高级抗侵蚀碳氮化物金属陶瓷制造技术

本发明专利技术包括一种式（ＰＱ）（ＲＳ）所示的金属陶瓷复合物，其包含陶瓷相（ＰＱ）和粘合剂相（ＲＳ），其中Ｐ是选自由Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｍｎ及其混合物组成的组的金属，Ｑ是碳氮化物，Ｒ是选自由Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ及其混合物组成的组的金属，Ｓ包括至少一种选自Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ和Ｙ中的元素。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大致涉及金属陶瓷，特别是含有金属碳氮化物的金属陶瓷复合物。这些金属陶瓷适用于需要具有优异的抗侵蚀和抗腐蚀性的材料的高温应用领域。
技术介绍
抗侵蚀材料可用于表面受到侵蚀力的许多应用领域。例如，在各种化学和石油环境中，暴露在含有坚硬的固体粒子(例如催化剂粒子)的侵蚀性流体中的精炼工艺容器壁和内件会受到侵蚀和腐蚀。保护这些容器和内件免受由侵蚀和腐蚀引起的材料降解(尤其是在高温下)是一项技术挑战。对于需要保护以免受到最严重的侵蚀和腐蚀的组件，例如用于将固体粒子与流体流分离的内部旋风分离器(例如用于将催化剂粒子与工艺流体分离的流化床催化裂化装置(FCCU)中的内部旋风分离器)的内壁，目前使用的是耐火衬里。抗侵蚀材料的现有技术是将可铸氧化铝耐火材料进行化学结合。将这些可铸氧化铝耐火材料施用到需要保护的表面上，并在热固化时硬化并通过金属锚栓(anchor)或金属加强件粘附到表面上。其也容易结合到其它耐火表面上。市售耐火材料的典型化学组成是80.0重量％Al2O3、7.2重量％SiO2、1.0重量％Fe2O3、4.8重量％MgO/CaO、4.5重量％P2O5。现有技术状况下的耐火衬里的使用寿命受到由高速粒子撞击、机械破裂和散裂(spallation)引起的衬里过度机械磨耗的极大限制。因此，对于高温应用领域，需要具有优异的抗侵蚀和抗腐蚀性质的材料。本专利技术的金属陶瓷复合物满足了这一需要。陶瓷-金属复合材料被称作金属陶瓷。为高硬度和断裂韧性适当设计的具有足够化学稳定性的金属陶瓷可以提供比现有技术中已知的耐火材料高得多的抗侵蚀性。金属陶瓷通常含有陶瓷相和粘合剂相，并且一般使用粉末冶金技术制得，其中将金属和陶瓷粉末混合、压制并高温烧结以形成密实的压块。本专利技术包括新型且改进的金属陶瓷复合物。本专利技术还包括适合在高温下使用的金属陶瓷复合物。此外，本专利技术包括一种改进的保护金属表面在高温条件下免受侵蚀和腐蚀的方法。根据下列详细描述，可以清楚地了解这些目的和其它目的。专利技术概述本专利技术包括一种式(PQ)(RS)所示的金属陶瓷复合物，其包含陶瓷相(PQ)和粘合剂相(RS)，其中P是选自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Mn及其混合物组成的组的金属，Q是碳氮化物，R是选自由Fe、Ni、Co、Mn及其混合物组成的组的金属，S包括选自Cr、Al、Si和Y的至少一种元素。附图的简要说明附图说明图1是使用30体积％的304不锈钢(304SS)粘合剂制造的TiC0.7N0.3金属陶瓷的扫描电子显微镜(SEM)图，显示了分散在粘合剂中的Ti(C，N)陶瓷相粒子、和新相M2(C，N)(其中M主要是Cr、Fe和Ti)和M(C，N)碳氮化物(其中M主要是Ti和Ta)的再沉淀。该显微照片中还显示出在Ti(C，N)陶瓷周围形成M(C，N)边缘。图2是与图1所示相同的金属陶瓷的透射电子显微镜(TEM)图。图3是使用25体积％Haynes556合金粘合剂制造的TiC0.7N0.3金属陶瓷的SEM图，显示了分散在粘合剂中的Ti(C，N)陶瓷相粒子、和新相M2(C，N)(其中M主要是Cr、Fe和Ti)和M2(C，N)(其中M主要是Mo、Nb、Cr和Ti)的再沉淀。图4是与图3所示相同的金属陶瓷的透射电子显微镜(TEM)图。图5是显示氧化物层厚度(微米)的图，其为使用30体积％粘合剂制造的本专利技术的碳氮化钛金属陶瓷在800℃的空气中暴露65小时后抗氧化性的量度。还显示了碳化钛和氮化钛金属陶瓷的抗氧化性作对比。专利技术详述式(PQ)(RS)所示的金属陶瓷复合物的一个组分是标作(PQ)的陶瓷相。在陶瓷相(PQ)中，P是选自由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Mn及其混合物组成的组的金属。Q是碳氮化物。