（机械制造及其自动化专业论文）层状复合陶瓷喷嘴的设计制造及其应用研究.pdf

摘要 摘要 根据喷嘴的冲蚀磨损特性，结合层状复合陶瓷材料的优异性能，将层状 复合结构的概念引入陶瓷喷嘴的设计及制造中，提出了层状复合陶瓷喷嘴的 设计理论和方法，研制开发出层状复合陶瓷喷嘴，系统研究了层状复合陶瓷 喷嘴的物理力学性能、微观结构以及冲蚀磨损特性等，探索了其冲蚀磨损机 理。 针对陶瓷喷嘴冲蚀磨损特点和应力状态，提出了层状复合陶瓷喷嘴的设 计目标，建立了多种层状复合陶瓷喷嘴物理模型，并确定了其材料体系，即： a 1 2 0 3 ( w , t i ) c + a 1 2 0 3 t i c ( 简称a w t + a t ) 。 采用有限元法深入分析了层状复合陶瓷喷砂嘴和水煤浆喷嘴制备过程 中形成的残余应力及其分布规律，结果表明：层状复合陶瓷喷砂嘴和水煤浆 喷嘴在其入口和出口表面层均产生了残余压应力。研究了结构参数对层状复 合陶瓷喷嘴内残余应力的影响，通过理论分析初步确定了a w t + a t 层状复合 陶瓷喷砂嘴的最佳结构参数：最佳层厚比为1 2 ，最佳层数为3 层。 陶瓷水煤浆喷嘴的冲蚀磨损具有其独特性，由于其工作环境温度较高， 使得喷嘴使用过程中内部存在较大的温差和温度梯度并导致其出口端面存 在较大的热应力。采用热应力耦合方法对层状复合陶瓷水煤浆喷嘴使用过 程中的温度梯度和热应力及其分布规律进行了分析，结果表明：与均质陶瓷 水煤浆喷嘴相比，通过调节结构参数层状复合陶瓷水煤浆喷嘴内部的温度梯 度有所降低，其出口端面热应力得到明显的缓解。研究了层状复合陶瓷水煤 浆喷嘴的层厚比对其热应力的影响，通过理论分析得出层状复合陶瓷水煤浆 喷嘴最佳层厚比应小于等于0 2 。 采用热压烧结工艺成功制各出多种a w t + a t 层状复合陶瓷喷嘴材料， 并对其性能进行了测试，研究表明：层状复合陶瓷材料比均质陶瓷材料力学 性能有显著提高，l n o 1 ( 层厚比为0 。1 ) 层状复合陶瓷喷嘴材料表面层的 断裂韧性值为l o 4 6 m p a m 2 ，硬度值为2 2 1 8 4 g p a ；而均质陶瓷喷嘴材料 a w t 的断裂韧性值为4 8 m p a m 2 ，硬度值为1 9 9 4 3 g p a 。层状复合陶瓷喷 本文得到山东省科技攻关项目资助( 2 0 0 6 g g 2 2 0 4 0 1 7 ) 山东人学博十学付论文 嘴材料的层厚比对材料力学性能有重要影响，其变化规律为：在制备工艺允 许范围内，层厚比越小，层状复合陶瓷材料表面层的力学性能越好。随着层 数的增加，表层材料的力学性能也有提高，但层数对材料力学性能影响较小。 对a w t + a t 层状复合陶瓷喷嘴材料显微结构分析表明，材料层界面清 晰可见：各层材料的厚度较为均匀一致，厚度相差不大：层与层间结合情况 良好。层状复合陶瓷喷嘴材料表层的残余应力是导致其综合力学性能提高的 主要原因。 对陶瓷喷砂嘴冲蚀后的重量损失、喷嘴内径随时间的变化、喷嘴内孔轮 廓变化和体积冲蚀磨损率等进行了系统试验研究。结果表明：层状复合陶瓷 喷砂嘴的抗冲蚀磨损性能比均质喷砂嘴有显著提高。l n 2 ( 层厚比为2 ) 层 状复合陶瓷喷砂嘴的体积冲蚀磨损率比均质陶瓷喷砂嘴a w t 的体积冲蚀磨 损率降低了2 7 1 4 。层状复合陶瓷喷砂嘴的结构参数对其冲蚀磨损率起着重 要的作用：随着层厚比的增加，其冲蚀磨损率逐渐减小。随着层数的增加， 其冲蚀磨损率逐渐增加。 对层状复合陶瓷水煤浆喷嘴在水煤浆燃烧锅炉内的使用情况进行了现 场冲蚀磨损试验研究，结果表明：层状复合陶瓷水煤浆喷嘴的抗冲蚀磨损性 能比均质陶瓷水煤浆喷嘴有显著提高。l n 0 1 ( 层厚比为0 1 ) 层状复合陶瓷 水煤浆喷嘴的体积冲蚀磨损率比a w t 均质陶瓷水煤浆喷嘴的体积冲蚀磨损 率降低了6 9 0 1 。层状复合陶瓷水煤浆喷嘴出口端面热应力得到明显的缓 解，没有出现均质陶瓷水煤浆喷嘴出口那样的热崩裂现象。层厚比对层状复 合陶瓷水煤浆喷嘴冲蚀率有重要影响，在制备工艺允许范围内，层厚比越小， 其冲蚀磨损率越低。 与均质陶瓷喷嘴相比，层状复合陶瓷喷嘴的抗冲蚀磨损性能有显著提 高，主要是由于层状复合陶瓷喷嘴的采用了层状结构，制备过程中在其表面 层形成了有利的残余压应力，从而缓解了喷嘴实际使用过程中的高应力状 态。另外，层状复合陶瓷喷嘴表层材料的硬度和断裂韧性比均质陶瓷喷嘴的 硬度和断裂韧性显著提高。因此层状复合陶瓷喷嘴应力状态的改善和力学性 能的提高是造成其抗冲蚀能力显著高于均质陶瓷喷嘴的主要原因。 