铝粉对自蔓延陶瓷内衬钢管陶瓷层的影响
侯玉柏，高峰，郭志猛，鲍君峰
热 喷 涂 技 术2012年3月
摘 要：本文研究了不同粒度和不同偏铝量对自蔓延离心陶瓷内衬钢管组织的影响。利用排水法测量了涂层的孔隙度，利用扫面电镜观察了陶瓷层组织。结果表明，随着铝粉粒度的增加，涂层孔隙度增加。偏铝量对陶瓷层组织产生一定的影响，偏铝量0.05 时，涂层的孔隙度最低，约为 2.1%。当偏铝量为 0.10 时，可得到基本为氧化铝的陶瓷层。
关键词：自蔓延；陶瓷内衬钢管；陶瓷层；热喷涂
自蔓延高温合成[1]（Self- propagating High Tem-perature Synthesis，SHS） 是一种利用反应物之间产生高放热化学反应并在短时间内来合成材料新物质的一种技术。
自蔓延技术自 20 世纪 90 年代初传入我国后取得了巨大的发展。特别是自蔓延技术与离心技术相结合制备的陶瓷内衬钢管具有成本低、耐磨性好、耐冲击性好、耐高温、耐腐蚀性好等特点[2]，其制备工艺简单、投资少、生产效率高，并在我国率先实现了工业化生产。目前已经广泛应用于电力、矿山、冶金、化工等领域。其原理是铝与氧化铁发生放热反应, Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe，反应放出巨大的热量, 反应产物铁和氧化铝瞬时熔融, 在离心力的作用下, 比重轻的氧化铝分布在钢管内表面, 比重大的铁分布在钢管和陶瓷层中间并将钢管和陶瓷层结合起来。
为了降低陶瓷层孔隙，提高陶瓷层的耐蚀性、耐磨性等性能，人们开展了各种添加剂的研究[2- 6]，如 SiO2、CrO3、Ti、玻璃等，取得了较好的效果。然而 Fe2O3- Al体系是一种典型的固液反应，铝粉的粒度影响着铝的熔化时间和反应时间，进而影响整个体系的放热散热过程，对陶瓷层的凝固具有重要的影响，而这方面的研究鲜有报告，本文以最常见的 Fe2O3- Al- SiO2为反应体系，研究铝粉粒度及偏铝量对陶瓷层组织的影响。
1试验
本试验在悬臂式离心机上进行。无缝钢管尺寸为直径74mm，厚度 3mm，长度 200mm。铝粉, 工业纯，氧化铁粉, 工业纯, 粒度 48～109μm；氧化硅，分析纯，粒度为74μm。
设计不同粒度与偏铝量的反应，表 1 是铝粉平均粒径 50μm 时，不同铝含量的设计配比；表 2 为铝过量0.05%时，不同粒度铝粉的设计配比。
将不同配比的反应原料放入球磨罐中, 球磨混匀后取出, 装入钢管, 钢管两头用石墨片封堵。将钢管装卡于离心机上, 旋转平稳后点燃, 自然冷却后取下。每个成份取 5 块陶瓷，利用排水法测量陶瓷层密度，按陶瓷层真密度3.95g/cm3计算孔隙率，取平均值。取小块陶瓷镶样, 抛光到镜面后, 用扫描电镜观察陶瓷层的组织结构。利用能谱仪对陶瓷层进行了元素分析。
2结果与分析
2.1 涂层的孔隙度
图 1 是不同偏铝量下获得陶瓷层组织的孔隙度，从图 1 中可以看出当偏铝量为 - 0.05 时涂层孔隙较高，随着偏铝量的提高，偏铝量在 0.05 左右时，涂层的孔隙率最低，约为2.1%，随着铝含量的增加，涂层孔隙率升高。当偏铝量为负值时，反应放热量不足，涂层中存在较多的孔隙，随着铝含量的增加，反应放热量增加，产物在液态停留的时间长，有利于气体的分离；铝含量过高时，过多的铝被气化，增加了涂层中得气体量，因此孔隙度上升。
图 2 是以不同粒度铝粉为反应原料获得陶瓷层组织的孔隙度，从图 2 中可以看出，铝粉粒度为30μm 时涂层的孔隙度最低，随着铝粉粒度的增加，涂层的孔隙度增加。
在离心力场下的铝热反应的过程可大致描述为[4]：反应物料被点燃后, 铝熔化并在离心力作用下迅速渗入物料孔隙中, 导致反应的剧烈进行,
熔融的产物 Fe 和 Al2O3在离心力作用下发生相分离，随后产物冷却凝固。随着铝粉粒度的增加，铝粉在单位时间内的熔化量减少，反应时间延长，这使得反应过程散热较多，陶瓷层致密度不够；另外，由于铝的蒸发温度为 2767 K，低于反应的绝热燃烧温度3135K，由于粗铝粉反应时间的延长和反应几率的下降，更多的铝粉可能会被气化，从而造成涂层中孔隙较多。
2.2 涂层组织
图 3 是不同偏铝量下获得陶瓷层组织的典型组织形貌。图 3（a）、（b）两者形态无本质区别，氧化铝基本呈树枝状生长，周围浅灰色的铁铝尖晶石；图 3（c）中陶瓷层主要由氧化铝相和孔隙组成，还有少量的残余铁，这表明在过量铝的作用下氧化铁充分反应，但涂层中仍有较多孔隙和少量残余铁。
图 4 是不同粒度铝粉为反应原料获得陶瓷层组织的典型显微形貌。涂层黑色为氧化铝相，白色条状的相是铁铝尖晶石，白点是陶瓷中残留的铁。从图中可以看出，铝粉的粒度对氧化铝相的数量和形态有一定的影响，特别是铝粉平均粒度为45μm 时的氧化铝组织，呈比较规则的细小条状，氧化铝的形态影响着涂层的硬度和断裂韧性。铝粉粒度与氧化铝陶瓷形态的关系还有待于进一步的研究。
3结论
铝粉的粒度和含量对自蔓延离心法制备的陶瓷层组织具有重要的影响：
（1） 铝粉粒度对涂层的孔隙率有明显影响，随着粒度的增大，涂层孔隙率增加；对涂层中氧化铝形态有一定影响；
（2）铝粉的含量对涂层孔隙率和物相都有明显影响，偏铝量为0.05 时，涂层的孔隙率最小，约为2.1%；随着偏铝量的增加，氧化铝含量增加，偏铝量0.10 时，涂层基本为氧化铝。
自蔓延合成技术是一种节能高效的材料制备技术，自蔓延合成制备陶瓷内衬钢管工业化生产在我国已经具备了相当的规模，随着耐磨内衬钢管的应用领域不断扩大，深入开展陶瓷内衬钢管的研究不仅有助于产品的升级换代，对促进节能减排技术也有推动作用。
参考文献略
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