第9部分环境材料与材料的长寿命化ppt课件

1、第9章 环境资料与资料的长寿命化 北京大学环境科学与工程学院张剑波北京大学环境科学与工程学院第第9章章 环境资料与环境资料与资料的长寿命化资料的长寿命化 n保证资料在运用时所必需具备的运用性能的前提下，尽能够地延伸资料及相关制品寿命是环境资料研讨的另一个重要方面。n消费品的长寿命化是减轻环境负荷的重要手段。资料的再生循环是为了将有限的资源在尽能够长时间内有效利用的一种手段。为了将资源长期、充分地运用，不仅可经过提高资料的再生循环性，也可以经过延伸资料寿命得以实现。n从发电设备和化学设备等大规模的设备到汽车和家电产品等大量耐用消费品的长寿命化，对于减轻环境负荷都有很大的奉献。n延伸资料运用寿命、

2、实行减量化是处理环境问题的重要手段，把握好延伸寿命与再生利用设计之间的度，二者不可偏废。 北京大学环境科学与工程学院9.1 金属资料金属资料n9.1.1 金属资料的高温强度特性金属资料的高温强度特性n构成发电设备、化学设备和运输机械发动机的资构成发电设备、化学设备和运输机械发动机的资料料,由于在高温下运用，会产生蠕变景象。由于在高温下运用，会产生蠕变景象。n蠕变是在高温条件下，资料在一定的外力作用下蠕变是在高温条件下，资料在一定的外力作用下会随时间的推移渐渐地产生变形，直至最后发生会随时间的推移渐渐地产生变形，直至最后发生断裂的一种景象。断裂的一种景象。n蠕变强度高的资料，在一样的温度和应力条

3、件下，蠕变强度高的资料，在一样的温度和应力条件下，具有较长的蠕变断裂寿命。具有较长的蠕变断裂寿命。 北京大学环境科学与工程学院北京大学环境学院对高温耐热合金资料的需求n现有的火力发电设备，普通发电效率充其量不过40%左右。为了提高发电效率，就要开发可在更高的蒸汽压力和温度条件下服役的耐热金属资料；即在超高温临界压力发电，效率就会提高。n以往，经过添加各种合金元素，调整化学成分和经过热处置控制微观组织形状，开发出了多种具有优良蠕变性能的高温耐热合金资料。n开发出长时间稳定、维持优良高温强度特性的资料，就能够建造发电效率高，运用寿命长的发电设备。类似的做法也可以适用于其它许多领域，比如开发出比强度

4、高、运用寿命长的资料，可实现汽车的低油耗和长寿命。n长寿命的资料不仅经过延伸设备运用寿命减轻环境负荷，而且在运转本身可提高产品的效率，从而节约能源、减少排放，减轻环境负荷，是与环境资料的概念完全一致的。北京大学环境学院高温耐热合金的两条设计准那么：n第一，对于适用耐热钢基体蠕变强度即可满足运用要求的构件，在进展资料设计时，只添加为了发扬基体蠕变强度所需的最低限制的合金元素，此即所谓合金化概念；n第二，对于要求高于根本蠕变强度程度以上的高强度构件的资料设计，不仅要思索短时蠕变强度特性，而且还要在着眼于获得长时强度稳定性的同时，从资料高强度化所引起的环境负荷增大及由于运用资料时提高效率、延伸运用寿

5、命带来的环境负荷减轻这两方面的效应能否平衡的观念进展评价。n实践开发资料时，不仅要思索蠕变强度特性，而且必需思索抗氧化性、焊接性等多种资料特性，并进展综合评价但为了改善资料的环境性能，必需将上述合金化的概念和准那么以及注重资料长期稳定性的这种观念积极地引入到资料设计之中，以此为指点思想就可以推进传统资料的环境资料化。 北京大学环境学院9.1.2经过省合金化设计经过省合金化设计改善环境平衡改善环境平衡n省合金化：即只添加为了发扬基体蠕变强度所需的、最低限制的合金元素。n在高应力区，数据分布范围宽，依钢种不同，蠕变断裂强度相差很大，最强的钢和最弱的钢的蠕变寿命相差达数万倍。其阐明经过添加合金元素和

