Caso di studio: Come l'YSZ ha migliorato la durata dell'ugello ZSBN

Introduzione

Questo caso di studio illustra come la Stanford Advanced Materials (SAM) ha risposto all'esigenza di un cliente di avere ugelli ZSBN più duraturi in ambienti ad alta temperatura e ad alta usura. Grazie alle modifiche apportate alla formulazione della ceramica e ai parametri di formatura, abbiamo fornito una soluzione che ha migliorato la resistenza all'abrasione e al degrado termico, senza aumentare significativamente i costi.

Il contesto

Gliugelli in ZSBN (Nitruro di Boro Rafforzato con Zirconia) sono comunemente utilizzati negli spray termici, nella manipolazione del metallo fuso e in altri processi industriali in cui il calore e l'usura sono sfide costanti. Uno dei nostri clienti ci ha segnalato che gli ugelli esistenti, basati su BN standard rinforzato con ZrO2, avevano una durata insufficiente. I guasti si verificavano a temperature di esercizio superiori a 1000 °C e in sistemi con mezzi abrasivi in rapido movimento. La frequente sostituzione degli ugelli comportava tempi di inattività e costi di manutenzione più elevati.

Il cliente aveva inizialmente utilizzato una formulazione con zirconia non stabilizzata. Il nostro compito era quello di migliorare la durata in condizioni reali, in particolare in presenza di carichi termici e meccanici ciclici.

La sfida principale

Il problema principale era l'usura prematura e la fessurazione termica del materiale dell'ugello. Sebbene il BN fornisca lubrificazione e resistenza termica, il sistema di additivi originale non aveva una sufficiente stabilità di fase e tenacità meccanica a temperature elevate. Era necessaria una fase di rinforzo più robusta dal punto di vista termico, senza introdurre fragilità o compromettere la lavorabilità.

Soluzioni valutate

Opzione 1: Mantenere l'additivo di zirconia originale, adeguare il processo di pressatura

• Pro: Modifiche minime all'approvvigionamento di materie prime o al profilo di cottura

• Contro: guadagni limitati in termini di resistenza termica o all'usura

Opzione 2: Sostituzione con zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ)

• Pro: Maggiore stabilità alle alte temperature, migliore resistenza all'usura, maggiore integrità dei bordi dei grani

• Contro: costo del materiale leggermente superiore; richiede protocolli di miscelazione e sinterizzazione modificati

Opzione 3: applicare rivestimenti protettivi alla superficie dell'ugello

• Pro: Protezione dall'abrasione a livello superficiale

• Contro: produzione complessa, il rivestimento può delaminare ad alta temperatura, costo maggiore

Approccio selezionato: Opzione 2 - Sostituzione dell'ossido di zirconio standard con YSZ al 3 mol%, combinata con una piccola ottimizzazione del processo di formatura.

Soluzione e implementazione

Abbiamo introdotto il 3 mol% di YSZ come fase di rinforzo nella matrice BN. L'YSZ offre un'eccellente stabilità di fase al di sopra dei 1000 °C e contribuisce a rallentare la propagazione delle cricche sotto carico. Oltre alla modifica del materiale, abbiamo modificato la fase di pressatura isostatica a freddo (CIP):

• Tempo di pressatura: Aumento del tempo di mantenimento da 30 s a 60 s.

• Materia prima della polvere: Passaggio a una miscela di polveri composite YSZ-BN a più alta densità.

• Sinterizzazione: Mantenuto il programma originale per evitare costi energetici aggiuntivi.

Queste modifiche hanno contribuito a ottenere una migliore densità verde e, in definitiva, una microstruttura sinterizzata più uniforme.

"Ci siamo concentrati su miglioramenti sottili ma efficaci: un migliore impacchettamento delle particelle, una fase di rinforzo più stabile e un controllo più stretto della formatura. I risultati sono stati immediati", ha dichiarato Lisa Ross, ingegnere ceramico senior della SAM.

Risultati e feedback

Metriche di prestazione

Il cliente ha registrato un aumento del 20-25% della durata degli ugelli in condizioni di processo identiche. Gli intervalli di manutenzione sono stati prolungati e i tempi di fermo non programmati sono stati ridotti. Il cliente ha approvato la nuova formulazione per un uso esteso a due ulteriori linee di produzione.

"Gli ugelli aggiornati ci hanno aiutato a stabilizzare il nostro sistema di spruzzatura e a ridurre le interruzioni non programmate. È un miglioramento significativo". - Responsabile di produzione del cliente

Raccomandazioni e lavoro futuro

• Adottare una formulazione a base di YSZ per gli ugelli di produzione.

• Continuare a monitorare le prestazioni a lungo termine in presenza di diversi cicli di carico

• Valutare l'effetto dell'ottimizzazione della temperatura di sinterizzazione nei lotti futuri.

SAM rimarrà in stretta collaborazione con il cliente per mettere a punto le proprietà del materiale, se necessario, e fornire supporto tecnico per la scalabilità degli ugelli migliorati.

Conclusioni

Questo progetto dimostra come la sostituzione mirata dei materiali, abbinata a pratici aggiustamenti della formatura, possa sbloccare guadagni reali in termini di durata. Sostituendo l'ossido di zirconio convenzionale con YSZ e aumentando il tempo di mantenimento della pressatura, Stanford Advanced Materials (SAM) ha migliorato le prestazioni termiche e meccaniche del sistema di ugelli ZSBN.

Il risultato: una maggiore durata, una migliore resistenza alle condizioni di processo difficili e un costo totale di proprietà inferiore per il cliente.

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