CN107586134B - 一种基于应力波理论叠层陶瓷喷嘴制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷嘴技术领域，特别涉及一种基于应力波理论叠层陶瓷喷嘴制备方法。本发明的特征是：该喷嘴入口采用9层、出口采用7层材料组成。叠层材料以碳化硼、碳化钛、氧化铝、氧化钇为原料，根据各叠层材料的混合理论密度、层厚、喷嘴内外径计算出每一层质量，按叠层顺序和层数摊平于石墨模具中，层层预压放入真空烧结炉，温度1850～1900℃，压力30～35MPa，保温40～60min。通过建立应力波传导理论数学模型，遴选降低磨料冲击的材料参数，提高陶瓷喷嘴抗冲蚀磨损性能；同时入口出口处叠层间热膨胀系数差异，使喷嘴出口和入口处在热压烧结后形成残余压应力，可缓解喷砂过程中喷嘴受到的拉应力。因此本发明制备的叠层陶瓷喷嘴具有良好的抗冲蚀磨损性能，使用寿命大大提高。

Description

一种基于应力波理论叠层陶瓷喷嘴制备方法

技术领域

本发明属于喷嘴技术领域，特别涉及一种基于应力波理论叠层陶瓷喷嘴制备方法。该方法制备的陶瓷喷砂嘴可广泛应用于表面清洗、表面强化、表面改性等领域。

背景技术

大型轮船、航母制造过程使用的钢板、输送石油使用的压力管道等在喷涂前的除锈工序一般采用喷砂处理，即通过空气将砂粒磨料喷射到待加工物体表面以达到表面处理的目的。喷砂喷嘴在使用过程中，由于使用环境极度恶劣，使用寿命较短，因此喷砂喷嘴要求具有高的硬度和耐磨性，且具有一定强度和韧性。目前，国内外制作喷嘴的材料有金属、硬质合金和陶瓷等。在相同条件下钢制喷嘴的寿命远不如硬质合金喷嘴，硬质合金喷嘴的寿命不如陶瓷喷嘴。

陶瓷喷嘴首选原材料是碳化硼 (B₄C)。中国专利 (专利号：ZL 02135599.1,2004) 报到了一种以B₄C 为基体，(W, Ti)C固溶体为增韧补强相的陶瓷喷砂嘴制备方法，热压过程B₄C和(W, Ti)C发生原位化学反应，该喷嘴不是叠层结构，且原位化学反应没有在喷嘴入口和出口处形成残余压应力。中国专利 (专利号：CN 102537954, 2012) 报到了一种叠层陶瓷水煤浆喷嘴的制备工艺。该喷嘴入口处采用耐热刚，出口处采用叠层陶瓷结构，以氧化铝(Al₂O₃)为基体，硼化钛(TiB₂)和碳化钛(TiC)为增强相。出口部Al₂O₃/ TiB₂和Al₂O₃/ TiC陶瓷层间热膨胀系数的差异使得喷嘴出口部在热压烧结后形成一定残余压应力，从而可缓解陶瓷水煤浆喷嘴出口部在使用过程中的热应力，提高其抗热冲击能力。该方法制备的陶瓷喷嘴基体为氧化铝，层厚数量级为毫米级。

目前陶瓷喷嘴在使用过程中，与喷嘴中间相比，喷嘴入口、出口磨损量仍然较大，这在一定程度上降低了陶瓷喷嘴的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服上述喷嘴现有技术的不足，提供一种基于应力波理论叠层陶瓷喷嘴制备方法。

本发明通过以下方式实现：

一种基于应力波理论叠层陶瓷喷嘴，其特征是该喷嘴入口处采用9层叠层材料组成，出口处采用7层叠层材料组成。出口、入口处叠层材料由碳化硼(B₄C)、碳化钛(TiC)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)为原料制备而成，叠层中各原料的质量百分比(wt.%)为：83~88%B₄C +10~15% TiC +1~2% Y₂O₃、83~88%B₄C +10~15% Al₂O₃+1~2% Y₂O₃，层厚为300μm。喷嘴中间层材料由30~40%B₄C+60~70%WC-Co组成，层厚为25mm。

制备上述基于应力波理论叠层陶瓷喷嘴的工艺步骤为：

(1) 从提高叠层陶瓷喷嘴抗冲击性能方面，建立基于应力波传导理论的数学模型，用间断Galerkin有限元方法来求解叠层陶瓷喷嘴材料中波在传播过程追赶碰撞问题以及波的性质探讨，从而确定能够降低磨料冲击的叠层陶瓷喷嘴材料参数。遴选符合要求的材料为B₄C +TiC +Y₂O₃、B₄C +Al₂O₃+Y₂O₃ (喷嘴入口和出口处叠层材料)和B₄C + WC-Co(喷嘴中间层材料)。