6、热处置等，可以大幅度改动蠕变强度。北京大学环境学院 北京大学环境学院省合金化设计省合金化设计n但在低应力区，一切的数据收敛于狭窄的范围内，阐明钢种间的蠕变强度差有减小的倾向。即在相当于设备实践服役条件，即低应力长时间条件下，钢种间的差别是没有高应力短时间那么大，这种景象是“省合金化的根底。北京大学环境学院省合金化设计省合金化设计n在短时间，高应力下，蠕变强度因钢种不同有较大差别，添加合金元素和控制微观组织形状可提高蠕变强度；n但由于微观组织在高温下不稳定，随着时间的延伸，其组织形状逐渐变化，从而引起蠕变强度的降低。蠕变强度大的钢种之间的差别，随着向长时间一侧的推移而减少。n当在高温条件下很长时

7、间运用时，蠕变强度最终将不再取决于资料的微观组织形状，而到达一定的程度。这就是决议资料长时间蠕变强度的本征强度特征，即“基体蠕变强度其与微观组织形状无关。北京大学环境学院省合金化设计省合金化设计n基体蠕变强度相当于母相matrix的蠕变强度，其大小取决于碳、钼等元素引起的固溶强化程度，由于固溶强化效应有一定的限制，即基体蠕变强度有一个极大值。所以长时间一侧的蠕变断裂强度不论钢种如何，都收敛于同等程度。 北京大学环境学院9.2 陶瓷资料陶瓷资料n9.2.1 具有丰富资源的陶瓷资料具有丰富资源的陶瓷资料n陶瓷是地球外表含量丰富的硅、铝、镁等元素的氧化物、碳化物、氮陶瓷是地球外表含量丰富的硅、铝、镁

8、等元素的氧化物、碳化物、氮化物，受资源制约小，与金属和高分子资料相比，其化学性质很稳定，化物，受资源制约小，与金属和高分子资料相比，其化学性质很稳定，在高温暖腐蚀极限环境中也可以保证部件的长寿命。在高温暖腐蚀极限环境中也可以保证部件的长寿命。n陶瓷具有高强度、高硬度、高熔点等特点，作为耐热构造资料而被广陶瓷具有高强度、高硬度、高熔点等特点，作为耐热构造资料而被广泛运用。如：汽车涡轮充电器，用氮化硅制造的部件在泛运用。如：汽车涡轮充电器，用氮化硅制造的部件在80年代中期就年代中期就有运用。还有汽车发动机、发电用陶瓷燃气轮机的开发研讨正向适用有运用。还有汽车发动机、发电用陶瓷燃气轮机的开发研讨正向

9、适用化开展。由于发电站及飞机的燃气轮机的热效率随熄灭温度的上升而化开展。由于发电站及飞机的燃气轮机的热效率随熄灭温度的上升而提高，因此为熄灭温度为提高，因此为熄灭温度为15000C级的燃气轮机或熄灭温度级的燃气轮机或熄灭温度20000C级级的燃氢发动机，需求开发超高温资料。的燃氢发动机，需求开发超高温资料。n但陶瓷资料的弱点是：强度差但陶瓷资料的弱点是：强度差易碎，为设计出长寿命的高温构造易碎，为设计出长寿命的高温构造陶瓷资料，我们有必要了解影响其机械性能的几个要素：陶瓷资料，我们有必要了解影响其机械性能的几个要素：1抗氧抗氧化性化性2晶界滑移和气孔晶界滑移和气孔3断裂韧性。断裂韧性。北京大学

10、环境学院9.2.2 抗氧化性能的提高抗氧化性能的提高n固体的热力学稳定性决议物质的极限运用温度，ZrO2的临界温度是2500，AL2O3是2072。氮化硅没有氧化物稳定，在大气中从外表开场发生氧化反响：n 北京大学环境学院抗氧化性抗氧化性n在氮化硅晶界上有一层薄的氮氧化物玻璃相，它是氧化反响向烧结体内部分散氧的通道导致向内部氧化分散，并且玻璃相本身蒸发会引起沿晶界的龟裂。n假设能经过控制组分提高氮氧化物玻璃相的抗氧化才干，那么氮化硅的实际耐热临界温度可到达1500的程度。 北京大学环境学院 北京大学环境学院抗氧化性抗氧化性n氮化硅由于氧化，在外表构成一层SiO2薄膜，起到阻止进一步氧化的维护膜

