（机械制造及其自动化专业论文）梯度陶瓷喷嘴的设计理论及其应用研究.pdf

摘要 梯度陶瓷喷嘴的设计理论及其应用研究 摘要 本文根据陶瓷喷嘴冲蚀磨损特性和梯度功能材料的优异性能，基于梯度功能 的技术思想，首次将梯度功能材料的概念引入陶瓷喷嘴的设计及制造，提出梯度 陶瓷喷嘴的设计理论和方法，研制开发出具有高性能、长寿命的s i c ( w , t i ) c 梯度 陶瓷喷嘴，并探索其冲蚀磨损机理。 对喷嘴内磨料速度场和应力场进行了分析，揭示了喷嘴冲蚀磨损的力学机理。 结合陶瓷喷嘴的冲蚀磨损特点和应力状态，提出梯度陶瓷喷嘴的设计理论和方法。 建立了梯度陶瓷喷嘴的物理模型、组成分布模型及物性参数模型。 提出了梯度陶瓷喷嘴材料设计目标，通过对梯度陶瓷喷嘴材料的物理化学相 容性分析计算，确定了s i c ( w , t i ) c 材料体系及其各组分的极限体积含量。建立了 梯度陶瓷喷嘴残余应力分析模型，采用热应力耦合方法深入分析了g n - i 单向梯 度陶瓷喷嘴和g n - 2 对称梯度陶瓷喷嘴的残余应力及其分布规律。结果表明：g n - i 和g n - 2 梯度陶瓷喷嘴入口或出口处均产生了残余压应力。通过理论分析初步确定 s i c ( w , i t ) c 梯度陶瓷喷嘴最佳组成分布指数范围为0 5 1 ，最佳梯度层厚5r i l l s ， 各梯度层s i c 组分差应小于5v 0 1 。 对不同结构的梯度陶瓷喷嘴内的磨料运动及应力分布规律进行了研究。得出 梯度陶瓷喷嘴最佳入口锥角为1 5 q o o ，该入口锥角范围的梯度陶瓷喷嘴的磨料出 口速度最高，且喷嘴应力最小。 研制成功了多种s i c ( w ；n ) c 梯度陶瓷喷嘴材料，试验确定t s i c ( w , t i ) c 梯度 陶瓷喷嘴材料的最佳热压工艺参数为：烧结温度1 9 0 0 ( 2 ，保温时间4 0r a i n ，烧结压 力3 0 m p a ：最佳组成分布指数范围为0 5 加8 ，各梯度层最佳s i c 组分差为2v 0 1 ， 试验结果与理论分析结果吻合。 全面系统研究了梯度与非梯度陶瓷喷嘴材料的力学性能，梯度陶瓷喷嘴材料 的力学性能随梯度层不同而异，其变化规律为梯度陶瓷喷嘴材料表层的硬度和断 高等学校博士点基金【2 瞄0 4 2 2 0 1 5 ) 、山东省自然科学基金( y 2 0 0 4 f 嗨) 和教育部新世纪优秀人才支持计划 ( n c e t - 0 4 - 0 6 2 2 ) 的资助课题 。 v 山东大学博士学位论文 裂韧性最高，由表层至内硬度和断裂韧性依次逐渐降低。与非梯度陶瓷喷嘴材料 相比，梯度陶瓷喷嘴材料的力学性能显著提高，g n - 1 - 2 单向梯度陶瓷喷嘴表层的 维氏硬度和压痕断裂韧性分别为2 6 8 9 g p a 和5 8 3 m p a m 忱，等效抗弯强度为 5 4 8 6 m p a ：而c n 1 非梯度陶瓷喷嘴材料的维氏硬度为2 5 6 7 g p a ，压痕断裂韧性为 4 9 7 m p a m 崛，抗弯强度为5 1 7 3 1 v l p a 。 对s i c ( w , t i ) c 梯度陶瓷喷嘴材料显微结构分析结果表明，各梯度层没有明显 的界面，整个材料的组成分布和显微结构是连续变化的。梯度陶瓷喷嘴材料表层 的残余压应力是导致其综合力学性能提高的主要原因，从而验证了梯度陶瓷喷嘴 材料设计思想的正确性。 在同样冲蚀条件下，对g n - 1 1 、g n - 1 2 、g n 1 5 、g n 2 - 2 、g n - 2 - 2 梯度陶 瓷喷嘴及c n - 1 非梯度陶瓷喷嘴冲蚀后的重量损失、喷嘴内径随时间的变化、喷嘴 内孔轮廓变化和喷嘴体积冲蚀磨损率等进行了系统试验研究。结果表明：梯度陶 瓷喷嘴的抗冲蚀磨损能力比非梯度陶瓷喷嘴显著提高；对称梯度陶瓷喷嘴的抗冲 蚀磨损能力比单向梯度陶瓷喷嘴高；锥孔梯度陶瓷喷嘴的抗冲蚀磨损能力比通孔 梯度陶瓷喷嘴高；梯度层s i c 体积组分差对梯度陶瓷喷嘴的抗冲蚀磨损性能起着 重要作用。 梯度陶瓷喷嘴的抗冲蚀磨损能力高于非梯度陶瓷喷嘴的主要原因是梯度陶瓷 喷嘴的入口或出口处采用了梯度设计，由此，在其入口或出口引入了残余压应力， 使得其应力得到了明显地缓解，并且梯度陶瓷喷嘴表层的硬度和断裂韧性比非梯 度喷嘴的硬度和断裂韧性显著提高。因此，梯度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磨损能力显著高于非梯度陶瓷喷嘴的主要原因。 