关键词陶瓷喷嘴；层状陶瓷；冲蚀磨损；残余应力 a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ew e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e r a m i cn o z z l e sa n dt h e o u t s t a n d i n gp r o p e r t i e s o fm u l t i l a y e rc e r a m i cc o m p o s i t e s ，i d e ao fl a y e r e d s t r u c t u r e sw a su s e dt ot h ed e s i g na n dp r e p a r eo fc e r a m i cn o z z l e s t h ed e s i g n t h e o r y a n dm e t h o d so fm u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l e sw e r e p r o p o s e d t h e m u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l e sh a v eb e e nd e v e l o p e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t t h es u r f a c el a y e ro ft h e s el a y e r e dc o m p o s i t e sw e r em e a s u r e d ，t h em i c r o s t r u c t u r e w a se x a m i n e d ，a n dt h ew e a rb e h a v i o r so ft h em u l t i l a y e r e dn o z z l e sw e r e i n v e s t i g a t e d t h ee r o s i o nw e a rm e c h a n i s m so ft h em u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l e s w e r ei n v e s t i g a t e d c o m b i n a t i o nt h ee r o s i v ew e a rc h a r a c t e r is t ic sa n ds t r e s ss t a t eo fc e r a m i c n o z z l e s ，t h ea i mo ft h ed e s i g nf o rt h em u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l e sw a sp r o p o s e d ， a n dt h ep h y s i c a lm o d e l so fm u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l e sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r a l p a r a m e t e r s w e r ee s t a b l i s h e d t h e m u l t i l a y e r c e r a m i cn o z z l e sc o m p o s i t e s s y s t e m sa 1 2 0 3 ( w , t i ) c + a 1 2 0 3 t i c ( a w t + a t ) w e r ed e t e r m i n e d t h ev a l u eo ft h er e s i d u a ls t r e s si n s i d et h e m u l t i l a y e r n o z z l e sd u r i n g f a b r i c a t i n gp r o c e s sw a s c a l c u l a t e db ym e a n so ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ， t h er e s u l t ss h o wt h a ta v a i lc o m p r e s s i v es t r e s sf i e l d sa r ef o u n dt oe x i s ti nt h e e n t r ya n de x i tr e g i o no fd r ys a n db l a s t i n gn o z z l e sa n d c o a lw a t e rs l u r r y ( c w s ) n o z z l e s t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o ft h em u l t i l a y e rc e r a m i c n o z z l e sw a ss t u d i e d t h et h e o r e t i c a lo p t i m a lv a l u eo ft h ed r ys a n db l a s t i n g n o z z l e sw a s ：t h eb e s tt h i c k n e s sr a t i oo f1 - 2 a n do p t i m a ll a y e rn u m b e ro f3 