11、的作用。n但在1600以上时，由于释放CO气体的氧化反响，导致SiO膜发泡而使维护层破坏，从而加速氧化过程的进展。北京大学环境学院9.2.3 晶界迁移和空洞晶界迁移和空洞n在高温、应力条件下，多晶体由于晶界迁移而产生空洞。n随着晶界迁移，在三叉晶界处发生应力集中，由此产生空洞的中心，而空洞的连结那么导致微裂纹生长，主裂纹与裂纹前沿的微裂纹的连结导致裂纹进一步扩展。北京大学环境学院 北京大学环境学院晶界迁移和空洞晶界迁移和空洞n陶瓷在高温、高压下的缓慢破断，可以用内部裂纹的缓慢生长来阐明。n裂纹分散速度V和应力强度因子Kl有以下关系：nV=AKnL，n 式中n是指数。当到达产生裂纹的临界裂纹长度

12、时，将发生断裂。断裂所需求的时间可以经过这个根本公式计算，进展部件的寿命预测。n另一方面。在更高温度、更低应力下的破坏普通以为受空洞产生的内损伤积累的控制，而内在裂纹的扩展那么是相对次要的缘由。 北京大学环境学院晶界迁移和空洞晶界迁移和空洞n金属资料和陶瓷高温断裂机理的重要区别在于，伴随空洞生长而引起的周围晶体的变形机制不同。在金属当中，经过位错攀移引起晶粒变形，可以调理空洞的长大，因此空洞生长和母体资料的蠕变有关。n断裂寿命tf与最小蠕变速度之间服从Monkman-Grant法那么，即n tf=MGn 式中MG是临界应变。与金属相比，陶瓷中晶粒本身难以变形，但单轴拉伸实验获得的蠕变断裂数听阐

13、明，氮化硅的断裂寿命也可以用Monkman-Grant法那么很好地描画。北京大学环境学院晶界迁移和空洞晶界迁移和空洞n由于原料中含有微量氧化硅和金属杂质，在多数陶瓷的晶界上存在着厚约1nm的玻璃相。n比如氮化硅，当作为烧结助剂添加金属氧化物时，工艺过程中残留的玻璃相将聚集于三叉晶界处。 n陶瓷的高温机械性能与时间有关并受玻璃相的粘度控制，而玻璃相的粘度随玻璃相的化学组成和构造发生显著变化。n作为烧结助剂添加剂的稀土元素离子半径越小，那么氮化硅的高温强度越高。之所以如此，是由于玻璃相中的稀土元素离子和氧离子的结合强度与离子周围的电场梯度有关，从而提高了玻璃相的耐热性能。另外，经过热处置使晶界玻璃

14、相晶体化，是提高陶瓷高温强度的有效方法。 北京大学环境学院9.2.4 断裂韧性的提高断裂韧性的提高n在普通的铸造合金中，很难防止多晶晶界和空洞导致的高温强度下降。为了减少有害的晶界，开发了用定向结晶控制合金和单晶合金制造的涡轮叶片。n假设陶瓷也能制造出单晶部件，一定会发扬出更优良的高温特性。然而，陶瓷单晶在室温时接受解离断裂破坏的才干弱是一个问题。n作为工业资料的构造陶瓷，其最大的课题是提高室温断裂韧性。与陶瓷同样存在脆性问题的金属间化合物，经过添加微量元素控制晶界的电子构造以抑制晶界脆性，改善其室温延性。作为陶瓷弱点的解离脆性，其本质源于原子间的结合，处理起来更加困难。北京大学环境学院断裂韧

15、性的提高断裂韧性的提高n提高陶瓷韧性的实践方法是经过控制多晶体的界面结合力以追求强韧性，为此可采取的微构造控制技术例举如下：nA. 自生In-Site复合资料；nB. 长纤维强化复合资料；nC. 纳米复合资料。n使长柱状-氮化硅晶粒在氧化硅基体中长大的自生复合资料，其强度和韧性都比原来的资料成倍添加。作为提高韧性的途径，长纤维强化复合资料是很有希望的，人们希望开发出以氮化硅、碳化硅为基体的、性能更加优良的长纤维强化复合资料。n假设能实现陶瓷的长寿命化，那么可以供几代人运用的超高温燃气轮机也不再是个梦想了。 北京大学环境学院9.3 陶瓷涂层陶瓷涂层n近年来，人们试图经过开发耐热资料等途径实现机器