关键词：喷嘴，冲蚀磨损，陶瓷材料，梯度功能材料，s i c v i d e s i g nt h e o r y a n d a p p l i c a t i o no fg r a d i e n tc e r a m i cn o z z l e s t h ei d e ao f f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l 但g 岣t h e o r yw a su s e dt od e s i g no f c e r a m i cn o z z l e b a s e do nt h ee r o s i o nw e a rb e h a v i o r so ft h ec e r a m i cn o z z l e sa n do nt h eo u t s t a n d i n gp r o p e r t i e so f f g m s t h ep u r p o s ei st or e d u c et h et e n s i l es t r e s sa tt h ee n t r yr e g i o no ft h en o z z l ed u r i n gs a n d b l a s d n gp r o c e s s e s t h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d so fg r a d i e n tc e r a m i cn o z z l ew e r ep r o p o s e d s i c ( w , t i ) cg r a d i e n tc e r a m i cn o z z l e sw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o n gl i f eh a v eb e e ns u c c e s s f u l l y d e v e l o p e db yh o tp r e s s i n g t h ee r o s i o nw e a rm e c h a n i s m so ft h e s eg r a d i e n tc e m m i cn o z z l e sw f f t i n v e s t i g a t e d t h ev e l o c i t yo f t h ea b r a s i v e sp a r t i c l e sa n dt h es t r e s si n s i d et h ec e r a m i cn o z z l ew e r ea 叫y z e d t h em e c h a n i c sm e c h a n i s m so ft h ee r o s i o nw e a ro ft h ec e r a m i cn o z z l ew a sp r e s e n t e d t h ed e s i g n t h e o r ya n dm e t h o d so fg r a d i e n tc e r a m i cn o z z l ew e r ep r o p o s e db a s e do nt h ee r o s i o nw e a rb e h a v i o r a n ds t r e s ss t a t u so ft h ec e r a m i cn o z z l e s t h ep h y s i c a l , c o m p o s i t i o nd i s t r i b u t i o n , a n dp r o p e r t y p a r a m e t e rm o d e l so f g r a d i e n tc e r a m i cn o z z l ew e r ee s t a b l i s h e d t h ea i mo ft h ed e s i g nf o rg r a d i e n tc e r a m i cn o z z l ew a sp r o p o s e d t h eu l t i m a t ec o n t e n to fs i c a n d6 v , t i ) ci n s i d es i c ( w , t i ) cg r a d i e n tn o z z l em a t e r i a l sw e r ed e t e r m i n e db a s e do nt h ep h y s i c a l a n dc h e m i c a lc o m p a t i b i l i t ya n a l y s i s f i n i t ee l e m e n tm o d e l sf o rr e s i d u a ls t r e s s a n a l y s i sw e r e e s t a b t i s h e d a n dt h er e s i d u a ls t r e s ss t a t u s e si n s i d eg n - ia n dg n - 2g r a d i e n tn o z z l ew e r ea n a l y z e d r e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e e sw e r ea p p e a r e db o t ha tt h ee n v yz o n ea n da tt h e e x i ta r e ao ft h eg r a d i e n tn o z z l e t h