دراسة حالة: كيف عززت YSZ من متانة فوهة ZSBN

مقدمة

توضح دراسة الحالة هذه كيف عالجت Stanford Advanced Materials (SAM) حاجة العميل إلى فوهات ZSBN تدوم طويلاً في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والتآكل العالي. ومن خلال إجراء تعديلات في كل من معلمات التركيب والتشكيل السيراميكي، قدمنا حلاً أدى إلى تحسين مقاومة التآكل والتدهور الحراري، دون زيادة التكلفة بشكل كبير.

الخلفية

يشيع استخدام فوهات ZSBN (زركونيا نيتريد البورون المقوى بالنتريد) في الرش الحراري ومناولة المعادن المنصهرة وغيرها من العمليات الصناعية حيث تمثل الحرارة والتآكل تحديات مستمرة. أفاد أحد عملائنا أن فوهاتهم الحالية، القائمة على مادة BN المعززة بالـ ZrO2 القياسية، كانت تقصر من حيث عمر الخدمة. حدثت الأعطال عند درجات حرارة تشغيل تتجاوز 1000 درجة مئوية وفي الأنظمة ذات الوسائط الكاشطة سريعة الحركة. أدى الاستبدال المتكرر للفوهة إلى تعطلها وارتفاع تكاليف الصيانة.

استخدم العميل في الأصل تركيبة من الزركونيا غير المستقرة. كانت مهمتنا تعزيز المتانة في ظل ظروف العالم الحقيقي، خاصةً في ظل الأحمال الحرارية والميكانيكية الدورية.

التحدي الأساسي

كانت المشكلة الأساسية هي التآكل المبكر والتشقق الحراري لمادة الفوهة. في حين أن مادة BN توفر التشحيم والمقاومة الحرارية، إلا أن النظام المضاف الأصلي كان يفتقر إلى ثبات الطور والصلابة الميكانيكية الكافية في درجات الحرارة المرتفعة. كانت هناك حاجة إلى مرحلة تقوية أكثر قوة من الناحية الحرارية، دون إحداث هشاشة أو تعريض قابلية التشغيل الآلي للخطر.

الحلول التي تم تقييمها

الخيار 1: الاحتفاظ بمضاف الزركونيا الأصلي، وتعديل عملية الكبس

• الإيجابيات: الحد الأدنى من التغييرات في مصادر المواد الخام أو مواصفات الحرق

• السلبيات: مكاسب محدودة في المقاومة الحرارية أو مقاومة التآكل

الخيار 2: الاستبدال بالزركونيا المستقرة بالإيتريا (YSZ)

• الإيجابيات: تحسين الاستقرار في درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة أفضل للتآكل، وسلامة أقوى لحدود الحبيبات

• السلبيات: تكلفة المواد أعلى قليلاً؛ يتطلب بروتوكولات خلط وتلبيد منقحة

الخيار 3: تطبيق طلاءات واقية على سطح الفوهة

• الإيجابيات: حماية من التآكل على مستوى السطح

• السلبيات: التصنيع المعقد، قد ينفصل الطلاء عند درجة حرارة عالية، زيادة التكلفة

النهج المختار: الخيار 2 - استبدال الزركونيا القياسية بنسبة 3 مول مولار من YSZ، بالإضافة إلى تحسين طفيف في عملية التشكيل.

الحل والتنفيذ

قمنا بإدخال 3 مول مولار من YSZ كمرحلة تقوية داخل مصفوفة BN. يوفر YSZ ثباتًا ممتازًا في الطور فوق 1000 درجة مئوية ويساعد على إبطاء انتشار الشقوق تحت الحمل. بالإضافة إلى تغيير المواد، قمنا بتعديل مرحلة الكبس المتساوي البرودة (CIP):

• وقت الضغط: زيادة وقت الانتظار من 30 ثانية إلى 60 ثانية

• المادة الأولية للمسحوق: التبديل إلى مزيج مسحوق مركب من YSZ-BN عالي الكثافة

• التلبيد: الحفاظ على الجدول الزمني الأصلي لتجنب تكلفة الطاقة الإضافية

ساعدت هذه التغييرات على تحقيق كثافة خضراء أفضل، وفي النهاية بنية مجهرية متكلسة أكثر اتساقًا.

"ركزنا على تحسينات دقيقة ولكنها فعالة: تعبئة أفضل للجسيمات، ومرحلة تقوية أكثر استقرارًا، وتحكم أكثر إحكامًا في التشكيل. وكانت النتائج فورية"." قالت ليزا روس، مهندسة سيراميك أولى في SAM.

النتائج والملاحظات

مقاييس الأداء

أبلغ العميل عن زيادة بنسبة 20-25% في عمر خدمة الفوهة في ظل ظروف عملية مماثلة. تم تمديد فترات الصيانة، وتم تقليل وقت التوقف غير المخطط له. وافق العميل على التركيبة الجديدة للاستخدام الموسع عبر خطي إنتاج إضافيين.

"ساعدتنا الفوهات التي تمت ترقيتها على استقرار نظام الرش لدينا وتقليل حالات التوقف غير المخطط لها. إنه تحسن كبير." - مدير إنتاج العميل

التوصيات والعمل المستقبلي

• اعتماد تركيبة قائمة على YSZ لفوهات الإنتاج

• مواصلة مراقبة الأداء على المدى الطويل في ظل دورات التحميل المتنوعة

• تقييم تأثير تحسين درجة حرارة التلبيد في الدفعات المستقبلية

ستبقى SAM في تعاون وثيق مع العميل لضبط خصائص المواد حسب الحاجة وتقديم الدعم الفني لتوسيع نطاق الفوهات المحسنة.

الخلاصة

يوضح هذا المشروع كيف يمكن لعمليات الاستبدال المركزة للمواد - المقترنة بتعديلات عملية في التشكيل - أن تحقق مكاسب في المتانة في العالم الحقيقي. من خلال استبدال الزركونيا التقليدية ب YSZ وزيادة وقت تثبيت الضغط، حسّنت Stanford Advanced Materials (SAM) الأداء الحراري والميكانيكي لنظام فوهة ZSBN.

والنتيجة: إطالة عمر الخدمة، ومقاومة أفضل لظروف المعالجة القاسية، وانخفاض التكلفة الإجمالية للملكية بالنسبة للعميل.

هل لديك أي أسئلة أو تحتاج إلى مناقشة مفصلة حول احتياجاتك الخاصة؟ أرسل لنا استفسارًا للحصول على حلول وإرشادات احترافية.