原位SiC结合刚玉基材料抗氧化与抗侵蚀性研究

论文摘要

以矾土基高铝刚玉颗粒为骨料,电熔白刚玉细粉和α-Al2O3微粉为基质,将Si引入到刚玉基材料中去,于1450℃埋碳条件下合成了原位SiC结合刚玉基复合材料,研究复合材料的常温物理性能、高温机械性能和抗氧化性,并重点研究其抗侵蚀性。探讨了SiC、SiAlON和Al粉对原位SiC结合刚玉材料组成、结构和性能的影响。结果表明:（1）在刚玉材料中加入Si粉,材料在1450℃保温3h埋碳条件下烧结良好。Si与气氛中的CO和N2原位反应生成纤维状、粒状SiC和SiAlON等,形成了非氧化物结合,为反应烧结。复合材料具有较高的高温强度和良好的抗热震性,1400℃的高温抗折强度为9～12MPa;△T=1100℃（水冷一次）的残余强度和强度保持率为11～19MPa和35～64%。随Si加入量增加,非氧化物生成量增加,高温抗折强度和抗热震性略有提高。（2）在加入2～8%Si粉的基础上,再加5%SiC粉和5%β-SiAlON粉可提高材料的高温抗折强度和抗热震性,且加入SiC可明显提高抗热震性,加入β-SiAlON可显著提高高温抗折强度。在加5%Si粉的基础上,加入1～3%的Al粉,试样于1400℃高温抗折强度显著提高（提高至21MPa）,且保持了优良的抗热震性。（3）原位SiC结合刚玉基材料具有良好的抗氧化性,其在1000℃和1500℃下的抗氧化性均随Si加入量的增加而提高,且1500℃的抗氧化性略好于1000℃的。这是由于:在1000℃下,少量非氧化物发生氧化,氧化产物为SiO2和Al2O3;1500℃下,非氧化物先氧化生成SiO2和Al2O3,SiO2和Al2O3进一步反应生成莫来石,并形成莫来石致密层,阻止氧气进入试样内部。在加5%Si粉的基础上加入Al粉,试样1000℃和1500℃的抗氧化性略有提高。（4）原位SiC结合刚玉基材料对碱度为1.1的高炉渣具有良好的抗侵蚀性（1500℃）,侵蚀层厚度≤2.6mm。在加2～8%Si粉的基础上,再加入5%SiC和5%β-SiAlON,材料中非氧化物的量增加,抗侵蚀性明显提高,渣侵蚀厚度最低降至1.0mm左右。在加5%Si粉的基础上,再加入1～3%Al粉,材料的抗侵蚀性略有提高,侵蚀层厚度从2.5mm降至1.9mm。（5）原位SiC结合刚玉基材料的抗侵蚀机理为:高温下材料基质中的SiC和SiAlON等非氧化物氧化生成SiO2和Al2O3,SiO2和Al2O3与熔渣中CaO与SiO2以及基质中的Al2O3反应生成低熔相钙长石（CAS2）,使材料逐渐被熔蚀;熔渣侵蚀刚玉颗粒时CaO与Al2O3反应生成高熔点的CA6晶体在颗粒表面固定下来,阻挡了进一步侵蚀。侵蚀过程中CaO大量消耗,致使渣粘度增大,削弱了其侵蚀渗透能力。渗透层中仍存在一定量的非氧化物,由于非氧化物难被熔渣润湿,且原位生成的非氧化物填充在气孔里,堵塞了熔渣渗透的主要通道。因此,随Si或Al加入量增加以及外加SiC和SiAlON,材料中非氧化物的量增加,抗侵蚀性明显提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 鱼雷车
• 1.2 铁水预处理技术
• 1.3 鱼雷车炉衬工作条件
• 1.4 鱼雷车用耐火材料
• 1.4.1 鱼雷车用耐火材料的损毁特点
• 1.4.2 鱼雷车用耐火材料
• 1.4.3 鱼雷车用ASC砖
• 1.4.4 ASC砖的组成对性能的影响
• 1.4.5 鱼雷车用耐火材料的发展趋势
• 1.5 金属Al、Si复合耐火材料
• 2O₃基耐火材料'>1.5.1 Si复合Al₂O₃基耐火材料
• 2O₃基耐火材料'>1.5.2 Al复合Al₂O₃基耐火材料
• 2O₃基耐火材料'>1.5.3 Al/Si复合Al₂O₃基耐火材料
• 2O₃基材料的抗渣性'>1.6 Al₂O₃基材料的抗渣性
• 1.6.1 炉渣的渗透机理
• 1.6.2 润湿角对炉渣向耐火材料渗透的影响
• 1.6.3 熔渣向耐火材料内部渗透的途径
• 1.7 本课题的提出及研究内容
• 2 原位SiC结合刚玉基材料常温物理性能及高温机械性能研究
• 2.1 实验配比及过程
• 2.2 原位SiC结合刚玉基材料的常温物理性能
• 2.3 原位SiC结合刚玉基材料的高温机械性能
• 2.4 原位SiC结合刚玉基材料的物相分析
• 2.5 原位SiC结合刚玉基材料的显微结构分析
• 2.6 Al粉对原位SiC结合刚玉材料常温物理性能及高温机械性能的影响
• 2.6.1 实验配比及过程
• 2.6.2 Al粉对原位SiC结合刚玉材料常温物理性能的影响
• 2.6.3 Al粉对原位SiC结合刚玉材料高温机械性能的影响
• 2.6.4 ASA系列材料的物相及显微结构分析
• 2.7 本章小结
• 3 原位SiC结合刚玉基材料的抗氧化性研究
• 3.1 实验方法
• 3.2 原位SiC结合刚玉基材料氧化后的截面图
• 3.3 原位SiC结合刚玉基材料氧化后的物相及显微结构分析
• 3.3.1 AS5试样氧化后的物相及显微结构分析
• 3.3.2 ACS5试样氧化后的物相及显微结构分析
• 3.3.3 ANS5试样氧化后的物相及显微结构分析
• 3.4 Al粉对原位 SiC结合刚玉材料抗氧化性的影响
• 3.4.1 ASA系列试样氧化后的截面图
• 3.4.2 ASA系列试样氧化后的物相及显微结构分析
• 3.5 本章小结
• 4 原位SiC结合刚玉基材料的抗侵蚀性研究
• 4.1 实验方法
• 4.2 原位SiC结合刚玉基材料侵蚀后的剖面照片及渣蚀厚度
• 4.3 原位SiC结合刚玉基材料侵蚀后的物相及显微结构分析
• 4.3.1 S5试样侵蚀后的物相及显微结构分析
• 4.3.2 ACS5试样侵蚀后的物相及显微结构分析
• 4.3.3 ANS5侵蚀后的物相及显微结构分析
• 4.4 Al粉对原位SiC结合刚玉材料抗侵蚀性的影响
• 4.4.1 ASA系列试样侵蚀后的截面图
• 4.4.2 ASA系列试样侵蚀后的物相及显微结构分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