eo p t i m u mp a r a m e t e r so ft b ec o m p o n e n td i s t r i b u f i o ne x p o n e n t , t h el a y e rt h i c k n e s s ，a n dt h ev o l u m ed i 伍e r e n c eo f s i ci nv a r i o u sg r a d i e n tl a y e r so f 也es i c ( w , n ) c + s u p p o r t e db y 恤es p e c i a l i z e d r e s e a r c hf u n df o rd o c t o r a l p r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o n ( 2 0 0 3 0 4 2 2 1 0 5 ) ，t h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( y 2 0 0 4 f o $ ) ，a n dt h e p r o g r a mf o rn e wc e n t m ye x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t y ( n c e 撑- 0 4 - 0 6 2 2 ) g r a d i e n tc o r a m i en o z z l em a t e r i a l s 勰0 5 1 5r a m , a n d5v 0 1 r e s p e c t i v e l y t h ev e l o c i t yo ft h ea b r a s i v e sp a r t i c l e sa n dt h es t r e s si n s i d et h ec e r a m i cn o z z l ew i t hd i f f e r e n t s m l e t u r ew e a n a l y z e d r e s u l t ss h o w e dt h a tv e l o c i t yo f t b ea b r a s i v e sp a r t i c l e si st h eh i g h e s t , w h i l e t h es l l c s s i n s i d e t h e n o z z l o i s t h es m a l l e s t w h e n w i t h a t a i n t e d c n l l a l l c a ，a n g l e o f t h e g r a d i e n t c e l l i n a i c n o z z l e a n dt h eo p t i m u mn o z z l ec n f i l m c ca n g l ei s1 5 0 2 0 0 s e v e r a ls i c ( w , r i ) cg r a d i e n tc e r a m i cn o z z l em a t e r i a l sw e s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d r e s u l t s s 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 eg r a d i e n tc e r a m i cn o z z l em a t e r i a l sw e r eg r e a t l y i m p r o v e di nc o l l l p l l t i s o l lw i t ht h a to f t h oh o m o l o g o u ss t r e s s - f r e en 0 7 7 1 e s t h es u r f a c ev i e k e r sh a r d n e s so ft h eg n - 1 - 2g r a d i e n tm a t e r i a li s 2 6 8 9 g p a , t h ef r a c t u r e t o u g h n e s so f t h eg n - 1 - 2i s5 8 3m p a m ”，a n de q u i v a l e n tf l e x u r a ls t r e n g t ho f t h e0 1 4 - 1 - 2g r a d i e n t m a t e r i a li s5 4 8 6 m p a ；w h i l et h ev i e k e r sh a r d n e s s , f r a e t t t r et o u g l a n 嘴a n df l e x u r a ls 仃e a g t ho f 血e c n - 1h o m o g e n e o u ss t r e w - f r