Тематическое исследование: Как YSZ повысил долговечность сопла ZSBN

Введение

В данном примере описывается, как компания Stanford Advanced Materials (SAM) удовлетворила потребность клиента в более долговечных соплах ZSBN для работы в условиях высоких температур и повышенного износа. Благодаря корректировке рецептуры керамики и параметров формовки мы создали решение, которое повысило устойчивость к истиранию и термической деградации без значительного увеличения стоимости.

Справочная информация

Сопла ZSBN (Zirconia Strengthened Boron Nitride) широко используются в термическом распылении, обработке расплавленного металла и других промышленных процессах, где тепло и износ являются постоянными проблемами. Один из наших клиентов сообщил, что существующие сопла, изготовленные из стандартного армированного ZrO2 BN, имеют недостаточный срок службы. Отказы происходили при рабочих температурах свыше 1000 °C и в системах с быстро движущейся абразивной средой. Частая замена сопел приводила к простоям и увеличению затрат на обслуживание.

Изначально клиент использовал состав с нестабилизированным диоксидом циркония. Наша задача заключалась в повышении долговечности в реальных условиях, особенно при циклических тепловых и механических нагрузках.

Основная проблема

Основной проблемой был преждевременный износ и термическое растрескивание материала сопла. Хотя BN обеспечивает смазку и термостойкость, исходная система добавок не обладала достаточной фазовой стабильностью и механической прочностью при повышенных температурах. Требовалась более термически прочная упрочняющая фаза, не вызывающая хрупкости и не ухудшающая обрабатываемость.

Рассмотренные решения

Вариант 1: Сохранение исходной циркониевой добавки, корректировка процесса прессования

• Плюсы: Минимальные изменения в источнике сырья или профиле обжига

• Минусы: ограниченный выигрыш в термической и износостойкости

Вариант 2: Замена на иттрий-стабилизированный диоксид циркония (YSZ)

• Плюсы: Улучшенная стабильность при высоких температурах, лучшая износостойкость, более прочная целостность границ зерен

• Минусы: Немного более высокая стоимость материала; требуется пересмотр протоколов смешивания и спекания

Вариант 3: Нанесение защитных покрытий на поверхность сопла

• Плюсы: Защита от истирания на уровне поверхности

• Минусы: Сложность изготовления, покрытие может расслаиваться при высокой температуре, повышенная стоимость

Выбранный подход: Вариант 2 - замена стандартного диоксида циркония на 3 мол. % YSZ в сочетании с незначительной оптимизацией процесса формования.

Решение и реализация

Мы ввели 3 моль % YSZ в качестве армирующей фазы в матрицу BN. YSZ обеспечивает отличную стабильность фазы при температуре выше 1000 °C и помогает замедлить распространение трещин под нагрузкой. В дополнение к замене материала мы изменили стадию холодного изостатического прессования (CIP):

• Время прессования: Увеличение времени выдержки с 30 до 60 с.

• Порошковое сырье: Переход на композитную порошковую смесь YSZ-BN с более высокой плотностью.

• Спекание: Сохранение первоначального графика, чтобы избежать дополнительных затрат на электроэнергию.

Эти изменения помогли добиться лучшей зеленой плотности и, в конечном счете, более стабильной микроструктуры спеченного материала.

"Мы сосредоточились на тонких, но эффективных улучшениях: лучшей упаковке частиц, более стабильной армирующей фазе и более жестком контроле при формовании. Результаты были незамедлительными", - говорит Лиза Росс, старший инженер по керамике компании SAM.

Результаты и отзывы

Показатели эффективности

Заказчик сообщил об увеличении срока службы форсунок на 20-25 % при идентичных технологических условиях. Интервалы технического обслуживания были увеличены, а незапланированные простои сократились. Клиент одобрил новую рецептуру для расширенного использования на двух дополнительных производственных линиях.

"Модернизированные форсунки помогли нам стабилизировать систему распыления и сократить количество незапланированных остановок. Это значимое улучшение". - Руководитель производства клиента

Рекомендации и будущая работа

• Принять рецептуру на основе YSZ для производственных форсунок

• Продолжить мониторинг долгосрочных характеристик при различных циклах нагрузки

• Оценить эффект от оптимизации температуры спекания в будущих партиях.

SAM будет продолжать тесное сотрудничество с клиентом для точной настройки свойств материала по мере необходимости и предоставления технической поддержки для масштабирования улучшенных сопел.

Заключение

Этот проект демонстрирует, как целенаправленная замена материалов в сочетании с практическими корректировками формования может обеспечить реальный выигрыш в долговечности. Заменив обычный диоксид циркония на YSZ и увеличив время выдержки при прессовании, Stanford Advanced Materials (SAM) улучшил как тепловые, так и механические характеристики системы сопел ZSBN.

Результат: увеличение срока службы, повышение устойчивости к жестким технологическим условиям и снижение общей стоимости владения для заказчика.

У вас есть вопросы или необходимо подробное обсуждение ваших конкретных потребностей? Отправьте нам запрос, чтобы получить профессиональные решения и рекомендации.