t h ee r o s i v ew e a rc h a f a c t e r i s t i c so fc w sn o z z l e sw e r ed i f f e r e n tf r o mt h a to f t h ed r ys a n db l a s t i n gn o z z l e s t h eh i g hw o r k i n gc o n d i t i o n st e m p e r a t u r eo fc w s n o z z le sl e a dt ot h eh ig ht e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt h e r m a ls t r e s s ，t h et h e r m a l s t r e s sa tt h ee x i ts u r f a c e so ft h ec e r a m i cc w sn o z z l ew e r eh i g h e rt h a nt h a to f o t h e rp a r to ft h en o z z l e 。t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt h e r m a ls t r e s sa n di t s s u p p o s e db yt h ek e ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to fs h a n d o n gp r o v i n c e ( 2 0 0 6 g g 2 2 0 4 0l7 ) i i i 山东大学博十学位论文 d i s t r i b u t i o no ft h em u l t i l a y e rc e r a m i cc w sn o z z l e si nt h ep r o c e s sw e r ea n a l y z e d r e l a t i o n s h i p b e t w e e ns t r e s s e sd i s t r i b u t i o na n dl a y e rt h i c k n e s sr a t i ow e r e o b t a i n e d ，t h et h e o r e t i c a lv a l u eo fo p t i m a ll a y e rt h i c k n e s sr a t i os h o u l db el e s s t h a no re q u a lt o0 2 a w t + a tm u l t i l a y e r e dc e r a m i cn o z z l e c o m p o s i t e s w e r e p r o d u c e db y h o t - p r e s s i n g t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tt h es u r f a c el a y e ro ft h e s el a y e r e d c o m p o s i t e sw e r em e a s u r e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l ec o m p o s i t ew e r eg r e a t l yi m p r o v e di nc o m p a r i s o nw i t h t h a to ft h eh o m o l o g o u sn o z z l ec o m p o s i t e t h es u r f a c ef r a c t u r et o u g h n e s so ft h e l n o 1 m u l t i l a y e rn o z z l ec o m p o s i t ei s 10 4 6 m p a m 1 ，2 ，t h es u r f a c ev i c k e r s h a r d n e s si s2 2 18 4 g p a w h i l et h ef r a c t u r et o u g h n e s so ft h ea w t h o m o g e n e o u s n o z z l ec o m p o s i t ei s4 8 m p a m l ，2 ，t h ev i c k e r sh a r d n e s si s19 9 4 3 g p a t h e t h i c k n e s sr a t i oh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo v e rt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f n o z z l ec o m p o s i t e i nt h ef r