e en o z z l em a t e r i a l s 哦2 5 6 7 g p a , 4 9 7 m p a m ”a n d 5 1 7 3 m p a r e s p e e l i v e l y t h eo p t i m u mp a r a m e t e r s ( s i n t e r i n gt e m p e m u r o1 9 0 0 1 2 t e m p e r a t u r eh o l a i n gt i m e4 0 r a i n , a n dp r e s s t t r ei s3 0m p s ) f o rs i n t e r i n go ft h es i c t w , t i ) cg l a d i e n tc e r a m i cm a t e r i a l sw e r e o b t a i n e d m i e r o s t n a c t u r ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h es e c o n dp h a s e s 、e u n i f o r m l yd i s t r i b u t e dw i t ht h o m a u i x , a n dt h e r ow e f e ws e c o n dp h a s e sa g g l o m e r a t e so rm a t r i x - r i c hr e g i o m t h ew e a rb e h a v i o mo f ( 3 n - i - 1 ，g n - 1 - 2 ，( 3 n - 1 - 5 ，( 3 n - 2 - 2 ，a n dg n - 2 - 2 g t a d i c n tn 0 7 7 1 e s 龃d c n - 1s t r e s s - f r e en o z z l e sw e 糟c o m p a r e db yd e t e r m i n i n gt h ec u m u l a t i v em 嬲sl o s s t h oi n n e r d 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 ea n dt h ee r o s i o nr a t e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e s h o w nt h a tt h eg r a d i e n tc c l l l n 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 l r e s i s t a n c et ot h a to ft h e h o m o l o g o u ss t r e s s f r e en o z z l e su n d e rt h es a 撇t e s tc o n d i t i o n s t h ee r o s i o nw e a l r e s i s t a n c eo f t l a e n o z z l e sw i t hi t s y m m e t r i c a lg r a d i e n t 刚n k 嘲l i sh i g l a e ft h a nt h a to ft h on o z z l e sw i t hg r a d i e n t s m l e t u r eo n l yo n cs i d e t h eg r a d i c a tn o z z l ew i t hat a p e re n l z a l l c ea n g l eh a sm 帆o r o s i o nr e s i s t a n c e t h a nt h a to f t l a eo n ew i t h o u te n n 柚a n g l e t h ec n - 1h o m o g e n e o u sn o z z l os h o w e dh i g h e re r o s i o n w e a rr a t e ；w h i l et h eg n - 2 - 2 g r a d i e n tn o z z l e se x h i b i t e ds m a l l e re r o s i o n - w e a l * r a t e t h ev o l u m e d i f f e r e n c eo fs i ci nv a r i o u sg r a d i e n tl a y e r sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ew i t ht h ee r o s i o nr a t eo ft h e t h eg r a d i e n tc 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 