，表面层根据使用条件和目的而可为SiC，BN，TiN，ZrO2，金刚石或ZrB2等单层或多层膜。
实施例6用金属Al粉代替例5中的金属Si粉，制成AlN陶瓷叶片并通过反应烧结法形成进行寿命诊断的导电元件，然后将其用作燃气轮机固定叶片。烧结工艺包括在氮气氛中以1℃/分钟的速度加热到1400℃并于1400℃保持，操作中于陶瓷件受损之前观察到图6所示电阻变化模式。
而且，将Si3N4，Si2N2O，AlN，Al2O3，ZrO2，B4C，BN以及富铝红柱石粉和晶须与Al粉混合而制成复合陶瓷(AlN/Si3N4，AlN/Si2N2O，AlN/AlN，AlN/Al2O3，AlN/ZrO2，AlN/B4C，AlN/BN，AlN/富铝红柱石和AlN/SiC等)并通过反应烧结法形成进行寿命诊断的导电元件。
实施例7为了制成火力发电系统中燃气轮机的转动叶片(图7)，将108重量份包括6重量份聚乙烯醇缩丁醛，24重量份三氯乙烯，32重量份四氯乙烯，44重量份正丁醇和2重量份丁基邻苯二甲酰乙醇酸的粘合剂加入96重量份平均粒径0.5μm的SiC粉和4重量份平均粒径0.2μm的BeO中，混合物球磨捏和24小时而得浆料，该浆料真空脱气以除去气泡，然后按照浇铸模塑法注入燃气轮机转动叶片的橡胶模具中，再干燥10小时而得模制体。按照规定模式在橡胶模具中设置由80vol%碳纤维(直径6μm)和20vol%SiC纤维(直径10μm)组成的复合导电纤维(直径3mm)，以形成导电诊断元件，然后再围绕该复合纤维烧铸浆料。
该模制体在氩气氛炉中以5℃/分钟的升温速度加热到2250℃并于2250℃保持1小时后在炉中冷却而得设有寿命诊断元件2的SiC陶瓷叶片(图7)，在升温期间粘合剂脱脂。为了达到耐热性，在陶瓷表面上通过等离子体喷镀法形成30μm厚致密ZrO2膜，将装有绝缘套18的钨线5钎焊到伸到涡轮盘的元件2端部上，再与外部测量仪器连接后与火力发电装置控制系统连接。该元件2同于上述方式应用，并表明可进行寿命诊断，图7示出了叶片21，鸠尾22和检测段23。
元件2无须设置在整个机械结构部件上，事实上可仅靠近经受最大应力作用的位置A设置，而且该元件应靠近表面布置(离表面5mm或以下)，这是因为陶瓷件有可能出现裂纹，导致线性断裂，因此对表面裂纹的敏感性极其重要，表面上出现的裂纹逐渐切断纤维束，从而使电阻加大。
实施例8为了制成燃气轮机的罩件30(图8)，将108份包括6重量份聚乙烯醇缩丁醛，24重量份三氯乙烯，32重量份四氯乙烯，44重量份正丁醇和2重量份丁基邻苯二甲酰乙醇酸的粘合剂加入95重量份平均粒径0.1μm的Si3N4，3重量份烧结剂Y2O3和2重量份AlN中，混合物球磨捏和24小时而得浆料，该浆料真空脱气以除去气泡，然后注入燃气轮机罩件的橡胶模具中，再干燥10小时而得模制体。在橡胶模具中根据规定模式布置直径6μm的C纤维和直径10μm的Al2O3纤维的复合C/Al2O3纤维(直径2mm)作为进行寿命诊断的导电元件，然后再围绕该复合纤维浇铸造浆料。
该模制体在氮气氛炉中以5℃/分钟的升温速度加热到1750℃并保持3小时后在炉中冷却而得设有寿命诊断元件2的常压烧结Si3N4陶瓷罩件(图8)，在升温期间粘合到脱脂。为了达到耐热性，在Si3N4陶瓷表面上通过等离子体喷镀法形成10μm厚致密ZrO2膜，将铜线5用银钎焊到伸到燃气轮机壳体外部的元件2端部上，再与外部测量仪器6连接后与火力发电装置控制系统连接，其中元件2和铜线用氧化铝保护管18绝缘保护。