a m e w o r ko ft h ep r e p a r a t i o no fp e r m i t ，w i t ht h e s m a l l e rt h i c k n e s s r a t i o ，t h e s u r f a c e c o m p o s i t e s h a v eb e t t e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w i t ht h er i s eo fl a y e rn u m b e r ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs u r f a c e c o m p o s i t e sh a v ea l s oi n c r e a s e d ，b u tt h el a y e rn u m b e rh a sl e s se f f e c to nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h em i c r o s t r u c t u r e a n a l y s i s o fa w t + a tm u l t i l a y e r e dc e r a m i cn o z z l e c o m p o s i t e ss h o w e dt h a tt h et h i c k n e s so fe a c hl a y e ri su n i f o r md i s t r i b u t i o n ，t h e l a y e ri n t e r f a c ei sc l e a r ，t h ec o m b i n a t i o no fl a y e r si sg o o d t h ec o m p r e s s i v e r e s i d u a ls t r e s s e sa r eb e n e f i tf o rt h ei n c r e a s eo fh a r d n e s sa n dt h ef r a c t u r e t o u g h n e s sa tt h es u r f a c el a y e ro ft h em u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l ec o m p o s i t e s t h ew e a rb e h a v i o r so ft h e m u l t i l a y e r e d n o z z l e sw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h e c u m u l a t i v em a s sl o s s ，t h ei n n e rd i a m e t e rv a r i a t i o n ，t h ew o r ni n n e rb o r ep r o f i l e a n dt h ee r o s i o nr a t e sa r es y s t e ms t u d i e d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h e m u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l e sh a v es u p e r i o re r o s i o nr e s i s t a n c et ot h a to ft h e h o m o g e n e o u sn o z z l eu n d e rs a m et e s tc o n d i t i o n s t h ew e a rr a t eo fl n 2 m u l t i l a y e r e dc e r a m i cn o z z l e sr e d u c e d2 7 14 t h a nt h a to ft h eh o m o g e n e o u s t h et h i c k n e s sr a t i oa f f e c t st h ew e a rb e h a v i o r so ft h em u l t i l a y e rc e r a m i cn o z z l e s i v a b s t r a c t t h ee r o s i o nw e a rr e s i s t a n c eo ft h el a y e r e dn o z z l e sw a si n f l u e n c e db yt h e t h i c k n e s sr a t i o a m o n gc o n s t i t u e n tl a y e r s t h el a y e r e d n o z z l e sw i t hh i g h t h i c k n e s sr a t i os