[发明专利]高温热屏障材料、涂层和定型制品及其应用

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种高温热屏障材料、涂层和定型制品及其应用，属于耐高温热屏障材料技术领域。

背景技术

在钢铁冶金工业、建材行业等生产工艺流程中，多为高温工序，如炼铁、炼钢和轧钢过程。目前，世界各地的主要炼铁手段是高炉。高炉及附属设施热风围管、送风支管、热风主管、热风支管和热风阀、热风炉等钢壳体内表面，以及耐火材料衬里热面；铁水包、钢水包、炼钢炉钢壳体内表面，以及耐火材料衬里热面；轧钢加热炉、中间退火炉钢壳体内表面，以及耐火材料衬里热面等高温领域；为隔热节能，大都采取隔热措施，有的涂覆热障涂层，以阻止热量传递。

世林（漯河）冶金设备有限公司研究开发的微水节能热风阀应用了耐材节能反射涂料，提高了阀门使用寿命，取得了良好节能效果。([4]. 张明正，王银河，冯力，赵承钧，张进，刘振钧，李鹏飞，冯国兴，熊滨生，荆松波，“微水节能热风阀”，中国发明专利号：ZL200510119730.4，2007年9月5日授权；[5]. 冯力，张明正，王银河，熊滨生，刘振均：“微水节能热风阀的设计与试验”，《炼铁》2006.4.（47-49）)。

高温绝热/隔热/热屏障应用材料的选择需要考虑如下性能：材料本身在应用温度区的热导率、辐射屏蔽以及热机械性能。作为一个最基本的选择标准，低热导率的氧化物被选作常用的主要隔热材料。这些氧化物中，最主要的成分有氧化锆、氧化铝及硅酸盐等。其它氧化物也通常作为掺杂物加在里面作为改善此隔热材料的韧性、高温疲劳/抗疲劳、热膨胀系数等。这些掺杂元素/化合物包括稀土系列的氧化钇、氧化铈、氧化钪，和氧化镁、氧化钛及氧化钙等的金属氧化物。红外线或辐射屏蔽或反射材料成分包括氧化锆、氧化钛、氧化铁及碳化硅等。

目前，商业绝热/热屏障应用的涂层或定型制品的配方里，有时可能是以上描述的全部材料按某种比例混合的组合物。为了创造更有效的隔热效率，纤维结构/交织的纤维可能会用于高温炉窑上，这些纤维结构物通常会是氧化硅基或氧化铝基纤维等。

在涂层或定型制品的配方中，纤维的引入通常是多目的性的。这些目的包括改善其材料的热机械疲劳强度、热膨胀系数及隔热效果。

热屏障涂层已被引入航空航天及陆地涡轮发动机的应用中。这些涂层通常是已稳定的氧化锆，把它设计成特殊的微观结构以及掺杂成分。目前有很多制造热屏障涂层的方法，这些方法包括等离子喷涂、电子束物理沉积法、化学沉积法、激光辅助的化学沉积法、溶液胶体法以及最简单的涂刷后固化热处理方法。用这些不同方法生产出来的涂层/材料有可能会有很大变化范围的微观结构。这些涂层或材料的微观结构对它们的物理、机械、热性能有很大的影响。

例，现在的高温航空发动机叶片涂层通常是用等离子喷涂或电子束物理沉积法方法形成。([1]. N.P. Padture and M. Gell, “Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications,” Science 12 April 2002, Vol. 296 no. 5566 pp. 280-284) 等离子喷涂方法能生产出层状结构的涂层，它的层状结构式平行于基体的，此结构能改善航空发动机的热屏障性能，且经济上可行。但是它的局限性在于它在1150℃度高温运行时它的寿命受到限制。电子束物理沉积法产生柱状结构的涂层，这些柱状结构是垂直于基体的，此涂层提供优越的航空航天发动机性能，但是经济费用昂贵限制了它的商业应用，它只局限于军用。最近，美国英佛曼公司已开发出纵向开裂及纳米孔洞的热膨胀涂层，此涂层是利用一种革命性的液体等离子法制造的，此热膨胀涂层的性能远远优于等离子及电子束物理沉积法生产的涂层。 ([2]. M. Gell, X.Q. Ma, E.H. Jordan, N.P. Padture, L.D. Xie, T.D. Xiao, and A. DeCarmine, “Coatings, Materials, Articles, and methods of Making Thereof,” US Patent No. 7,563,503 B2, issued July 21, 2009.    [3]. X.Q. Ma, S. Murphy, J.D. Roth, T.D. Xiao, and B.M. Cetegen, “Apparatus and method for Solution Plasma Spraying,” US Patent No. 7,112,758 B2, issued Sep. 26, 2006)