如图8所示陶瓷件用作燃气轮机罩件，并且在陶瓷件受损之前的应用过程中观察到同于图5所示电阻变化模式。
图9示出了燃气轮机转动部分，其中包括内置陶瓷罩件30，壳体31，转动叶片32和涡轮盘33。
实施例9为了制成形状类似于图5所示的燃气轮机另一固定叶片，将108重量份包括6重量份聚乙烯醇缩丁醛，24重量份三氯乙烯，32重量份四氯乙烯，44重量份正丁醇和2重量份丁基邻苯二甲酰乙醇酸的粘合剂加入95重量份平均粒径0.1μm的Si3N4粉，3重量份烧结剂Y2O3和2重量份AlN中，全部混合物球磨捏和24小时而得浆料，该浆料真空脱气以除去气泡，然后按照浇铸模塑法注入燃气轮机固定叶片的橡胶模具中，再干燥10小时而得模制体。按照规定模式在橡胶模具中设置由70vol%SiC纤维(直径50μm)和30vol%Al2O3纤维(直径70μm)组成的复合SiC/Al2O3纤维(直径2mm)，以形成进行寿命诊断的导电元件，然后再围绕该复合纤维浇铸浆料。
该模制体在氮气氛炉中以5℃/分钟的升温速度加热到1750℃并于1750℃保持3小时后在炉中冷却而得设有其电阻可测的导电元件的常压烧结Si3N4陶瓷，在升温期间粘合剂脱脂。为了达到耐热性，在烧结Si3N4陶瓷表面上通过等离子体喷镀法形成10μ厚致密ZrO2膜，将铜线5用银钎焊到元件2端部上，再与外部测量仪器6连接后与火力发电装置诊断系统连接。
陶瓷体受损之前的应用过程中观察到同于图6所示的电阻变化。
实施例10为了制成火力发电装置的耐腐蚀陶瓷管件17(图10)，将108重量份包括6重量份聚乙烯醇缩于醛，24重量份三氯乙烯，32重量份四氯乙烯，44重量份正丁醇和乙重量份丁基邻苯二甲酰乙醇酸的粘合剂加入97重量份平均粒径0.1μm的SiC粉，1重量份烧结剂BeO和2重量份AlN中，该混合物球磨捏和24小时而得浆料，该浆料再真空脱气以除去气泡，然后用离心模塑机将其注入(石膏)多孔模具中以制成10mm厚，直径150mm的管件，再按照规定模式在多孔模具表面上设置由50vol%碳纤维(直径60μm)和50vol%Al2O3纤维(直径100μm)组成的复合纤维(直径3mm)以形成进行寿命诊断的导电元件，然后再围绕该复合纤维烧铸上面制成的浆料。在从模制体内部去除蜡后，该模制体在氩气氛中于2100℃处理3小时，这就使进行寿命诊断的导电元件2设在了管件17中。
该陶瓷件17用作火力发电装置的耐腐蚀管件，结果是在陶瓷件因腐蚀而严重受损之前观察到如图11所示的电阻变化模式，这表明在这种情况下可进行寿命诊断，这种诊断大大提高了陶瓷件的可靠性。
实施例11图12所示管件用类似于例10的方法制成，只是如图12所示在陶瓷体17a中埋入了多个单独的导电元件2并且所有元件均依序与可测量其电阻的电阻测量设备6连接。在化学装置中，这些管件可能易受酸或碱腐蚀，其中酸或碱可使元件2的电阻发生如图13所示的不可逆逐渐变化，因此可进行寿命诊断，而多个元件2又可测得受腐蚀区域位置。
同样可用如图14，15和16所示方法制成设有可进行寿命诊断的导电元件的柱件。在图14(a)中，包括纤维如碳纤维的导电元件37绕在心轴34上并加热，这些制品再放入带有形状同于要求部件的型腔35的模具36中并注入陶瓷浆料，结果就形成了可测定其电阻的元件(图14(b))。