由此，碳氮化物金属陶瓷复合物中的陶瓷相(PQ)是金属碳氮化物。(PQ)中P与Q的摩尔比可为1∶3至3∶1不等，优选在1∶2至2∶1范围内。作为非限制性示例性例子，当P＝Ti时，(PQ)可以是Ti(C，N)，其中P∶Q为1∶1。当P＝Cr时，(PQ)可以是Cr2(C，N)，其中P∶Q为2∶1。陶瓷相使碳氮化物金属陶瓷具有硬度，并在最高达大约1000℃下具有抗侵蚀性。金属陶瓷的陶瓷相(PQ)优选分散在粘合剂相(RS)中。分散陶瓷粒子的直径优选为0.5至3000微米。更优选地，直径为0.5至100微米。分散陶瓷粒子可以具有任何形状。一些非限制性例子包括球形、椭圆形、多面体、扭曲球形、扭曲椭圆形和扭曲多面体。粒子直径是指3D形状粒子最长轴的测量结果。可以使用显微镜方法，例如光学显微法(OM)、扫描电子显微法(SEM)和透射电子显微法(TEM)测量粒子大小。在本专利技术的另一具体实施方式中，陶瓷相(PQ)以具有给定纵横比(片状物的长度与厚度的比)的片状物分散。长度∶厚度的比可以为5∶1至20∶1不等。片状物微结构通过在侵蚀过程中将载荷从粘合剂相(RS)有效地传递到陶瓷相(PQ)来使其具有优异的机械性能。式(PQ)(RS)所示的碳氮化物金属陶瓷复合物的另一组分是标作(RS)的粘合剂相。在该粘合剂相(RS)中，R是选自由Fe、Ni、Co、Mn及其混合物组成的组的基底金属。S是包括选自由Cr、Al、Si和Y组成的组的至少一种元素的合金金属。S可以进一步包括选自由Y、Ti、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Cr、Mo、W及其混合物组成的组的异价(aliovalent)元素。Cr、Al、Si、Y及其混合物的总重量为粘合剂(RS)重量的至少大约12重量％。异价元素是粘合剂重量的大约0.01重量％至大约5重量％，优选大约0.01重量％至大约2重量％。元素Ti、Zr、Hf、Ta、V、Nb、Cr、Mo、W是特征为在氧化态时呈多价态的异价元素。这些元素降低了氧化物层(oxidescale)中的瑕疵传递(defect transport)，由此提供改进的抗腐蚀性。在碳氮化物金属陶瓷复合物中，粘合剂相(RS)占金属陶瓷体积的5至50体积％，优选5至30体积％。R与S的质量比为50/50至90/10不等。在一个优选具体实施方式中，粘合剂相(RS)中铬含量为粘合剂(RS)重量的至少12重量％。在另一优选具体实施方式中，粘合剂相(RS)中锆和铪总含量为粘合剂相(RS)总重量的大约0.01重量％至大约2.0重量％。金属陶瓷复合物可以进一步包括第二碳氮化物(P’Q)，其中P’选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Ni、Co、Mn、Al、Si、Y及其混合物。换言之，第二碳氮化物是由来自金属陶瓷复合物(PQ)(RS)的P、R、S及其组合的金属元素形成的。(P’Q)中P’与Q的比率可为3∶1至1∶3不等。本专利技术的金属陶瓷中总陶瓷相体积包括(PQ)和第二碳氮化物(P’Q)。在碳氮化物金属陶瓷复合物中，(PQ)+(P’Q)占金属陶瓷体积的大约50至95体积％。金属陶瓷相(和金属陶瓷组分)的体积百分比不包括由多孔性造成的孔体积。金属陶瓷可以通过0.1至15体积％的多孔表征。优选地，多孔的体积占金属陶瓷体积的0.1至低于10％。包含多孔的这些孔优选不相连而是作为离散的孔分布在金属陶瓷体中。平均孔隙大小优选等于或小于陶瓷相(PQ)的平均粒度。本专利技术的一个方面是金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种式（ＰＱ）（ＲＳ）所示的金属陶瓷复合物，其包含陶瓷相（ＰＱ）和粘合剂相（ＲＳ），其中Ｐ是选自由Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｍｎ及其混合物组成的组的金属，Ｑ是碳氮化物，Ｒ是选自由Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ及其混合物组成的组的金属，Ｓ包括至少一种选自Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ和Ｙ的元素。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：全昌旻，NRV班加罗，陈炫佑，具滋荣，JR彼得松，RL安特拉姆，CJ福勒，
申请(专利权)人：埃克森美孚研究工程公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]