h o w e dt h el o we r o s i o nw e a rr a t e a n dt h el a y e r e dn o z z l e sw i t h l o wl a y e rn u m b e rs h o w e dt h el o we r o s i o nw e a rr a t e t h ew e a rb e h a v i o r so ft h em u l t i l a y e r e dn o z z l e sw e r ec o m p a r e dw i t h h o m o g e n o u sn o z z l e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em u l t i l a y e r e dn o z z l e sh a ds u p e r i o r e r o s i o nw e a rr e s i s t a n c et ot h a to ft h eh o m o g e n o u sn o z z l e t h ew e a rr a t eo f l n o 1m u l t i l a y e r e dc e r a m i cn o z z l e sr e d u c e d6 9 0 1 t h a nt h a to ft h e h o m o g e n e o u s t h et h e r m a ls t r e s st h a te x i s ti nt h ee x i tr e g i o no f t h em u l t i l a y e r e d c e r a m i cn o z z l e sa r es i g n i f i c a n t l yr e l i e v e d ，d o e sn o ta p p e a rt h eh o tc r a c ka st h a t o fh o m o g e n e o u sc e r a m i cn o z z l ee x p o r ts i t u a t i o n i nt h ef r a m e w o r ko ft h e p r e p a r a t i o no fp e r m i t ，t h el a y e r e dn o z z l e sw i t hl o wt h i c k n e s sr a t i os h o w e dt h e l o we r o s i o nw e a rr a t e t h em u l t i l a y e r e dc e r a m i cn o z z l e sh a v es u p e r i o re r o s i o nw e a rr e s i s t a n c et o t h a to ft h eh o m o g e n o u sn o z z l e t h em e c h a n i s mr e s p o n s i b l ew a se x p l a i n e da st h e f o r m a t i o no fc o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s s e si nn o z z l ee n t r yr e g i o ni nf a b r i c a t i o n p r o c e s so ft h el a y e r e dc e r a m i cn o z z l e s ，w h i c hm a yp a r t i a l l yc o u n t e r a c tt h e t e n s i l es t r e s s e sr e s u l t i n gf r o me x t e r n a ll o a d i n g s ，a n dl e a d st oa ni m p r o v e m e n to f e r o s i o nw e a rr e s i s t a n c e a l s ot h es u r f a c ev i c k e r sh a r d n e s so fm u l t i l a y e r e d c e r a m i cn o z z l ew a sg r e a t l yi m p r o v e dc o m p a r e dw i t ht h a to ft h eh o m o g e n o u s n o z z l e s t h e r e f o r e ，i ti si n d i c a t e dt h a tm u l t i l a y e r e ds t r u c t u r e si nc e r a m i cn o z z l e s i sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ee r o s i o nw e a rr e s i s t