图15示出了模塑成部分柱形并烧结的方法，其中包括将纤维如碳纤维导电元件37放在未烧结陶瓷带中或其表面上并在其上叠置多层这样的未绕结带，这种方法可在模制体内外表面之间设置任何要求的测量电路。
图16示出了模塑成部分柱状体并烧结的方法，其中包括在两条未烧结陶瓷带38表面上涂上导电膜37并将未烧结带叠起来。
实施例12为了制成应用本发明的另一耐腐蚀管件，将108重量份包括6重量份聚乙烯醇缩丁醛，24重量份三氯乙烯，32重量份四氯乙烯，44重量份正丁醇和2重量份丁基邻苯二甲酰乙醇酸的粘合剂加入100重量份平均粒径0.1μm的Si粉中，混合物球磨捏和24小时而得浆料，该浆料真空脱气以除去气泡，然后用离心模塑机注入多孔模具(石膏)中以制成直径150mm，厚10mm的管件，再按照规定模式在多孔模具表面设置由50vol%碳纤维(直径100μm)和50vol%Al2O3纤维(直径100μm)组成的复合纤维(直径3mm)，然后再围绕该复合纤维浇铸浆料。在从模制体中加热去除蜡以后，该模制体在氮气氛中于2100℃处理3小时，这样就在管件中设置了其电阻可测并可用来进行寿命诊断的导电元件(图10)。
在用作耐腐蚀管件时，在陶瓷件因腐蚀受损之前该管显示出如图11所示的电阻变化模式，这样就能在任何时刻预测剩余使用寿命，即进行寿命诊断。
可用金属Al粉代替金属Si粉而制成其导电元件具有同样形状和同样性能的AlN陶瓷管件。
实施例13为了制成燃气轮机燃烧室内衬件，将13重量份聚乙烯，硬脂酸和合成蜡的混合物加入100重量份平均粒径1μm的金属Si粉中并将整个混合物捏合，该物料经挤出机制成10mm厚，100mm见方的板，再模塑形成包括碳纤维(直径10μm，长1000μm)，Al2O3纤维(直径5μm，长1000μm)和SiC纤维(直径10μm，长100μm)的复合长纤维(直径1.5mm)作为该板上用于寿命诊断的导电元件，其中所用碳纤维，Al2O3纤维和SiC纤维的混合比为30∶50∶20vol%。
模制板1在氮气氛炉中加热到1350℃，升温速度1℃/min，1350℃保持1小时后在炉中冷却而得反应烧结Si3N4陶瓷，其中设有进行寿命诊断的导电元件，粘合剂在温升过程中脱脂。为了获得耐热性，在该陶瓷表面上形成厚0.3mm的致密ZrO2膜。由于反应烧结材料表面为多孔面，所以该膜粘结牢固。元件端部经银钎焊与铜线连接后再连到外部测量设备上。
该陶瓷件用于燃气轮机燃烧室的内衬，结果是导电元件的电阻变化显示出类似于图6所示模式，而同时ZrO2膜因燃烧试验中燃烧而受损。
实施例14用金属Al粉代替例13中的金属Si粉，制成AlN陶瓷件，其中设有反应烧结形成的寿命诊断用导电元件，该陶瓷件用于燃气轮机燃烧室内衬，并得到类似于图6所示结果。
可用各种方法来形成其电阻可变的导电元件，其中可将包括纤维如碳纤维和载体介质的浆料注入具有元件要求形状的模具中，图18示出了带要求形状槽口43的模具44，加热后元件2从模具中取出并如图18所示与陶瓷模制体1烧结成整体。
另外，包括纤维如碳纤维和介质的浆料可在陶瓷模制体表面上印制成要求模式后与模制体一起烧结，而且该浆料又可如图17所示用喷嘴42涂成要求模式并在加热后元件与陶瓷模制体一起烧结。
