CN100432010C - 多层陶瓷内衬复合管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多层陶瓷内衬复合管及其制备方法，是一种以金属间化合物和钛化物为陶瓷内衬复合钢管及其制备方法属于梯度复合材料的技术领域，本发明克服了采用离心自蔓延燃烧法制备陶瓷内衬复合管时陶瓷层与金属层为机械结合结构和力学性能不高的缺点。其特征在于是在钢管内填充混合的反应原料粉末并固定在旋转机构上，当转速达到1500～2000rpm时，用点火器点燃反应原料并使之形成高温自蔓延反应；高温反应合成的反应物按照不同密度在钢管内壁形成层状内衬层；合成的内衬层结构沿径向依次为钢管—金属间化合物—钛化物陶瓷—氧化铝陶瓷，本发明结合强度、力学性能、抗磨损和抗腐蚀性能得到显著提高。

Description

多层陶瓷内衬复合管及其制备方法
技术领域
本发明多层陶瓷内衬复合管及其制备方法，是一种以金属间化合物和钛化物为过渡层的陶瓷内衬复合管及其制备方法属于梯度复合材料的技术领域。
背景技术
近年发展起来的一类陶瓷内衬复合管的制备方法是利用自蔓延反应燃烧和离心力的技术，形成陶瓷层-铁金属层-钢管的陶瓷内衬复合管，燃烧剂原料以氧化铁和铝粉为主。由于陶瓷层与铁金属层间的物理和化学性能差异较大，只能形成机械结合的结构，从而影响复合管的力学性能和使用寿命。
发明内容
为了克服上述背景技术中的不足，本发明多层陶瓷内衬复合管及其制备方法目的在于提出一种以非金属材料为过渡层的陶瓷内衬复合管的设计方案及其制备方法。
本发明多层陶瓷内衬复合管及其制备方法，其特征在于是一种以非金属材料为过渡层，分别与金属管基体和氧化铝陶瓷形成冶金结合的多层陶瓷内衬复合管，以非金属材料为过渡层的陶瓷内衬复合管的结构由径向依次为：金属钢管-金属间化合物过渡层-钛化物过渡层-氧化铝陶瓷，各层的密度分别为：钢管6.83～8.83g·cm-3，金属间化合物4.9～5.2g·cm-3，钛化物4.5～4.9g·cm-3，氧化铝3.92～3.95g·cm-3，压溃强度240～280MPa，陶瓷内衬层的剪切强度50～70MPa。
上述的一种多层陶瓷内衬复合管，其特征在于所述的以非金属材料为过渡层是以金属间化合物和钛化物为过渡层，金属间化合物过渡层和钛化物过渡层厚度为0.5-3mm；金属间化合物为FeAl、NiAl、NiFe和Fe3C的混合物；钛化物为TiO2、TiB2和TiC的混合物。
上述的一种多层陶瓷内衬复合管的制备方法，其特征在于，在钢管内填充混合的反应原料粉并夹持在旋转机构上，当钢管旋转速度达到1500～2000rpm时，用点火器点燃粉料并使粉料形成自持燃烧反应，反应结束后，将冷却后的复合管进行300～350℃×2小时消除热应力的退火热处理高温燃烧反应过程的化学方程式为：
Fe2O3+2Al→2Fe+Al2O3    (1)
CrO3+2Al→Cr+Al2O3    (2)
3Ti+B4C→TiC+2TiB2    (3)
Ni+Fe→NiFe    (4)
Al+Fe→AlFe    (5)
上述的一种多层陶瓷内衬复合管的制备方法，其特征在于所述的在钢管内填充混合的反应原料粉的组分和配比为：铝粉15～28％；镍粉8～15％；钛粉10～15％；碳化硼5～15％；三氧化二铁20～35％；三氧化铬5～10％；硼酸钠5～10％；粉料的颗粒尺寸为10～50μm。
本发明多层陶瓷内衬复合管及其制备方法，由于钛化物熔体与氧化铝和金属间化合物有较好的润湿性，保证了层间结合界面的良好接合，三氧化铬和硼酸钠为添加剂，可改善高温熔体的润湿性和过冷度。含有金属间化合物和钛化物的过渡层的连接结构可以显著缓解层间结合界面的失配问题，减小热应力和提高抗热震性，提高复合管的力学性能、层间剪切强度和压溃强度。本发明提出的复合管制备方法与一般的复合管制备方法的区别是：
1、原料粉中加入一定比例的高熔点金属粉和钛化物后形成非金属过渡层的结构。
2、本发明提出的复合管制备方法所制备的复合管的钢管和内衬氧化铝陶瓷层与过渡层形成冶金结合，而一般的陶瓷内衬复合管的层间为机械结合。
3、用本发明制备的陶瓷内衬复合管的压溃强度240～280MPa，陶瓷内衬层的剪切强度50～70MPa。陶瓷层密实光滑，具有较高的抗磨蚀性能。
附图说明
图1为陶瓷内衬复合管的原理图，图中1-钢管，2-金属间化合物，3-钛化物，4-氧化铝，5-反应原料粉，6-旋转力；
图2为陶瓷内衬复合管的结合界面的金相图
(a)金属间化合物层与基体金属的结合界面的金相图
(b)金属间化合物层与氧化铝陶瓷层的结合界面的金相图
图中，7-基体金属，8-金属间化合物，9-钛化物，10-氧化铝。
具体实施方式
实施方式1：
20#钢管，φ52mm，壁厚5mm，长1000mm，内装混合粉料313克，混合粉料的配比为：铝粉23％，镍粉15％，钛粉15％，碳化硼10％，三氧化二铁25％，三氧化铬5％，硼酸钠7％，粉料粒度为15-40μm。当钢管旋转速度达到2000rpm时，用点火器点燃粉料并使粉料形成自持燃烧反应，反应时间15秒。反应完成后将冷却后的复合管进行350℃×2小时的退火热处理。复合管的压溃强度248MPa，陶瓷内衬层的剪切强度55MPa。
实施方式2：
Cr-Mo耐热钢管，φ85mm，壁厚5mm，长3000mm，内装混合粉料2100克，混合粉料的配比为：铝粉25％，镍粉10％，钛粉10％，碳化硼5％，三氧化二铁25％，三氧化铬15％，硼酸钠10％，粉料粒度为4-10μm。当钢管旋转速度达到1700rpm时，用点火器点燃粉料并使粉料形成自持燃烧反应，反应时间28秒。反应完成后将冷却后的复合管进行300℃×1小时的退火热处理。复合管的压溃强度265MPa，陶瓷内衬层的剪切强度45MPa。
实施方式3：
20#钢管，φ70mm，壁厚6.5mm，长1000mm，内装混合粉料400克，混合粉料的配比为：铝粉22％，镍粉15％，钛粉10％，碳化硼10％，三氧化二铁30％，三氧化铬8％，硼酸钠5％，粉料粒度为15-40μm。当钢管旋转速度达到1500rpm时，用点火器点燃粉料并使粉料形成自持燃烧反应，反应时间18秒。反应完成后将冷却后的复合管进行350℃×2小时的退火热处理。复合管的压溃强度265MPa，陶瓷内衬层的剪切强度40MPa。