u m c et ot h a to ft h eh o m o l o g o u s s t r e s s - f l e en o z z l e s 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 5t h ef o r m a t i o no fc o m p r e s s i v e r 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 n gp r o c e s so f t h eg r a d i e n tc e r a m i cn o z z l e s ，w h i c h m a yp a r t i a l l yc o u n t e r a c tt h et e n s i l es u 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 m g s e n dl e a d st oa n i m p r o v e m e n to fe 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 fg r a d i e n te e r i e n 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 f t h eh o m o l o g o u ss t r e s s - f l e en o z z l e s t h e r e f o r e ，i t i si n d i c a t e dt h a tg r a d i e n ts t r u c t u r e si nc e r a m i cn o z z l e si sa l le f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ee r o s i o n k e y w o r d s ：n o z z l e s ，e r o s i o nw e a r , c e r a m i cm a t e r i a l s ，f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l ， i x 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集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：皇必 日 期： 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： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课飚研究目的与意义 喷砂可进行各种表面强化、表面喷涂、表面清洗、表面改性、喷射切割等工 作，广泛地应用于机械、石油、化工、汽车、冶金、航空航天、造船、玻璃、煤 炭等领域。喷砂处理是以压缩流体等为动力，通过喷枪、喷嘴将磨料高速喷射到 零件表面，达到表面处理的目的。例如：( 1 ) 表面预处理：通过喷砂对电镀、喷涂 表面进行预处理，可大大提高镀层和涂层附着力。( 2 ) 表面强化和表面改性：通过 对工件表面进行喷砂处理，可提高金属表面硬度和疲劳寿命。( 3 ) 表面清理：采用 喷砂处理，可对铸造件、锻压件、冲压件、焊接件、热处理件、轧钢件、旧机件、 防锈层等去氧化皮和毛刺；对大面积物件( 如：集装箱、钢板、船舶石材) 表面清理 除锈；对食用模具、厨具、器皿等除菌和清洗；对各种机件里外除油、除锈和磨 光等；对橡胶模、塑胶模、制玻璃模、金属模等清洁和磨光。( 4 ) 表面光饰：通过 对工件表面进行喷砂处理，可使金属制品、玻璃制品、塑胶制品、石材制品、工 艺礼品、灯具等达到表面光饰的效果。( 5 ) 喷射切割：采用喷射磨料切割，可对各 种工件材料进行切割加工。图1 - 1 所示为喷砂设备示意图。 1 气源2 控制阀3 滤气器4 干燥器5 调压阀6 除尘器7 磨料仓8 喷枪9 喷嘴 图1 - 1 喷砂设备示意图 山东大学博士学位论文 喷嘴是喷砂设备上的关键部件，喷嘴的使用范围几乎涵盖所有机械制造企业， 其需求量巨大。喷嘴的耐磨性和寿命对喷砂效率和生产成本起决定作用，而喷嘴 的材料和结构是影响其寿命的关键因素。目前，国内喷嘴材料主要采用金属和硬 质合金，由于金属和硬质合金喷嘴的硬度低、耐磨性能差、使用寿命短，导致喷 嘴更换频繁，不仅影响喷砂效率，而且增加了成本和工人的劳动强度，直接影响 企业的经济效益，因此，开发高性能、长寿命的喷嘴是喷嘴技术研究的重点。由 于喷砂时喷嘴主要承受冲蚀磨损，喷嘴材料需要具有很高的硬度和耐磨性- 2 ，而 陶瓷材料正好具有这方面的优势，其具有高熔点、高硬度、耐磨损、耐高温、耐 腐蚀和化学稳定性好等优点，是理想的喷嘴材料，因此用陶瓷材料制备喷嘴可提 高喷嘴寿命 3 - 4 。