实施例15为了制成另一燃气轮机燃烧室内衬件，将13重量份聚乙烯，硬脂酸和合成蜡的混合物加入97重量份平均粒径0.1μm的Si粉，1重量份烧结剂BeO和2重量份AlN中并将整个混合物捏和后用挤出机成型为10mm厚，100mm见方的板，再于这两板之间模制成包括碳纤维(直径100μm，长10μm)和Al2O3纤维(直径100μm，长1000μm)的复合长纤维(直径2.0mm)作为进行寿命诊断的5个导电元件2(图19)，其中碳纤维和Al2O3纤维间的混合比为60∶40vol%。为了探测燃烧磨损深度，使元件2离下述表面膜3的深度如图19变化。
模制体在氩气氛炉中以1℃/min的升温速度升到2150℃并于2150℃保持3小时，在炉中冷却而得布置有5个寿命诊断元件2的大气压烧结SiC陶瓷体1，粘合剂在升温期间脱脂。为了达到耐热性，在陶瓷体表面上用等离子体喷镀法形成10mm厚致密Al2O3膜3，铜线钎焊在元件2的端部4上并与外部测量仪器6连接后再与火力发电装置诊断系统连接。
该陶瓷件如图19所示用于燃气轮机内衬40中，结果是磨损深入并且Al2O3膜3受损时观察到图20所示电阻变化模式，这表明该陶瓷体可提供有关燃烧室内衬磨损和寿命的信息。
实施例16为了制成应用本发明的涡轮增压器转子9图21)，将1重量份三乙醇胺和65重量份蒸馏水加入97重量份平均粒径0.1μm的金属Si3N4粉，1重量份烧结剂Y2O3和2重量份Al2O3中并将混合物捏和后模铸成涡轮增压器转子叶片49(2000cc发动机)。模铸时如图21将100根碳纤维(直径100μm，长5cm)的集束放入转子中作为进行寿命诊断的导电元件。
该模制体在氮气氛炉中以1℃/分钟的升温速度加热到1750℃并于1750℃保持2小时后在炉中冷却而得反应烧结Si3N4陶瓷体，在升温期间粘合剂脱脂。该叶片49再固定在包括氧化铝绝缘套48的金属轴47上，通过这些套48，滑动环和碳刷46将元件2端部连到外部电阻测量仪器45上。
该涡轮增压器转子然后经受加速试验，元件2的电阻在陶瓷件受损时发生变化并得以检测确定，因此可将转子不正常情况传达给操作人员。
实施例17为了制成金属连铸机的陶瓷件(图22)，将1重量份三乙醇胺和65重量份蒸馏水加入50重量份ZrO2粉，30重量份SiO2粉和20重量份Al2O3粉中并混合，该物料用来制成图22所示的连铸机金属熔化中间包50，铸模入口耐火件51和铸模52。在模制时，将100根SiC纤维(直径100μm，长50cm)的集束放入每一部件中作为其电阻可测并用来进行寿命诊断的导电元件2。
在每种情况下，物料在模具中成型并在氧化气氛中以5℃/分钟的升温速度将模制体加热至1650℃并于1650℃保持2小时后，在炉中冷却而得设有导电元件的陶瓷体，在升温期间粘合剂脱脂。导电元件2端部用铜线与外部测量仪器6连接，并且按要求用Al2O3管使元件2绝缘。
在试验中，陶瓷件中出现裂纹时因不断劣化而检测到元件2的电阻变化，因此可将例如部件剩余寿命等有关信息传达给操作人员，这就保证了有效维护连铸装置。
实施例18为了制成本发明陶瓷轴承件(图23)，将13重量份聚乙烯，硬脂酸和合成蜡的混合物加入95重量份平均粒径1μm的Si3N4粉，3重量份Al2O3粉和2重量份Y2O3中并将该混合物捏和后用注模机制成直径50mm的球轴承内外圈56和57，并在该轴承内外圈中用包括碳纤维(直径10μm，长1000μm)，Al2O3纤维(直径5μm，长1000μm)和SiC纤维(直径10μm，长100μm)，Al2O3的复合长纤维(直径1.5mm)作为进行寿命诊断的导电元件2，其中碳纤维，Al2O3纤维和SiC纤维的混合比为50∶30∶20vol%。