16、的长寿命和高性能化，以谋求节省能源，节省资源。随着能源产业、宇航行业等日趋高温化的趋势，从耐热性、耐高温腐蚀性、耐高温摩擦性等方面，对开发新型耐热资料提出了更为迫切的要求。n作为构造资料所要求的主要性能有强度、弹性、断裂韧性等；从有效利用能源思索，还要求优良的耐热性能。n普通来讲，金属资料具有优良的机械性能，而将耐热性好的陶瓷作为构造部件资料的研讨如今很盛行。但陶瓷存在本钱高、缺乏延展性、脆性大以及机械性能分散大等问题。n 北京大学环境学院陶瓷涂层陶瓷涂层n由于单一资料不能同时满足机械性能和耐热性能两方面的要求，所以灵敏运用金属资料和陶瓷资料特性的复合资料得到人们注重。n为提高资料的耐热性、耐

17、蚀性和耐磨性等性能，人们尝试开发在机械性能优良的金属资料外表涂覆一层耐热性能优良的陶瓷资料的复合技术陶瓷涂层。如在燃煤锅炉和加压沸腾层锅炉的传热管陶瓷涂层以及喷气式发动机的隔热涂层。北京大学环境学院9.3.1 锅炉传热管陶瓷涂层锅炉传热管陶瓷涂层n1燃煤锅炉燃煤锅炉n燃煤锅炉的传热管普通要遭到熄灭灰分呵斥的冲蚀等损伤。燃煤锅炉的传热管普通要遭到熄灭灰分呵斥的冲蚀等损伤。对于专烧煤粉的锅炉，为了除去附着在炉壁上的灰烬，要对于专烧煤粉的锅炉，为了除去附着在炉壁上的灰烬，要安装向炉壁外表喷吹蒸汽的设备安装向炉壁外表喷吹蒸汽的设备Soot Blower，为此，为此，其附近的环壁管，由于要遭到含有熄灭灰

18、烬由碳、氧化其附近的环壁管，由于要遭到含有熄灭灰烬由碳、氧化铝、氧化硅等构成的蒸汽的剧烈磨损，可在环壁管的外铝、氧化硅等构成的蒸汽的剧烈磨损，可在环壁管的外表喷镀一层陶瓷涂层，以提高其耐磨性。表喷镀一层陶瓷涂层，以提高其耐磨性。n在实验室进展鼓风冲蚀磨损实验。在放射压力为在实验室进展鼓风冲蚀磨损实验。在放射压力为5kg/cm2，放射角放射角90度，放射间隔度，放射间隔100mm的条件下，向经过不同喷的条件下，向经过不同喷镀的平板试片外表放射镀的平板试片外表放射AL2O3粉末平均粒径粉末平均粒径100um30min 北京大学环境学院 北京大学环境科学与工程学院燃煤锅炉燃煤锅炉n由结果可见，由高速

19、气流火焰放射jet kote的碳化铬Cr3C2/NiCr喷镀膜的磨蚀性能最好。在思索磨损性能的同时，也还要思索工艺性、高温组织稳定性、抗剥离性等。n作为选择，用碳化铬为放射原料的高速火焰喷镀最适用。对运转了约两年的喷镀部件的调查阐明，没有发现剥落和破裂景象，显示了良好的磨损特性。由于用陶瓷涂层降低了冲蚀磨损，在提高环壁管运用寿命的同时，也减少了定期修补的任务量。北京大学环境学院2加压沸腾层锅炉加压沸腾层锅炉n加压沸腾层锅炉被用于烧煤的加压沸腾层发电系统中，其发电效率可达42%43%，比以前烧煤的火力发电系统提高约8%10%。n另外，由于把石灰石作为脱硫剂投入炉内，在熄灭的同时由于层内脱硫而提高