a n c eo ft h eh o m o g e n o u s n o z z l e s k e y w o r d sc e r a m i cn o z z l e ，m u l t i l a y e r e dc e r a m i cc o m p o s i t e s ，e r o s i o nw e a r ， r e s i d u a ls t r e s s e s v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：萎墨霞日期： 2 2 z q 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：崖墨霞导师签名： 第1 章绪论 1 1 喷嘴的应用和发展 第l 章绪论 喷嘴的应用范围非常广泛，几乎涵盖所有的领域。除了人们熟知的各种 燃烧设备和装置外，在非燃烧工业设备中也广泛应用。其中常见的有以下几 种：( 1 ) 喷砂嘴。喷砂是工程上广泛应用的一种表面机械处理方法。其基本 原理是以压缩空气为动力，通过喷枪、喷嘴将磨料喷到工件表面，利用高速 砂流，除去工件表面锈蚀、氧化皮及其它污物i l 】。早在很早的时代，人们就 运用多次冲击而产生塑性变形的方法对零件表面进行强化，后来人们才渐渐 地对它的作用机理进行了研究。目前喷砂工艺已经包含了相当丰富的内容， 其作用可概括为：表面清洁、表面涂覆前预处理、表面改性、表面强化、还 可以用于高精度、复杂零件的最后光饰加工【2 巧】。( 2 ) 水煤浆喷嘴。喷嘴是燃 烧设备上的一个重要组成部分。水煤浆是一种理想的煤基代油液体燃料，为 了缓解能源危机，水煤浆技术在近几年得到长足的发展 6 - 9 】。水煤浆燃烧的 最关键技术就是它的雾化特性，良好的雾化特性是使其稳定着火和燃烧并保 证高的燃烧效率的首要因素。而雾化特性是由喷嘴来完成的，要改善雾化质 量，就必须精心设计雾化喷嘴【1 0 】。( 3 ) 高压水射流喷嘴。喷嘴是高压水射流 发生装置的执行元件，其作用是通过喷嘴内孔横截面的收缩，将高压水的压 力能聚集起来，并转化为动能，最后以高速水射流的形式向外喷出，用以对 物料进行清洗、破碎或切割【l 。 喷嘴在使用过程中会经受冲蚀磨损、磨粒磨损、锈蚀、高温、热冲击、 粘结、机械损坏等，致使喷嘴使用寿命短，导致喷嘴更换频繁，不仅影响工 作效率、而且增加成本及工人的劳动强度，直接影响企业的经济效益。具有 高熔点、高硬度、耐磨损、耐热冲击、耐腐蚀和化学稳定性好等特点的材料， 将是理想的喷嘴材料，因此喷嘴的耐磨性和寿命对喷嘴的工作效率和生产成 本起决定作用。另外由于磨粒颗粒在喷嘴中的运动十分复杂，使得国内外对 喷嘴冲蚀机理的研究还不够深入，导致喷嘴研究的严重滞后和喷嘴需求日益 扩大间的矛盾越来越突出。因此，高性能、长寿命喷嘴的研制开发及陶瓷喷 嘴冲蚀机理的研究将是喷嘴研究的热点。 山东大学博十学何论文 1 2 喷嘴的国内外研究现状 1 2 1 喷嘴材料的研究 根据应用场所的不同，喷嘴的制备材料有不同的要求。目前，国内外广 泛应用的喷嘴材料主要有三类，分别为金属材料、硬质合金材料和陶瓷材料 【1 2 15 】 o 金属材料具有良好的韧性和抗热疲劳性能，是早期喷嘴常用的材料。另 外金属材料具有较好的加工性能，因此结构复杂的喷嘴可采用整体设计。金 属材料通过热处理可以进一步提高它的性能，提高它的硬度和强度，因此在 小容量、磨损小的喷嘴上基本采用金属材料制作。但由于金属材料的硬度相 对较低，在低角度冲蚀下的冲蚀磨损率较高。此外金属材料高温性能较差，。 喷嘴在高温条件下易高温氧化、高温腐蚀，强度、耐磨性、耐冲刷性能进一 步下降，因而用其制作的喷嘴通常冲蚀磨损严重，使用寿命短【1 3 , 1 4 】。 硬质合金材料是由难熔金属硬质化合物和金属粘结相经粉末冶金方法 而制成的。具有高硬度、高弹性模量、热膨胀系数小以及耐磨、耐腐蚀和抗 氧化等特点【1 6 , 1 7 】。实际应用中，通常把硬质合金制成内衬材料镶嵌在喷嘴某 些磨损严重的部位上。如美国和加拿大等国家使用的喷嘴以及我国的撞击式 多级水煤浆雾化喷嘴都是在喷嘴容易磨损的部位设置了硬质合金的镶嵌件 【9 1 。硬质合金材料是目前喷嘴的主要材料【15 , 1 8 , 1 9 1 。美国k e n n a m e t a l 公司研制 的r o c t e c l 0 0 ，是以碳化钨为基体，复合以经过特别活性处理的碳化钼， 经过瞬间多向挤压工艺r o c 辅以传统的烧结工艺而合成，它的寿命远高于普 通的碳化钨类硬质合金，成为国外水射流喷嘴最常用的材料2 0 , 2 1 】。 同金属材料、硬质合金材料相比，陶瓷材料具有很高的硬度和耐磨性。 日本对于陶瓷材料和硬质碳化钨合金材料进行了对比性磨损试验。表明耐磨 材料的磨损率与材料本身的硬度有很大的关系，硬度越高、体积损失越小。 陶瓷材料的磨损性能优于碳化钨【9 】。相同的冲蚀条件下，金属水煤浆喷嘴的 使用寿命小于l0 0 h ，硬质合金水煤浆喷嘴的使用寿命可达15 0 0 h ，而 a 1 2 0 3 ( w ，t i ) c 陶瓷水煤浆喷嘴的使用寿命大于3 0 0 0 h 】o 一般说来，在相同的条件下，金属喷嘴的寿命不如硬质合金喷嘴，而硬 质合金喷嘴的寿命不如陶瓷喷嘴【1 3 】。