成型后，每一模制体在氮气氛中以5℃/分钟的升温速度加热到1750℃并于该温度下保持1小时后在炉中冷却而得设有元件2的Si3N4陶瓷体，在升温期间粘合剂脱脂。然后将铜线钎焊到元件2的端部上并与外部电阻测量仪器连接，该陶瓷轴承件用于机床主轴。在陶瓷件中与轴承中球接触的表面磨损并在转动试验中损坏时，元件2的电阻就会发生变化。
以这种方式，本发明不仅可用于球轴承，而且可用于大量其它轴承，例如可用于泵中易磨损的机械密封件，以及其它零部件如浆料运输球阀，烧嘴，泵定子和转子，泵壳体和泵主轴。
实施例19图24示出了本发明陶瓷体，可用作例如燃烧炉瓦并可用于许多其它情况，其中埋入了设在层面上的导电元件2三维基座。每一层面上排列的元件2均与基座中邻近的上或下层面上排列的元件2垂直，带有排列成序的元件2的未烧结带叠层体烧结而制成陶瓷体，图示陶瓷体1为150mm见方并有10mm厚，其中每一元件2为1mm宽，0.1mm厚。
为了制成图24的陶瓷体，将9重量份包括聚乙烯热塑性树脂，硬脂酸和合成蜡的粘合剂加入100重量份50vol%平均粒径0.5μm的金属Si粉和50vol%平均粒径3μm的导电TiN粉的混合物中，然后捏和制成元件2的导电物料A。再将9重量份包括聚乙烯热塑性树脂，硬脂酸和合成蜡的同样粘合剂加入100重量份50vol%平均粒径0.5μm的金属Si粉和50vol%平均粒径10μm的Al2O3粉的混合物中，并捏和制成带有元件2的带状陶瓷材料B。
材料B挤出成带后涂上物料A而用作元件2，带再叠成陶瓷体后在氮气氛中以1℃/分钟加热至1350℃并于1350℃保持1小时后在炉中冷却而得如图24所示的反应绕结复合陶瓷体。在该工艺中，导电元件2和物料B相互反应烧结成整体，因此在导电元件和物料B之间几乎没有出现剩余应力。在反应烧结方法中，烧结期间几乎没有出现收缩现象，这样就易于制成具有复杂形状的部件。
为了获得耐热性，在所得到的反应烧结复合陶瓷表面上形成致密的0.3mm厚ZrO2膜。由于反应烧结材料表面为多孔面，孔中也可形成ZrO2，并且膜粘合牢固。然后将钨线钎焊到元件2端部上，并再与外部电阻测量仪器6连接。
该陶瓷件用于燃烧室内衬件，在燃烧试验中，在陶瓷件的ZrO2膜受损时出现电阻变化，这就能诊断受损位置。
在该实施例中，可用导电化合物如ZrN，TiC，ZrC，VN，TiB2，ZrB2，Cr2N和TaN代替TiN。
图25-30为用于本发明陶瓷体时其电阻可变的各种优选导电元件2的放大示意图。
图25示出一般相互平行的长导电纤维9的完全集束状态导电元件，图26示出了由短导电纤维(晶须)7集束构成的导电元件，图27的导电元件为短导电纤维(晶须)7与夹在其间的绝缘颗粒12组成的集束，图28的导电元件为长导电纤维9和长绝缘了纤维10的集束，而图29的导电元件由短导电纤维(晶须)7和短绝缘纤维(晶须)8形成，最后的图30示出了由短导电纤维(晶须)7和短绝缘纤维(晶须)8与夹在其间的导电颗粒11和绝缘颗粒制成的导电元件，在各元件横截面上有大量的纤维(晶须)。
实施例20如图31所示，本发明装置中计算剩余寿命的设备包括可预先存储规定信息的数据存储设备53，可按程序进行规定运算的计算设备52和显示计算设备53所给出的剩余寿命的输出设备如CRT54。
