層狀復(fù)合陶瓷噴嘴的設(shè)計(jì)制造及其應(yīng)用研究.pdf

1、根據(jù)噴嘴的沖蝕磨損特性，結(jié)合層狀復(fù)合陶瓷材料的優(yōu)異性能，將層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的概念引入陶瓷噴嘴的設(shè)計(jì)及制造中，提出了層狀復(fù)合陶瓷噴嘴的設(shè)計(jì)理論和方法，研制開發(fā)出層狀復(fù)合陶瓷噴嘴，系統(tǒng)研究了層狀復(fù)合陶瓷噴嘴的物理力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)以及沖蝕磨損特性等，探索了其沖蝕磨損機(jī)理。 針對(duì)陶瓷噴嘴沖蝕磨損特點(diǎn)和應(yīng)力狀態(tài)，提出了層狀復(fù)合陶瓷噴嘴的設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立了多種層狀復(fù)合陶瓷噴嘴物理模型，并確定了其材料體系，即：Al2O3/（W，Ti）C+Al2O

2、3/TiC（簡(jiǎn)稱AWT+AT）。 采用有限元法深入分析了層狀復(fù)合陶瓷噴砂嘴和水煤漿噴嘴制備過程中形成的殘余應(yīng)力及其分布規(guī)律，結(jié)果表明：層狀復(fù)合陶瓷噴砂嘴和水煤漿噴嘴在其入口和出口表面層均產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)層狀復(fù)合陶瓷噴嘴內(nèi)殘余應(yīng)力的影響，通過理論分析初步確定了AWT+AT層狀復(fù)合陶瓷噴砂嘴的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)：最佳層厚比為1～2，最佳層數(shù)為3層。 陶瓷水煤漿噴嘴的沖蝕磨損具有其獨(dú)特性，由于其工作環(huán)境溫度較高，使

3、得噴嘴使用過程中內(nèi)部存在較大的溫差和溫度梯度并導(dǎo)致其出口端面存在較大的熱應(yīng)力。采用熱-應(yīng)力耦合方法對(duì)層狀復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴使用過程中的溫度梯度和熱應(yīng)力及其分布規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：與均質(zhì)陶瓷水煤漿噴嘴相比，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)層狀復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴內(nèi)部的溫度梯度有所降低，其出口端面熱應(yīng)力得到明顯的緩解。研究了層狀復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴的層厚比對(duì)其熱應(yīng)力的影響，通過理論分析得出層狀復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴最佳層厚比應(yīng)小于等于0.2。 采用熱

4、壓燒結(jié)工藝成功制備出多種AWT+AT層狀復(fù)合陶瓷噴嘴材料，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，研究表明：層狀復(fù)合陶瓷材料比均質(zhì)陶瓷材料力學(xué)性能有顯著提高，LN0.1（層厚比為0.1）層狀復(fù)合陶瓷噴嘴材料表面層的斷裂韌性值為10.46MPa·ml/2，硬度值為22.184GPa；而均質(zhì)陶瓷噴嘴材料AWT的斷裂韌性值為4.8MPa·ml/2，硬度值為19.943GPa。層狀復(fù)合陶瓷噴嘴材料的層厚比對(duì)材料力學(xué)性能有重要影響，其變化規(guī)律為：在制備工藝允許范圍

5、內(nèi)，層厚比越小，層狀復(fù)合陶瓷材料表面層的力學(xué)性能越好。隨著層數(shù)的增加，表層材料的力學(xué)性能也有提高，但層數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能影響較小。 對(duì)AWT+AT層狀復(fù)合陶瓷噴嘴材料顯微結(jié)構(gòu)分析表明，材料層界面清晰可見：各層材料的厚度較為均勻一致，厚度相差不大：層與層間結(jié)合情況良好。層狀復(fù)合陶瓷噴嘴材料表層的殘余應(yīng)力是導(dǎo)致其綜合力學(xué)性能提高的主要原因。 對(duì)陶瓷噴砂嘴沖蝕后的重量損失、噴嘴內(nèi)徑隨時(shí)間的變化、噴嘴內(nèi)孔輪廓變化和體積沖蝕磨損率等

6、進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：層狀復(fù)合陶瓷噴砂嘴的抗沖蝕磨損性能比均質(zhì)噴砂嘴有顯著提高。LN2（層厚比為2）層狀復(fù)合陶瓷噴砂嘴的體積沖蝕磨損率比均質(zhì)陶瓷噴砂嘴AWT的體積沖蝕磨損率降低了27.14％。層狀復(fù)合陶瓷噴砂嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其沖蝕磨損率起著重要的作用：隨著層厚比的增加，其沖蝕磨損率逐漸減小。隨著層數(shù)的增加，其沖蝕磨損率逐漸增加。 對(duì)層狀復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴在水煤漿燃燒鍋爐內(nèi)的使用情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)沖蝕磨損試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：層狀

7、復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴的抗沖蝕磨損性能比均質(zhì)陶瓷水煤漿噴嘴有顯著提高。LN0.1（層厚比為0.1）層狀復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴的體積沖蝕磨損率比AWT均質(zhì)陶瓷水煤漿噴嘴的體積沖蝕磨損率降低了69.01％。層狀復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴出口端面熱應(yīng)力得到明顯的緩解，沒有出現(xiàn)均質(zhì)陶瓷水煤漿噴嘴出口那樣的熱崩裂現(xiàn)象。層厚比對(duì)層狀復(fù)合陶瓷水煤漿噴嘴沖蝕率有重要影響，在制備工藝允許范圍內(nèi)，層厚比越小，其沖蝕磨損率越低。 與均質(zhì)陶瓷噴嘴相比，層狀復(fù)合陶瓷噴嘴