耐海水腐蝕熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷轉(zhuǎn)子：性能、對(duì)比與制造

海洋工程裝備的核心運(yùn)動(dòng)部件長(zhǎng)期面臨高流速海水沖刷、氯離子電化學(xué)腐蝕及磨粒磨損的協(xié)同作用，傳統(tǒng)金屬材料在此工況下頻繁出現(xiàn)點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕及疲勞失效。熱壓燒結(jié)氮化硅（Si?N?）陶瓷轉(zhuǎn)子憑借其共價(jià)鍵強(qiáng)鍵合的晶體結(jié)構(gòu)，正在成為海水泵、艦船推進(jìn)系統(tǒng)及海水淡化能量回收裝置的關(guān)鍵部件。

氮化硅陶瓷轉(zhuǎn)子

一、材料的物理化學(xué)性能分析
氮化硅陶瓷屬六方晶系，以[SiN?]四面體為結(jié)構(gòu)單元。熱壓燒結(jié)工藝可使材料致密度接近理論值，室溫抗彎強(qiáng)度達(dá)800-1050MPa，斷裂韌性6-7MPa·m1/2，維氏硬度2200-2800HV-2-8。其低密度特性（3.12-3.20g/cm3）約為軸承鋼的40%，大幅降低轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心應(yīng)力。

在化學(xué)穩(wěn)定性方面，氮化硅表面暴露于空氣或海水時(shí)會(huì)迅速形成致密SiO?鈍化層。研究證實(shí)，在海水環(huán)境中，該鈍化層與海水中Ca2?、Mg2?等離子反應(yīng)生成硅酸鹽沉積膜，可進(jìn)一步阻擋Cl?向基體滲透。經(jīng)12天海水全浸試驗(yàn)，純氮化硅腐蝕速率僅0.0109g/(m2·h)，添加燒結(jié)助劑優(yōu)化晶界相后，腐蝕速率可降至0.0037g/(m2·h)，接近金屬材料“很耐腐蝕”等級(jí)。此外，氮化硅在水潤(rùn)滑條件下可與對(duì)磨件發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成H?BO?、Al(OH)?等潤(rùn)滑膜，海水環(huán)境中摩擦因數(shù)可低至0.028，實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。

氮化硅陶瓷加工精度

二、與其他工業(yè)陶瓷材料的性能對(duì)比
與氧化鋁（Al?O?）陶瓷相比：氧化鋁雖在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿中失重極低且成本優(yōu)勢(shì)顯著-7，但其斷裂韌性僅3-4 MPa·m1/2，熱壓燒結(jié)氮化硅的韌性約為其兩倍。在海水介質(zhì)中，轉(zhuǎn)子啟停瞬間的沖擊載荷易引發(fā)氧化鋁沿晶斷裂，而氮化硅憑借柱狀晶粒的拔出與橋接機(jī)制可有效止裂。

與氧化鋯（ZrO?）陶瓷相比：氧化鋯韌性優(yōu)異（6-10 MPa·m1/2），但其相變?cè)鲰g機(jī)制在海水環(huán)境中存在隱患。氧化鋯在水熱條件下易發(fā)生四方相向單斜相的低溫退化，導(dǎo)致表面微裂紋萌生，長(zhǎng)期耐海水腐蝕性劣于氮化硅。同時(shí)氧化鋯密度高達(dá)5.6-6.0g/cm3，不利于轉(zhuǎn)子減重。

與碳化硅（SiC）陶瓷相比：碳化硅耐強(qiáng)酸堿腐蝕性極強(qiáng)，熱導(dǎo)率亦優(yōu)于氮化硅。然而碳化硅屬脆性材料，斷裂韌性僅3-4 MPa·m1/2，且共價(jià)鍵含量超過(guò)90%，難以燒結(jié)致密，復(fù)雜形狀轉(zhuǎn)子成型良率低。氮化硅在保持耐蝕性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了韌性、抗熱震性與可加工性的最佳平衡。

氮化硅陶瓷性能參數(shù)

三、生產(chǎn)制造過(guò)程與工業(yè)應(yīng)用
熱壓燒結(jié)是制備高性能氮化硅轉(zhuǎn)子的核心工藝。海合精密陶瓷有限公司依托十余年氮化硅燒結(jié)經(jīng)驗(yàn)，采用硅亞胺熱解法高純粉體（α相＞95%，氧含量＜2.0%），以Y?O?-Al?O?或Yb?O?-MgO為復(fù)合燒結(jié)助劑-5-8。粉料經(jīng)噴霧造粒后在石墨模具中單向加壓，燒結(jié)溫度1750-1850℃，壓力25-40MPa，保溫保壓促使α→β相充分轉(zhuǎn)化，形成長(zhǎng)徑比達(dá)7-10的柱狀晶互鎖結(jié)構(gòu)。燒結(jié)毛坯通過(guò)精密磨削與拋光，轉(zhuǎn)子跳動(dòng)精度可達(dá)微米級(jí)。

該制品適用于三類苛刻工況：其一為海水循環(huán)與提升系統(tǒng)，如核電取水泵轉(zhuǎn)子、船舶壓載水閥芯，利用材料耐Cl?腐蝕及高硬度抵御泥沙沖刷；其二為海洋石油平臺(tái)高壓噴射混輸泵，可耐受H?S/CO?伴生腐蝕；其三為冶金行業(yè)鋁液除氣轉(zhuǎn)子，氮化硅對(duì)鋁液完全惰性，連續(xù)使用壽命較剛玉或鑄鐵延長(zhǎng)十倍以上。海合精密陶瓷有限公司可根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)成分調(diào)整晶界相配方，為海洋裝備提供低運(yùn)維成本的長(zhǎng)壽命轉(zhuǎn)子解決方案。