存储设备53包括(1)可预先存储陶瓷体中导电元件电阻变化和例如代表因该陶瓷体曝露在高温下或由粒子如中子照射引起的脆化程度的脆化量之间的关系的第一存储器131，(2)可预先存储陶瓷体高温下或由粒子照射量和脆化量以及相应于该试件开始断裂的临界脆化量的使用量之间的关系的第二存储器132和(3)可预先存储与所说陶瓷体组成几乎相同的试件高温或照射粒子量和该计划体制曝露在高温或粒子照射下的时间之间的关系的第三存储器133。
在存储器53中存储的内容可参照图33进行说明，其中图33(a)为表明第一存储器中数据的线图，其中纵轴表明了导电元件的电阻变化，而水平轴表示脆化量，由纵轴表示的电阻变化和由水平轴表示的脆化量与处于高温或粒子照射前后的裂纹形成量之比(即曝露在高温或粒子照射下之后的断裂强度与这样曝露之前的断裂强度之比)有关。
图33(b)为表明第二存储器中内容的线图，其中纵轴表示高温使用量或照射到试件上的粒子量，而水平轴表示脆化量，示出的临界脆化量与发生临界断裂时的脆化量有关。
图33(c)为表明第三存储器中内容的线圈，其中纵轴表示高温使用量或照射量，而水平轴表示使用时间，其中临界使用时间定义为相应于临界高温使用量或粒子照射量的使用时间。
由CPU构成的计算设备53包括(1)可从第一存储器获得相应于试件测定电阻变化的脆化量的第一计算器121，(2)可从第二存储器获得相应于第一计算器所得脆化量的试件高温使用量或照射量的第二计算器123，(3)可从第三存储器获得相应于第二计算器所得高温使用量或照射量的试件计算使用时间的第三计算器123和(4)可从第三存储器获得相应于第二存储器中所存临界量的临界使用时间的第四计算器124，其中将该临界使用时间与计算使用时间比较并计算出这两者之间的差值或比例。
这种方法可参照图32所示流程图说明，其中第一步141是输入处于高温或粒子照射下的试件电阻变化，第二步142是从已存储了其组成同于该试件的物料的规定值之间的预定关系的第一存储器获得相应于试件电阻变化的脆化量或程度，第三步143是从已存储了规定值之间的预定关系的第二存储器获得相应于试件脆化量的试件使用量或照射量，其中若试件使用量或照射量已超过临界值，则第四步144中将该信息输出以显示出陶瓷体需要进行替换(步骤145)的警报，但若试件使用量或照射量低于临界值，就从已预先存储了规定值的已知关系的第三存储器获得相应于该使用量或照射量的计算使用时间(步骤146)，而最后步骤是获得计算使用时间和临界使用时间之间的差值或比例或这两者(步骤148)。
上述实施例只是举例说明本发明，并不限制本发明范围。
权利要求
1.应用时经受应力作用并因应力作用而逐渐变化的陶瓷件(1)，其中包括烧结陶瓷材料和与该材料接触的导电元件(2)，其特征在于该元件(2)具有可测电阻并且该电阻根据该陶瓷体变化而加大，其方式是可得到有关该陶瓷体变化的信息。
2.权利要求1的陶瓷体，其中该导电元件(2)位于陶瓷体中因应力而发生结构变化的区域。
3.权利要求1或2的陶瓷体，其中该导电元件(2)由体电阻不大于1Ω·cm的材料制成。
4.权利要求1-3中任一项的陶瓷体，其中该导电元件(2)从横截面上看包括选自纤维(9，10)和晶须(7，8)的细长元件集束。
5.权利要求4的陶瓷体，其中该导电元件(2)从横截面上看平均包括至少10根细长元件。
6.权利要求5的陶瓷体，其中该导电元件(2)从横截面上看平均包括100-105根细长元件。
7.权利要求4的陶瓷体，其中该导电元件直径100μm至1cm，优选100μm至1mm。