Claims (3)

1.一种多层陶瓷内衬复合管，其特征在于是一种以非金属材料为过渡层，分别与金属管基体和氧化铝陶瓷形成冶金结合的多层陶瓷内衬复合管，以非金属材料为过渡层的陶瓷内衬复合管的结构由径向依次为：金属钢管—金属及金属间化合物—钛化物过渡层—氧化铝陶瓷，各层的密度分别为：钢管6.83～8.83g·cm-3，金属间化合物4.9～5.2g·cm-3，钛化物4.5～4.9g·cm-3，氧化铝3.92～3.95g·cm-3，压溃强度240～280MPa，陶瓷内衬层的抗剪强度50～70MPa。
2.按照权利要求1所述的一种多层陶瓷内衬复合管，其特征在于所述的以非金属材料为过渡层是以金属间化合物和钛化物为过渡层，金属间化合物过渡层和钛化物为过渡层的厚度为0.5～3mm，金属间化合物为FeAl、NiAl、NiFe和Fe3C的混合物；钛化物为TiO2、TiB2和TiC的混合物。
3.权利要求1所属的一种多层陶瓷内衬复合管的制备方法，其特征在于，在钢管内填充混合的反应原料粉并夹持在旋转机构上，当钢管的旋转速度达到1500～2000rpm时，用点火器点燃粉料并使粉料形成自持燃烧反应，反应结束后，将冷却后的复合管进行300～350℃×2小时消除热应力的退火热处理，
上述的混合的反应原料粉的组分和配比为：铝粉15～28％；镍粉8～15％；钛粉10～15％；碳化硼5～15％；三氧化二铁20～35％；三氧化铬5～10％；硼酸钠5～10％；粉料的颗粒尺寸为10～50μm。
上述的高温燃烧反应过程的化学方程式为：
Fe2O3+2Al＝2Fe+Al2O3    (1)
CrO3+2Al＝Cr+Al2O3      (2)
3Ti+B4C＝TiC+2TiB2      (3)
Ni+Fe＝NiFe             (4)
Al+Fe＝AlFe             (5)
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