20、了脱硫率，同时降低了NOx的生成，CO2的排放量也随着设备效率的提高比以往的熄灭方式减少约10%。这是一种高效率、环境负荷低的新型发电系统。n由于底料中的二氧化硅、氧化铝等硬而细的离子群的碰撞以及高温燃气的作用，呵斥沸腾层内的蒸发管、过热管等冲蚀和高温腐蚀景象，从而产生复杂的高温腐蚀磨损。n镀层磨损实验的结果阐明，在约500以下，磨损速度大，这主要是冲蚀磨损的作用；温度更高时，在9CrLMo钢和奥氏体不锈钢的表层构成氧化物维护膜，从而对冲蚀产生维护效应。也就是说，高温条件的损伤寿命取决于由冲蚀引起的失重速度和高温氧化物钝化膜构成速度之间相对关系的大小。n 北京大学环境学院加压沸腾层锅炉加压沸腾

21、层锅炉n实践运用和实验结果阐明，在500以上运用的过热管等经过氧化物膜效应可以防止冲蚀损伤，蒸发管的金属温度在300500时，不大能期望构成氧化物膜带来的维护效应。n 作为改善蒸发管高温腐蚀磨损性能的对策，管材本身采用耐高温磨损性好的Cr13钢并进展热喷镀，用自溶性合金喷镀、碳化铬等陶瓷喷镀是适宜的。n目前存在的问题是：金属与陶瓷间的变形性质不同，因此，陶瓷涂层开场任务和停顿任务时会由于热应变和机械应变而引起陶瓷涂层开裂，以此为诱因导致资料的强度降低。实验发现经过涂喷陶瓷的试片，其疲劳寿命比未喷涂的缩短了许多，而且随着总应变范围的提高，陶瓷层产生裂纹的时间也变短了。疲劳初期，首先在陶瓷涂层内产

22、生裂纹，并逐渐从陶瓷层传播到基体资料，从而使疲劳寿命降低。北京大学环境学院9.3.2 飞机发动机的陶瓷涂层飞机发动机的陶瓷涂层n飞机发动机在长时间运用后，其部件性能要降低。从外表改性技术的角度出发，喷涂能提高部件的性能，并防止其退化。飞机发动机中运用的陶瓷涂层，从其功能来讲大致可分为以下几种：耐磨涂层、绝热涂层和间隙控制密封涂层。n1)耐磨涂层n在用钛合金制造的紧缩机叶片中，普通装有防止共振的中间索与相邻的机翼相衔接，在飞行时由于其正面遭到交变的冲击负荷，因此要求耐磨损及韧性好的维护膜。作为耐磨涂层，喷涂的是金属陶瓷系的WCCo系资料。WCCo涂层是在粘结资料Co中弥散分布WC硬质粒子的薄膜，

23、在4000C以下较低的温度区域，其耐磨损性能非常好。北京大学环境学院耐磨涂层耐磨涂层n磨损普通是柔软的Co基体发生选择性损伤而产生凹陷，由此呵斥突起的WC硬质粒子分别零落而产生剥离的过程。因此，涂层微观组织形状的控制是很重要的。nWC在喷涂时产生的分解，在喷涂过程构成WC、W2C、WC1-x等亚层，这种组织变化对耐磨性有很大的影响。在普通的等离子喷涂中，不能得到非常称心的涂层，为了控制WC热分解相变，采取低温热源下的高速喷涂较为适宜。北京大学环境学院2)绝热涂层绝热涂层nNi合金和Co合金HS-188等用于制造熄灭器，为了在提高熄灭温度的同时，相应地提高起耐久性，在衬套内壁喷涂一层绝热层TBC

24、。nTBC要求的特性如下：n(1)热导系数小；(2)粘着系数高，对热应力呵斥的剥离与冲蚀具有足够的粘着力；(3)基体资料与陶瓷涂层的热膨胀性质接近；(4)喷涂底层中的金属成分具有高的抗氧化、耐腐蚀才干。n 当喷涂了陶瓷那样具有低导热系数的资料时，由于绝热效应而使外表温度迅速降低，期望以0.20.3mm厚度到达使外表温度降低100150的效果。北京大学环境学院绝热涂层绝热涂层n作为对熄灭器的TBC涂层，最初采用的是三层涂层，底层喷涂的是NiCr或NiAL系合金，外层喷涂的是MgO.ZrO2陶瓷；中间过度层是外层与地层的混合资料。然而这种方式存在由于中间过度层的氧化而引起剥落的问题。n后来采用了梯