8.权利要求1-7中任一项的陶瓷体，其中该导电元件沿其长度方向上的电阻是均匀的。
9.权利要求1-8中任一项的陶瓷体，其中该导电元件埋入该陶瓷材料中并与其共同烧结。
10.权利要求1-9中任一项的陶瓷体，选自a)燃气轮机部件，选自转动叶片，固定叶片，燃烧室过渡段，换热部件，罩件和管件;b)核裂变动力发电部件，选自屏蔽部件，换热部件和管件;c)设在真空容器壁远离等离子体一侧上的核聚变部件;d)高温气体运动而产生电能的磁流体动力发电部件，其中包括高温气体排气管内壁部件;e)汽车涡轮增压器转子部件或f)金属铸造机器中间包。
11.权利要求1-10中任一项的陶瓷体，其中该陶瓷体因应力作用而发生逐渐变化，并且该导电元件电阻根据陶瓷体因应力引起的逐渐变化而发生不可逆加大。
12.包括权利要求1-11中任一项的陶瓷体和其监测设备的装置，其中该监测设备包括测量该导电元件(2)电阻的测量设备(6)。
13.权利要求12的装置，其中该监测设备包括将该测量设备(6)测得的电阻值与至少一个预定电阻值比较并根据比较结果输出信号的评判设备(52，53)。
14.权利要求13的装置，其中该评判设备(52，53)包括将该测量设备测得的所说电阻值与所说预定值比较并在所说测定电阻超过预定临界值时输出信号的比较设备。
15.权利要求14的装置，其中该监测设备包括存储所说电阻根据所说陶瓷材料变化而变化的预定模式的存储设备(53)，并且所说评判设备包括将测得的电阻与所说预定模式比较的比较设备(52)。
16.权利要求13的装置，其中所说监测设备包括根据所说测定电阻而计算与所说陶瓷体剩余有效使用寿命有关的值的设备(52，53)。
17.因应力引起的陶瓷烧结体(1)的变化检测方法，其特征在于测定与所说陶瓷体(1)中烧结陶瓷材料紧密接触的导电元件(2)的电阻并根据所测得的电阻评估所说陶瓷体变化。
18.权利要求17的方法，其中所说陶瓷烧结体变化为其机械性能变化。
19.权利要求17或18的方法，其中所说导电元件(2)从横截面上看包括选自纤维(9，10)和晶须(7，8)的细长元件集束。
20.权利要求17-19中任一项的方法，其中所说评估陶瓷体变化的步骤是将所说测定电阻与其至少一个预定值比较。
21.应用时经受应力作用并因应力作用而发生逐渐变化的陶瓷体(1)的剩余有效使用寿命值确定方法，其特征在于在该陶瓷体使用一段时间后测定与所说陶瓷体中陶瓷材料接触的导电元件(2)电阻并根据测定电阻计算所说剩余有效使用寿命值。
22.权利要求21的方法，其中计算所说值的步骤包括将所说测定电阻与所说导电元件电阻根据所说陶瓷体变化而变化的预定模式比较。
23.权利要求17-23中任一项的方法，其中还包括通过所说导电元件的电阻热加热陶瓷体而缓解陶瓷体中热应力的步骤。
全文摘要
为诊断寿命并达到维护要求，在应用时受应力作用并随应力而逐渐变化的烧结陶瓷体(1)中装上与烧结陶瓷材料接触的导电元件(2)，其电阻可测并根据陶瓷体变化而加大，这样可得有关陶瓷体变化的信息，其中将电阻测量设备(6)与导电元件(2)连接，而元件(2)中从其横截面上看可包括细长元件如纤维或晶须的集束。
文档编号G01L1/20GK1086316SQ9311732
公开日1994年5月4日 申请日期1993年9月17日 优先权日1992年9月18日
发明者安富义幸, 宫田素之, 菊池茂, 齐藤幸雄 申请人:株式会社日立制作所