[发明专利]水轮机

说明书

本发明是申请号为CN88104561.4，申请日为88年7月23日，发明题目为“一种具有优良韧性和高抗侵蚀能力的高强度烧结复合陶瓷体及其制备工艺”的专利申请的分案申请。

本发明涉及一种水轮机及制备水轮机的具有优良韧性和抗侵蚀能力的高强度烧结复合陶瓷体及其制备工艺，特别涉及一种烧结复合陶瓷体，该陶瓷体可用作制造水轮机叶片，或用于制造很可能遭受严重水流空化侵蚀的部件（如水轮）及该陶瓷体的制备工艺。

到目前为止，均使用耐热合金作为汽轮机叶片等等的高温结构材料。然而，这些耐热合金不能承受现代大功率汽轮机所要求的更高温度。因此，为了得到更大功率汽轮机，近来需要使用比这些合金更耐热的材料。现在，具有优良耐热性和抗氧化性的陶瓷材料如SiC，Si₃N₄和Si-Al-ON（Si_6-ZAl_ZO_ZN_8-Z，其中0＜Z＜4.2），作为一种可以代替上述耐热合金的高温结构材料，已引起人们的注意。

另一方面，这些陶瓷材料作为适于制造象水轮转子这类另件的低温结构材料，也引起人们的注意，这种转子很容易遭到液流空化侵蚀，或因水中污物或泥浆和砂子含量增加而致的磨损。然而，众所周知这些陶瓷材料很脆是其缺点（见日本Ⅰ特许公开公报No61-192860）。因此，这些陶瓷材料从未获得实际应用。

一般有两种方法改善陶瓷材料的韧性：第一种方法是在该陶瓷材料中弥散金属或金属化合物的微粒，例如金属碳化物、金属氮化物、金属硅化物和金属硼化物;第二种方法是在该陶瓷材料中弥散金属或金属化合物的纤维或晶须。这两种方法能够改善室温下韧性，但是在高温下，还存在抗氧化性不良的问题，因为在该陶瓷材料表面的金属或金属化合物暴露在某种气氛中。因此，该陶瓷部件寿命太短而无法实际应用。所以，最近对复合陶瓷体中弥散入陶瓷微粒、纤维和/或晶须进行了很多研究，这种陶瓷体在高温下可能具有优良的抗氧化性。然而已提出的方法，包括所述第一种和第二种方法在内虽能明显改善韧性，但是不能获得持久的韧性。就是说，用已提出的方法所得到的产品在韧性方面是不稳定的。

如上所述，已知将晶须、纤维和/或微粒弥散到陶瓷材料中的方法能够改善其韧性。然而，另一方面的事实是这种弥散使陶瓷材料的强度降低。就是说，通常，当陶瓷材料的韧性增加时，它的强度降低;而当陶瓷材料的强度增加时，它的韧性降低。所以，在强度有些损失的情况下改善韧性方面进行了很多研究工作。另一方面，还有这样一些问题，即其中弥散了金属或金属化合物的陶瓷材料在高温下不能使用，因为其金属区域会被氧化。

本发明的目的是解决上述的一些问题。

本发明的另一个目的是提供一种改善了韧性的碳化硅、氮化硅或SiAlON的高强度烧结复合陶瓷体，该陶瓷体在高温下，而且在低温下是稳定的并且可以使用，还具有优良的抗侵蚀能力。

本发明再一个目的是提供制备上述高强度烧结复合陶瓷体的工艺。

本发明提供了一种具有优良韧性和抗侵蚀能力的高强度烧结复合陶瓷体，其特征在于它由一作为单一陶瓷材料工作面的烧结表面层和一个含有适当弥散物质的复合陶瓷材料的烧结内层构成;单一陶瓷材料的陶瓷层和复合陶瓷材料的内层，在烧结体中结合在一起，并且弥散物质的形状至少是微粒、晶须和纤维中的一种。

此外，依照本发明，在内层复合陶瓷材料上涂敷一层单一陶瓷材料表面层以形成一个坯体，并将该坯体热压烧结或无压力烧结而制备出上述的高强度烧结复合陶瓷体。

附图简单描述如下：

图1（A），1（B）和1（C）是一组断面示意图，用于说明烧结陶瓷体的断裂机制。

图2（A）和2（B）是一组断面示意图、用于说明烧结陶瓷体的又一种断裂机制。

图3是表明不同材料抗弯强度比较的图解。

图4是表明不同材料断裂韧性比较的图解。

图5是表面不同材料抗液流空化侵蚀能力比较的曲线图。

图6是表明抗弯强度和断裂韧性与依照本发明烧结复合陶瓷体的表面层厚度对整体厚度比率关系的曲线图。

图7是用于实施例5中的轴向流式水轮简图。

本发明的详细描述如下：

陶瓷具有金属或塑料所不具备的一些优越性能。然而，陶瓷还有一个弱点，就是它很脆。依照本发明，作为工作面的表面层具有陶瓷的特性，甚至当陶瓷体产生裂缝时，还能在整体上保持较高的断裂韧性。而且，先有工艺烧结的含有金属微粒、晶须或纤维的陶瓷体耐酸性差，但是，本发明的陶瓷体具有良好的耐酸性。