(2) 配料：根据喷嘴入口和出口处叠层材料配比83~88%B₄C +10~15% TiC +1~2%Y₂O₃、83~88%B₄C +10~15% Al₂O₃+1~2% Y₂O₃、喷嘴中间层材料30~40%B₄C+60~70%WC-Co，用电子天平称取原材料的质量。将称好的原材料混合后以去离子水为介质、氧化铝为磨球行星式强化球磨150~200 h，真空干燥箱烘干、混合粉料过200目筛后待用。

(3) 装模：根据各叠层材料的混合理论密度、层厚、喷嘴内外径计算出每一层质量，按照图1所示叠层顺序和层数摊平于石墨模具中，层层预压待烧。

(4) 烧制：采用真空热压烧结工艺，烧结温度1850~1900℃，烧结压力30~35MPa，保温时间为40~60min。

本发明通过上述工艺制备的叠层陶瓷喷嘴，通过建立基于应力波传导理论的数学模型，遴选能够降低磨料冲击的叠层陶瓷喷嘴材料参数，从材料本质上提高陶瓷喷嘴的抗冲蚀磨损性能；同时由于入口和出口处叠层间热膨胀系数的差异，使得喷嘴出口和入口处在热压烧结后形成一定残余压应力，可缓解喷嘴喷砂过程中受到的拉应力作用。因此本发明通过上述工艺制备的叠层陶瓷喷嘴具有良好的抗冲蚀磨损性能，使用寿命大大提高。

附图说明

图1为本发明的叠层陶瓷喷嘴材料叠层结构示意图，其中：1为B₄C +TiC +Y₂O₃叠层(层厚为300μm)，2为B₄C +Al₂O₃+Y₂O₃叠层(层厚为300μm)，3为喷嘴中间层材料B₄C + WC-Co(层厚为25mm)。

具体实施方式

下面给出本发明的两个最佳实施例：

实施例一：按照85%B₄C +13% TiC +2% Y₂O₃和88%B₄C +10% Al₂O₃+2% Y₂O₃的质量比称取叠层材料，40%B₄C+60%WC-Co的质量比称取喷嘴中间层材料；将称好的混合粉料分别以去离子水为介质、氧化铝为磨球行星式强化球磨150 h。真空干燥箱烘干、混合粉料过200目筛。根据各叠层材料的混合理论密度、层厚、喷嘴内外径计算出每一层质量，按照图1所示叠层顺序和层数摊平于石墨模具中，层层预压放入真空烧结炉中，烧结温度1850℃，烧结压力32MPa，烧结保温时间50min；烧结出炉的叠层陶瓷喷嘴材料入口和出口处维氏硬度25.6~27.3GPa，喷嘴整体正面等效抗弯强度636~704MPa。

实施例二：其他同实施例一，不同之处是按照90%B₄C +8% TiC +2% Y₂O₃和83%B₄C+15% Al₂O₃+2% Y₂O₃的质量比称取叠层材料，30%B₄C+70%WC-Co的质量比称取喷嘴中间层材料；烧结温度1880℃，烧结压力35MPa，烧结保温时间55min；烧结出炉的叠层陶瓷喷嘴材料入口和出口处维氏硬度27.5~28.2GPa，喷嘴整体正面等效抗弯强度750~877MPa。

Claims (1)

1.一种基于应力波理论叠层陶瓷喷嘴制备方法，其特征是，喷嘴入口处叠层材料原料和出口处叠层材料原料均包括(1)83~88%B₄C +10~15% TiC +1~2% Y₂O₃、(2)83~88%B₄C +10~15% Al₂O₃+1~2% Y₂O₃，喷嘴入口交替层叠9层，喷嘴出口交替层叠7层，层厚为300μm，喷嘴中间层材料为(3)30~40%B₄C+60~70%WC-Co，层厚为25mm；

所述制备方法包括以下步骤：

(1) 建立基于应力波传导理论的数学模型，用间断Galerkin有限元方法来求解叠层陶瓷喷嘴材料中波在传播过程追赶碰撞问题以及波的性质探讨，从而确定能够降低磨料冲击的叠层陶瓷喷嘴材料参数，遴选符合要求的材料为喷嘴入口和出口由B₄C +TiC +Y₂O₃和B₄C+Al₂O₃+Y₂O₃交替层叠，喷嘴中间层材料为B₄C + WC-Co；

(2) 配料：根据喷嘴入口和出口处叠层材料配比(1)83~88%B₄C +10~15% TiC +1~2%Y₂O₃、(2)83~88%B₄C +10~15% Al₂O₃+1~2% Y₂O₃、喷嘴中间层材料(3)30~40%B₄C+60~70%WC-Co，用电子天平称取原材料的质量，将称好的原材料混合后以去离子水为介质、氧化铝为磨球行星式强化球磨150~200 h，真空干燥箱烘干、混合粉料过200目筛后待用；

(3) 装模：根据各叠层材料(1) (2)和(3)的混合理论密度、层厚、喷嘴内外径计算出每一层质量，按照叠层顺序和层数摊平于石墨模具中，层层预压待烧；

(4) 烧制：采用真空热压烧结工艺，烧结温度1850~1900℃，烧结压力30~35MPa，保温时间为40~60min。

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