目前，由于磨料颗粒在喷嘴中的运动十分复杂，使得国内外对喷 嘴及其冲蚀磨损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的 日益扩大间的矛盾越来越突出。因此，进行高性能陶瓷喷嘴的研制开发及其冲蚀 磨损机理的深入研究，将有助于大幅度提高喷砂效率和产品质量、降低成本，同 时对推动先进制造技术的发展和扩大陶瓷材料的应用领域具有非常重要的意义。 1 2 课题背景及国内外研究现状 1 2 1 喷嘴材料的研究 1 2 4 1 赜嘴材料的研究现状 1 8 7 0 年，t i l g h m a n 先生发明喷丸清理使用的喷嘴是插入软管的小口径铸铁管， 其使用寿命为1 5 m i n 。2 0 世纪初，出现了使用寿命为6 h 的铸铁喷嘴，此后很长一 段时间内，喷嘴寿命没有多大改进。至2 0 世纪3 0 年代后期，用碳化钨制作内衬 的喷嘴问世，使用寿命提高到了3 0 0 h 。随着磨料喷射技术和材料科学的不断发展， 喷嘴材料也发生了很大变化。目前，国内外制作喷嘴的材料有金属、硬质合金和 陶瓷等 5 - 8 。 金属材料具有良好的加工工艺性和韧性，而且，通过热处理的方法可以进一 步改善它的性能，提高它的硬度、强度。金属材料是早期喷嘴常用的材料。由于 金属材料的硬度相对较低，而且在低冲蚀角度下的冲蚀率较高，因而用其制作的 喷嘴通常冲蚀磨损严重，使用寿命短 9 - 1 0 l 。 硬质合金材料具有较高的强度和韧性、导热性好，其硬度高于金属材料；硬 2 第1 苹绪论 质合金喷嘴的冲蚀磨损率比金属喷嘴小，其抗冲蚀性能高于金属喷嘴。但由于硬 质合金的韧性比金属材料低，而且其加工工艺性较差，因此不适合制作结构复杂 的喷嘴。实际应用中，通常把硬质合金制成环状或块状镶嵌在喷嘴某些磨损严重 的部位上。如美国、加拿大等国家使用的y 型喷嘴以及我国的多级喷嘴是在喷嘴 易磨损的部位镶嵌硬质合金【1 1 2 1 。 陶瓷材料由于资源丰富、硬度高、耐磨性能和耐热性能优异，已在工程领域 中获得了广泛的应用。如用来制作切削刀具、发动机零件、轴承零件以及冶金、 煤矿、化工等行业的耐磨和耐腐蚀零件。陶瓷材料的这些优点，也是制备喷嘴的 理想材料，陶瓷喷嘴的使用寿命较金属、硬质合金喷嘴的使用寿命大幅度提高 1 3 - 1 5 1 。目前，陶瓷喷嘴在美国、日本、法国、荷兰等国家应用较多。荷兰a i r b l a s t 公司对碳化硼和氧化铝、碳化钨材料制成的喷嘴进行了对比性试验，结果显示碳 化硼喷嘴的抗磨性能明显优于氧化铝喷嘴和碳化钨喷嘴。常用喷嘴材料的性能及 应用情况见表1 1 。美国m a l y n 公司对常用材料喷嘴的相对冲蚀磨损率比进行了统 计分析，结果如表1 - 2 所示，可见，在相同条件下，金属喷嘴的抗冲蚀磨损性能不 如硬质合金喷嘴，而硬质合金喷嘴的抗冲蚀磨损性能不如陶瓷喷嘴n 6 - 2 0 1 。 制作喷嘴的陶瓷材料主要有氧化铝、碳化硼和碳化硅陶瓷等。我国使用的高 性能陶瓷喷嘴过去一直依赖进口，近年来，国内相继研发出了多种陶瓷喷嘴。如： 中南大学研究开发出热压a 1 2 0 3 陶瓷喷嘴；武汉交通科技大学开发出无压烧结 a 1 2 0 3 基陶瓷喷嘴；牡丹江碳化硼研究所开发出热压b 4 c 陶瓷喷嘴。a 1 2 0 3 基陶瓷 喷嘴的价格低，但由于硬度较低，耐磨性较差，多用于喷砂工作量不大的场合。 b 4 c 陶瓷喷嘴具有很高的硬度和耐磨性，但b 4 c 陶瓷喷嘴的强度和断裂韧性低， 可靠性较低：且由于b 4 c 陶瓷材料致密化程度低，需要使用超高温烧结炉，导致 b 4 c 陶瓷喷嘴的价格高。山东大学邓建新教授等成功研制开发了a 1 2 0 3 ( w , t i ) c 、 b 4 c t w , t i ) c 等陶瓷喷嘴，与b 4 c 陶瓷相比，b 4 c t w , t i ) c 陶瓷喷嘴材料的抗弯强 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 垅提高到 3 9 m p a - m m ，烧结温度从b 4 c 的2 2 0 0 左右降低到1 8 5 0 。s i c 陶瓷喷嘴具有许 多优异的性能，如高硬度和很好的抗氧化性和抗腐蚀性等，s i c 陶瓷喷嘴的使用寿 命比a 1 2 0 3 陶瓷喷嘴高，多用于硬质合金的替代品【2 1 。2 8 1 。 表1 - 1 常用喷嘴材料性能及应用”，1 q 喷嘴材料优点缺点应用 金属制造简单，成本低廉，易加工硬度低、不耐磨、寿命短各种规格喷嘴 硬质高硬度、高强度、高韧性，寿命韧性低、成本较高、其耐结构简单的喷嘴 合金较长热性能较差 陶瓷高熔点、高硬度、耐磨、耐高温、韧性低、强度不高、抗震结构简单，高温、 耐腐蚀、寿命长、原材料丰富 性差工况恶劣条件 表1 - 2 不同喷嘴材料的相对冲蚀磨损率比1 1 6 - 1 7 1 喷嘴材料相对冲蚀磨损率比 铝1 黄铜 1 钢 1 5 - 2 不锈钢4 6 硬质合金 7 5 1 0 陶瓷 9 0 - 1 2 0 1 2 4 2s i c 陶瓷材料的研究现状 ( 1 ) s i c 陶瓷的黾体结构 s i c 是共价键很强的化合物，其晶体结构的基本单元是碳硅四面体，四面体中 心有1 个硅原子，周围环绕着4 个碳原子。