常用喷嘴材料的性能及应用见表1 1 。 2 第1 章绪论 表1 1 常用喷嘴材料性能及应用 2 2 , 2 3 喷嘴材料优点缺点应用 韧性好，易加工，成本硬度低、不耐磨、寿命短、小容量、磨损小、使用 金属 低耐热性差温度低的喷嘴 硬度高、强度高、寿命应用广泛、主要作喷嘴 硬质合金韧性低、耐热性差 长内衬材料 硬度高、耐磨性好、耐韧性差、脆性大、不易加结构简单，主要作磨损 陶瓷 高温、耐腐蚀、寿命长 工、强度低、抗热震性差 大的喷嘴内衬材料 目前，国内喷嘴材料主要采用金属和硬质合金材料，而国外采用陶瓷耐 磨材料比较多见1 2 舢2 7 1 。用作喷嘴的陶瓷材料有多种，常用的有氧化铝、碳化 硅和碳化硼陶瓷等，我国过去的高性能喷嘴一直依赖进口，其中采用日本、 德国和美国的产品较多。近年来，国内有多家研究院所研制出了国产陶瓷喷 嘴。例如：中南大学研究开发出热压a t ( a 1 2 0 3 基) 类陶瓷喷砂嘴；武汉交通 科技大学开发出无压烧结a 1 2 0 3 基陶瓷喷砂嘴；山东大学的邓建新教授等研 制了a 1 2 0 3 ( w ，t i ) c 1 1 4 , 1 5 1 陶瓷水煤浆喷嘴、b 4 c ( w ，t i ) c 1 1 3 1 陶瓷喷砂嘴、 s i c ( w ，t i ) c 2 8 】梯度陶瓷喷砂嘴等。与b 4 c 陶瓷相比，b 4 c ( w ，t i ) c 陶瓷材料 的抗弯强度从b 4 c 的3 0 0 m p a 提高到6 9 3 m p a ，断裂韧性从b 4 c 的2 5 m p a m 2 提高到6 9 3 m p a m 2 ，烧结温度从b 4 c 的2 2 0 0 左右降低到18 5 0 。 s i c ( w ，t i ) c 梯度陶瓷喷砂嘴的抗冲蚀性能比非梯度陶瓷喷砂嘴有明显提高。 相同的冲蚀条件下，非梯度陶瓷喷砂嘴的体积冲蚀磨损率是梯度陶瓷喷砂嘴 的8 4 1 4 倍。 但是陶瓷材料韧性差，脆性大，不能制造复杂形状的喷嘴，而且在使用 过程中由于热冲击、气浆混合物冲击以及制作运行过程中的外力作用而容易 破损【9 , 2 9 。影响了它工作可靠性和使用安全性【9 1 ，因此，提高陶瓷的韧性是 陶瓷喷嘴材料研究领域的核心问题3 0 - 3 3 1 。 1 2 2 喷嘴结构的研究 喷嘴的结构对喷嘴的工作效率影响非常大，根据喷嘴用途和工作环境的 不同，喷嘴的结构多种多样。喷嘴的结构包括：喷嘴的内孑l 结构，喷嘴的结 山东大学博十学佗论文 构参数。按喷嘴内孔结构常见的有4 种： ( 1 ) 圆柱形喷嘴 图1 - l ( a ) 所示为圆柱形喷嘴，其结构简单，磨料颗粒对喷嘴入1 3 端面的 冲击大。但是可作为喷嘴结构的一部分，应用广泛。 ( 2 ) 锥形喷嘴 图1 1 ( b ) 所示为锥形喷嘴，喷嘴入1 3 直径大，出口直径小，从入口到出 口为锥形，出口处磨损严重。 ( 3 ) 锥口喷嘴 图l 一1 ( c ) 所示为锥口形喷嘴，其结构也比较简单，喷嘴内部有收缩段和 平直段。入1 3 为锥形的喇叭口使磨料进入喷嘴相对容易，有导流和加速作用。 ( 4 ) 文丘里形喷嘴 图1 1 ( d ) 所示为文丘里形喷嘴，其在结构上分成收缩段、平直段和扩散 段三部分。磨料具有的动能提高，加工效率提高了，但结构想对较复杂。 ( 5 ) 其它特种喷嘴 特种喷嘴结构复杂，一般应用在特殊场合。 4 ( a ) 圆柱形喷嘴 ( b ) 锥形喷嘴 ( c ) 锥口喷嘴 ( d ) 文丘里喷嘴 图1 1 常用喷嘴的结构 1 3 , 3 4 j 喷嘴的结构参数包括：喷嘴的长度、直径、锥1 3 的角度及喷嘴内孔壁的 第1 章绪论 曼m 。m _ i _ l l - 曼i ! 皇曼皇曼 粗糙度等。考虑到喷嘴的工作效率和冲蚀磨损两方面，很难达到最理想的效 果，因此必须根据所处环境条件综合分析调配，才能达到最理想的效果f 3 5 3 9 】。 1 2 3 喷嘴冲蚀磨损的研究 喷嘴的磨损主要是冲蚀磨损 9 , 1 0 , 1 5 , 4 0 , 4 1j 。即材料表面受到较小的流动颗 粒冲击时出现破坏的一种磨损现象。携带固体粒子的介质可以是高速气流， 也可以是液流。前者为喷砂型冲蚀而后者则为泥浆型冲蚀 4 2 , 4 3 】。 1 2 3 1 冲蚀磨损理论 从19 5 8 年第一个冲蚀磨损理论微切削理论问世开始，研究者们提出了 些关于冲蚀的模型，力图解释或预测材料的冲蚀行为，但到目前为止还没 有哪一个能够完整、全面的揭示材料冲蚀的内在机理。其中比较有影响的有 微切削理论、锻造挤压理论和变形磨损理论。一般而言，微切削理论在解释 低攻角下塑性材料受刚性磨粒冲蚀时是较成功的，但解释高攻角下靶材上出 现的冲蚀时却存在不少缺点。i f i n n i e 在后来的研究4 4 。4 6 1 中做了修正。变形磨 损理论【4 7 , 4 8 】的主要出发点是冲蚀过程中的能量平衡。当球粒冲击平面靶时， 可能出现弹性变形转为塑性变形，这取决于入射粒子对靶面的冲击是否达到 并超过靶材的屈服强度。该理论可较好地解释塑性材料的冲蚀现象，但缺乏 物理模型的支持1 4 9 , 5 0 】。锻造挤压理论也叫“成片”( p l a t e l e t ) 理论，是由l e v y 在 大量实验的基础上提出来的。