25、度涂层，使涂层资料的组成逐渐地由底层的CoCrAlY向外表层的MgO.ZrO2变化。这种涂层的耐热性比上述三层涂层有所改善，但在11000C以上，CoCrAlY在耐蚀、抗氧化性方面尚有一些问题。n最近，采用二层涂层，将底层资料改为耐蚀、抗氧化性更好的NiCoCrAlY，外层资料也改为耐热疲劳性能更好的ZrO2Y2O3。这样在运用过程中，在底层NiCoCrAlY 与ZrO2Y2O3的界面处构成了耐蚀及耐氧化性好的Al2O3 氧化膜。 n从作为环境资料的观念来看，由于运用TBC系统，即采用陶瓷这种热导系数低的资料作涂层，就可以有效地利用熄灭能。再者，关于熄灭器，当发动机运用时间到达5000h进展大

26、修，如检查时发现已有部分剥离的情况，就可以将涂层全部剥下来，重新喷涂，这样就可以节省基体资料。北京大学环境学院3控制间隙的密封涂层控制间隙的密封涂层n在转子叶片的顶端部位喷涂研磨性能好的资料并与陶瓷密封安装组合运用。在加工密封涂层时，在叶片顶端部位粘接SiC粒子，再在其上用减压等离子喷涂McrAlY资料。n对于涡轮密封安装，当涡轮叶片顶端部位与密封安装的间隙越小，那么气体的泄露越少，从而可提高发动机的效率。关于陶瓷密封安装，为了减小基体资料与陶瓷之间膨胀性能的差别，已开发出了在基体上钎焊弹性模量较低的金属纤维，再在上面喷涂金属、陶瓷的密封安装。这种安装，运用温度可提高到1400。为了将喷涂底层

27、充分结合到纤维内部，不使纤维过热氧化并能结实地粘界接起来，可采用高速等离子喷涂McrAlY的工艺。北京大学环境学院密封涂层密封涂层n根据环境资料的概念，从安装资料长寿命化以及减轻环境负荷的观念，引见了陶瓷涂层运用于构造资料的实例。n在实践运用中，为了发扬所需求资料的特性和功能，必需从竭力控制物质的运用和能源耗费这一观念出发。作为一种理想的陶瓷涂层资料，我们希望它尽能够价廉，对环境带来的负荷小，并且不采用稀有元素。运用时要有足够的界面强度，运用终了时，可将涂层剥离、废弃、而且母材还可照样用来喷涂新的涂层以备再利用。n涂层界面剥离性能的问题还是一个研讨课题，剥离性能因陶瓷涂层的工艺类型及陶瓷资料的

28、种类而有所不同。还有，如何进一步改良剥离涂层方法的问题也是一个要研讨的课题。北京大学环境学院9.3.3 陶瓷涂层环境资料化陶瓷涂层环境资料化n根据选择资料和设计工艺所必需的根本原那么以及生态环境资料的根本要求，除必需发扬所制备的资料的特性和功能外，还必需竭力控制物质的运用和能源耗费。因此，在研讨中还需求开展很多的任务。比如：环境资料化的涂层资料设计；陶瓷涂层的原料、工艺、运用以及直到废弃全过程的环境影响分析；进展环境协调性评价或定量化的目的分析等等。n作为一种理想的陶程涂层资料，应该尽能够价廉，对环境带来的负荷小，并且不采用稀有元素；在思索资料的再生循环时，在运用时要有足够的界面强度；运用终了时，可将涂层剥离、废弃，而且母材还可照样用来喷涂新的涂层以备再利用这些都是陶瓷涂层环境资料化运用与研讨的课题。 北京大学环境学院9.3.4长寿命高分子资料长寿命高分子资料n降解高分子资料的开发是未来高分子资料重要研讨内容之一，但应根据用途和能否对环境产生深远影响进展综合研讨。n过分追求地膜和薄膜及包装资料的降解能否可取也有异议。有的学者指出：n可降解高分子在整个高分子资料中所占比例小。n高分子的降解分为部分化学键断裂成为短链和全部键断裂成为单体