s i c 陶瓷主要有两种晶型，即洳s i c 和 1 3 - s i c 。c c - s i c 属六方结构，是高温稳定晶型，b - s i c 属面心立方结构，是低温稳定 晶型。由于碳化硅的强共价键和小能带间隙相结合使其具有优异的性能【1 2 4 1 。 c 2 ) s i c 陶瓷材料的烧结 由于s i c 的强共价键晶体结构和低的自扩散系数等，使得其烧结致密很困难， 是典型的难烧结材料。常用的烧结方法有反应烧结、无压烧结、热压烧结和高温 等静压烧结等。s i c 的反应烧结工艺应用很早，将c o - s i c 粉木和碳按一定比例混合 制成坯体，在1 4 0 0 1 6 5 0 c 之间加热，使液相或气相s i 渗入坯体，与碳反应生成 4 第1 章绪论 p - s i c ，把坯体中c c - s i c 颗粒结合起来，从而得到s i c 材料。反应烧结工艺制备s i c 材料的优点是烧结温度低，主要缺点是含有1 0 以上的气孔，导致材料强度低， 力学性能较差；烧结体含有8 - 2 0 的游离s i 与少量残留碳，限制了材料的最高 使用温度( 1 3 5 0 c ) ，同时也不适合于在强氧化与强腐蚀环境中使用。s i c 的无压 烧结工艺是由美国g e 公司的p r o c h a z k a 发明的，在亚微米级的s i c 粉末里加入少 量硼和碳粉，在无压的氢气中可以得到相对密度为9 8 以上的s i c 烧结体【协1 4 1 。 对s i c 材料而言，无烧结助剂的情况下热压烧结s i c 难以得到高致密材料， 因此s i c 的热压烧结一般使用烧结助剂，b + c ，b 4 c ，a 1 2 0 3 ，a 1 n ，b n ，b e o ， a 1 等是s i c 热压烧结时经常加入的烧结助剂。热压烧结s i c 材料一般采用的烧结 温度为1 9 5 0 , - , 2 3 0 0 。c ，压力2 0 - - - 4 0 m p a 。添加烧结助剂的热压烧结的s i c 材料密度 高，抗弯强度高：但只能生产形状简单的产品，且生产成本高。目前热压烧结仍 是小部件、简单形状s i c 高强度材料的最重要致密化技术 1 3 , 2 9 - 3 2 。 ( 3 ) s i c 陶瓷材料性能及其应用 与无压和反应烧结相比，通过热压烧结制备的s i c 陶瓷一般晶粒细小因而 热压s i c 陶瓷材料具备高硬度、耐腐蚀、耐高温、耐热冲击、耐磨损，高热导率 以及低的热膨胀系数等优良性能。热压s i c 陶瓷材料性能见表1 3 。 表1 - 3 热压s i c 陶瓷材料的性能【1 玉1 4 1 密度热导率热膨胀系数弹性 泊松比硬度 ( 2 0 )( 2 0 )模量 p 瞻c m - 3 w o n k ) 1 a x 1 0 6 ke | 心a h v g p a 3 2 1 74 1 8 74 3 5 4 4 00 1 72 6 由于s i c 陶瓷材料具有高温强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗 蠕变、高热导、高电导和优异的热稳定性等优点，使其成为最有价值的高温结构 陶瓷，并有十分广泛的应用领域。s i c 陶瓷材料已应用于冶金、轻工、机械、建材、 环保、能源等领域，用于制作隔焰板、炉管，以及各种窑具制品，起到了节能、 提高热效率的作用；由s i c 陶瓷材料制备的发热元件正逐步成为氧化气氛加热的 主要元件；在高温、耐磨、耐腐蚀机械部件，以及耐酸、耐碱泵的密封环中已得 山东大学博士学位论文 到广泛的工业应用：s i c 陶瓷材料用于制造火箭尾气喷管、高效热交换器、各种液 体与气体的过滤净化装置也取得了良好的效果；此外，s i c 是各种高温燃气轮机中 高温部件的重要候选材料4 】，表1 - 4 为s i c 陶瓷材料主要应剧及特点。 由上述分析可见，s i c 陶瓷材料在耐磨、耐腐蚀、耐热等方面具有明显的优势， 但是s i c 陶瓷材料的断裂韧性较低，且其致密化程度低，需要使用超高温烧结炉， 烧结时间长，能量消耗大。近年来，对s i c 的研究开始活跃起来了，如果能进一 步提高s i c 的断裂韧性并降低生产成本，s i c 陶瓷材料将会在更多的领域里得到更 广泛的应用。 表1 - 4s i c 陶瓷材料主要应用及特点【1 4 】 应用领域 使用环境用途主要优点 石油工业高温、高压 喷嘴，轴承，密封，阀片等耐磨，高热导 微电子工业 大功率散热 封装材料，基片等 高热导，高绝缘 化学工业强酸、强碱、密封，轴承，泵部件，热交换器，耐磨损，耐腐蚀，高 高温氧化气化管道等 温耐腐蚀 宇宙火箭、飞 燃烧( 发动机) 燃烧器部件，涡轮增压器，涡轮叶低摩擦，低惯性负荷， 机、汽车等 片，燃汽轮机叶片、火箭喷嘴等热冲击性 喷砂设备高速磨料流喷嘴等 耐磨损 造纸工业纸浆密封，套管，轴承村底 耐热，耐腐蚀， 钢铁工业高温气体、金热电偶保温管，辐射管，热交换器，耐热，耐腐蚀， 属液体高炉材料等 原子能 含硼高温水 密封，轴套等 耐放射性 其它塑性加工成型模具等耐磨，耐腐蚀 1 2 2 喷嘴结构的研究 喷嘴结构不同将导致加工效率和喷嘴的使用寿命的不同。