基于SHS的陶瓷内衬/钢管复合成形法

作     者：何威威 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庞玉华

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：重力SHS法 陶瓷内衬复合管 微观组织 物理及力学性能 ZrO2+SiC协同增韧 

摘      要：陶瓷材料具有高显微硬度、强抗腐蚀能力、耐高温及耐磨损性能,通过自蔓延反应制备的陶瓷内衬复合管,集钢与陶瓷材料优势于一身,在腐蚀、磨损、高温运输环境领域具有广阔应用前景。但由于单相AlO陶瓷致密度低、断裂韧性差且陶瓷层与钢管基体结合强度较低等问题导致复合管应用受极大限制。针对上述问题,本文采用重力自蔓延高温合成技术,以Al+FeO作为主反应体系,先后加入SiO、ZrO、纳米SiC颗粒三种添加剂制备复合管,并基于复合管宏观界面结构及组织性能物相分析,通过探究添加剂含量对管道微观结构及物理力学性能影响优选最优试验配比,以达到制备高致密度、高硬度、高断裂韧性的综合性能优良的陶瓷内衬复合管。主要结论如下:复合管界面结构分为基体层、中间过渡层、陶瓷层三层,其内衬层(过渡层+陶瓷层)与基体之间存在机械嵌合及元素扩散两种复合机制,结合强度高达10.46Mpa。随ZrO的加入陶瓷层致密度及硬度均出现先增大后减小趋势,且在其添加量为3wt%达到最大值,显微硬度达1667HV、致密度为92.86%,此时磨损量为7mg/h、断裂韧性达9.28MPa·m,断裂韧性较单一AlO陶瓷提高106%。在3wt%ZrO基础上,SiC最佳添加量为2wt%,此时陶瓷层显微硬度达1730HV、致密度为93.12%、断裂韧性达31.27Mpa·m,6.31mg/h,较单独添加ZrO断裂韧性提高236%。复合管陶瓷层主晶相为a-AlO,ZrO与SiC颗粒均不参与化学反应,晶界间分布尖晶石(FeAlO)与莫来石(3AlO·2SiO);ZrO以羽毛状团聚于晶界间;SiC颗粒加入量对陶瓷微观形貌影响不大,少量分布于陶瓷晶粒内。引入ZrO及SiC两种添加剂后复合管陶瓷层发生协同增韧效果,其中颗粒增韧、相变增韧、微裂纹增韧机制并存,增韧效果显著优于单种ZrO增韧方法。综上所述,复合管添加剂最优配比为3wt%ZrO、2wt%纳米SiC颗粒,通过较少含量添加剂的引入制备高致密度、高硬度、高断裂韧性且结合强度较好的陶瓷内衬复合管,对于提高复合管使用寿命,降低高质量复合管制备成本具有一定指导意义。