冲击粒子对靶材施加挤压力，使靶材表面出现 凹坑和凸起的唇片，随后的粒子在对唇片进行锻打，靶材在经历严重变形后 呈片屑状从表面流失。该理论着重于高入射角的冲蚀成片历程【4 9 , 5 0 】。此外， 比较有影响的还有冲蚀绝热剪切模型【5 1 1 、磨损脱层理论5 2 1 、压痕理论【5 3 1 、 二次冲蚀理论f 5 4 1 。 相对于塑性材料冲蚀理论研究而言，脆性材料冲蚀理论起步比较晚。目 前较有影响的是e v a n s 等人提出的弹塑性压痕断裂理论。发展脆性材料的冲 蚀模型在于了解裂纹萌生及扩展规律，e v a n s 根据径向裂纹与横向裂纹生成 理论，通过入射粒子的参数( 速度、密度、粒度等) 及靶材性能( 断裂韧性、 硬度、裂纹密度等) 来计算冲蚀率。e v a n s 认为冲蚀率比例于每次冲击中材 料的流失量，冲蚀磨损率的函数表达式【4 9 1 ： e o c 3 。2 尸8 1 。3 月吨2 5 ( 1 1 ) 山东人号：博十予：俯论文 式中：e 为体积冲蚀磨损率，u 0 为粒子冲击速度，y 为粒子半径，p 为粒子密 度，疋为靶材的临界应力强度因子，日为靶材的硬度。该理论成功诠释了刚 性粒子在较低温度下对脆性材料的冲蚀行为，但不能解释脆性粒子以及高温 下刚性粒子对脆性材料的冲蚀行为。1 9 8 3 年w i e d e r h o r n 和l a w n 进一步把公式 修正为 4 9 , 5 0 】： e 芘24 y 3 。7 9 1 2 1 3 h n ( 1 - 2 ) 研究冲蚀的最终目标是要在建立的理论基础上，对各类材料的抗冲蚀性 能做出预测和提出控制冲蚀的办法。目前为止，这些理论都能在一定范围内 解释实验现象，但各种模型都存在一定的局限性，有待进一步修正和完善。 1 2 3 2 陶瓷喷嘴冲蚀磨损的研究 由于冲蚀磨损机理的研究及模型的建立还具有局限性，有待于进一步深 入研究。目前，对陶瓷喷嘴冲蚀磨损的研究大部分还停留在对试验现象的观 察和对数据的积累与归纳阶段。 h a s h i s h 5 5 j 在研究磨料水射流加工设备所使用的喷嘴的磨损特性时指 出，喷嘴承受两种形式的磨损：一是在喷嘴入口至大约喷嘴长度1 3 处为随机 冲蚀磨损区，冲蚀角的变化范围比较大；二是在1 3 以下区域，磨料颗粒沿平 行内孔壁的方向运动，磨损的形式为磨粒磨损或微切削模式。由于喷嘴入、 出口区域磨损机制的不同，高硬度和高韧性的材料作为磨料水射流加工用喷 嘴是最理想的，单独的高硬度或高韧性是不够的，入口高韧性与出口高硬度 组成功能梯度材料是最佳选择。m a d h u s a r a t h in a n d u r i 等人1 56 】通过对磨料水射 流喷嘴的系统试验，研究了喷嘴的几何参数( 喷嘴的长度、喷嘴的入口角度、 内径等) 和试验系统的参数( 磨料的流速，水的压力) 和喷嘴冲蚀率的关系。 s h i p w a y 【57 j 在研究气流磨料喷射加工用喷砂嘴的磨损时指出：喷砂嘴的几何 形状和内孔壁粗糙度皆可影响喷砂嘴的冲蚀磨损率。e r i cn e s s 等人【5 8 1 研究了 不同硬度、断裂韧性的三种材料的冲蚀磨损后认为：硬度最高或断裂韧性最 大的材料耐冲蚀性能并不一定好，只有整体性能好( 硬度和断裂韧性都比较 好) 的材料的耐冲蚀性能才最好。 国内学者邓建新教授等人【5 9 剐】长期以来对陶瓷喷砂嘴的冲蚀磨损特点 及磨损机理进行了较系统的研究。研究发现，磨料对喷嘴的磨损是冲蚀磨损， 磨料在喷嘴内部是一个加速的过程，而且靠近轴心的速度高，接近内孔壁面 6 第1 章绪论 的速度低。陶瓷喷嘴所受的冲蚀磨损具有以下特点：( 1 ) 从喷嘴入口端面至 喷嘴长度约1 3 处，冲蚀磨损严重，而中间区域磨损较轻，出口处的磨损较 中间区域又有所增加；( 2 ) 喷嘴工作时，入口端面处磨料的冲蚀角度接近9 0 0 ， 属于高角冲蚀；喷嘴内孔壁处磨料的冲蚀角度是低角冲蚀。喷嘴的不同部位 受不同角度的冲蚀，冲蚀磨损机理各不相同。 冯益华在其博士论文中【l3 】对喷嘴的冲蚀磨损进行了系统地研究。研究了 冲蚀磨损率与磨料硬度、磨料的粒度、磨粒形状、喷嘴入口角度等的关系。 冲蚀后喷砂嘴从入口截面开始至喷砂嘴长度约2 5 处，冲蚀磨损明显，中间部 位冲蚀磨损较小，出口截面的磨损比中间区域有所增加。对不同的陶瓷喷嘴 在6 0 目s i c 磨料冲蚀下的应力状态进行了有限元分析，发现：入口应力最大， 出口次之，中间区域应力最小，很好的解释了喷嘴出、入口磨损比其它位置 磨损严重的现象。另外研究还发现陶瓷喷砂嘴的冲蚀磨损行为具有独特性， 冲蚀角度不同、磨粒不同引起陶瓷喷嘴的冲蚀磨损机理不同，陶瓷喷嘴的冲 蚀磨损是由多种冲蚀机理( 应力疲劳断裂、脆性断裂和微切削) 并存的复合 冲蚀，并建立了3 种冲蚀磨损模型。 丁泽良博士【1 5 , 6 6 , 6 7 1 研究开发了新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴并对其损坏 机理进行了系统深入地研究。研究了喷嘴材料、结构、雾化器及温度对喷嘴 冲蚀磨损的影响。研究发现：金属材料的冲蚀磨损随冲蚀角的变化，出现两 个极大值。显示了浆