合理的喷嘴结构是 使磨料获得高速度，从而提高加工效率、降低成本的必要条件。从1 8 7 0 年喷嘴的 问世到之后很长一个时期，均采用圆柱形喷嘴结构，后又出现了锥形喷嘴，至2 0 6 第1 章绪论 世纪5 0 年代中期，文丘里形喷嘴结构问世。迄今为止，国内外开发出的喷嘴结构 形式多种多样，常用的喷嘴结构类型及特点见表1 5 1 8 , 1 9 1 。 表1 5 常用喷嘴结构类型及特点 结构类型结构简图特点 v ，。 结构简单，但磨料颗粒对喷嘴 i 圆柱形喷嘴 入口端面冲击大。 ，。 严“么么鲴 出口处磨料颗粒与喷嘴接触面 锥形喷嘴 il 积很小，引起喷嘴出口处磨损 b 巧7 7 蒯 快。 赳， 具有导流作用的锥状进口，使 锥口喷嘴磨料颗粒进入喷嘴相对容易，克 叨，服了圆柱和锥形喷嘴的缺点。 r 毪稗渊 磨料颗粒所具有的动能提高， 文丘里喷嘴加工效率提高，但结构较复杂。 l 矿乃矽木一 结构较复杂，一般应用于加工 特种喷嘴p 嘲孔内壁等。 眩芦巫秽 1 2 3 喷嘴的冲蚀磨损研究 1 2 3 1 冲蚀磨损的研究现状 冲蚀磨损是多相流动介质冲击材料表面而造成的，是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， 也可以是液流。冲蚀磨损机理较为复杂， 携带固体颗粒的流体可以是高速气流， 涉及流体学、动力学、摩擦学、机械学、 材料学以及热学等多学科领域。冲蚀磨损是现代工业生产中常见的一种磨损形式， 是造成机器设备及其零部件损坏的重要原因之_ _ 5 , 3 3 - 3 5 。历史上对材料冲蚀磨损的 研究已近两百年，对冲蚀现象的注意起始于磨料加工工艺的研究，早在1 8 0 7 年 y o u n g 开始讨论磨料加工问题，1 8 7 3 年著名科学家0 r e y n o l d 讨论了磨料加工对 山东大学博士学位论文 硬材料的切削作用。1 8 7 6 年修建纽约b r o o k l y n 大桥，因施工中出现泥沙冲蚀而影 响工程顺利进行，最后r o e b l i n g 用花岗石代替水下吸泥沙设备中的金属反射板而 降低了材料的冲蚀。1 9 4 6 年h w a h l 和e h a r t s l c i n 在合著论文集“射流磨损”中，第 一次系统地讨论了冲蚀问题，介绍了某些参数对冲蚀磨损的影响及解决实际冲蚀 问题的办法，但对磨料颗粒冲蚀材料表面造成的破坏过程即冲蚀机理涉及不多。 1 9 5 8 年，美国加州大学b e r k e l e y 分校的i f i n n i e 首先提出了冲蚀微切削模型，讨 论了刚性粒子对塑性金属表面造成冲蚀的机理。1 9 7 0 年， f i l l y 提出了二次冲蚀理 论，对微切削模型中的脆性粒子冲蚀作了较好的修正。1 9 7 2 年，gl s h e l d o n 对 垂直入射粒子的冲蚀作了类似于压痕硬度法的数学处理，提出了脱层冲蚀模型。 1 9 7 4 年，h u t c h i n g s 等提出了冲蚀绝热剪切模型。1 9 7 8 年，a vl e v y 通过对高冲 击角冲击塑性材料的磨痕及磨屑的s e m 观察，提出了塑性材料冲蚀的挤压锻造模 型。1 9 7 9 年i m h u t c h i n g s 用高速摄像机观察了高速单颗粒冲击靶面时的运动轨 迹，提出了犁削型冲蚀和切削型冲蚀模型【4 ，3 6 - 4 0 。 相对于塑性材料冲蚀理论而言，脆性材料冲蚀理论起步较晚。研究发现，这 两类材料冲蚀行为明显不同：塑性材料在低角时失重较大，而脆性材料在高角时 失重较大，这种不同正是由于两类材料的冲蚀磨损机理不同造成的【4 1 4 3 。 脆性材料冲蚀机理研究始于上世纪6 0 年代，1 9 6 6 年，s h e l d o n 和f i n n i e 对球 状粒子冲蚀脆性材料的行为进行了研究，提出只要负荷大到一定程度或冲击速度 足够大，在入射粒子冲击点下会出现塑性变形，附近存在缺陷的地方可能萌生环 状裂纹，并基于此建立了第一个脆性材料的冲蚀模型。1 9 7 5 年，l a w n 和s w i n 研 究了多角粒子冲击时的裂纹萌生及扩展情况，观察到两种形式的裂纹：分别垂直 于和平行于靶面的初生径向裂纹和横向裂纹，前者使材料强度退化，后者被确认 为材料流失的根源叶5 2 1 。2 0 世纪7 0 年代末，e v a n s 等人提出了弹塑性压痕破裂理 论，目前较有影响的主要是弹塑性压痕破裂理论，提出裂纹的萌生与冲击时形成 的塑性区内应力有关，压痕区域下形成弹性变形区，后在载荷的作用下，中间裂 纹从弹性区向下扩展，形成径向裂纹。经试验证明，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，需进一步深入研究，加以完善。后来，w i e d e r h o m 和l a w n 提出粒子动能完全消耗于粒子冲蚀的塑性变形，根据材料硬度和接触时的最大透 入深度，计算接触力，并由此推导出与e v a n s 等人十分相似的模型【4 5 3 5 8 1 。 第1 章绪论 7 0 年代末至今，国内外对陶瓷材料的冲蚀磨损机理进行了大量的研究，金属 材料的韧性比陶瓷材料高得多，多数金属材料表现出较明