（机械制造及其自动化专业论文）新型sic（wti）c陶瓷喷砂嘴的研究开发及其应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘 要 本文从喷砂嘴的实际使用要求出发，研制开发出新型s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴， 并对其组分设计、力学性能和微观结构等进行了全面系统的研究运用气固两相 流动理论对喷砂过程进行了模拟和仿真；运用有限元分析软件对陶瓷喷砂嘴的应 力状态进行了分析；并对所研制的s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴进行了冲蚀磨损试验， 探索了其冲蚀磨损机理。 以s i c 为基体，t i ) c 固溶体为增韧补强剂，采用热压烧结工艺研制成功了 s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴。s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴材料的最佳烧结工艺为：烧结温 度为1 9 0 0 ( 3 ，保温时间为3 0 m i n ，压力为3 0 m p a ；t i ) c 的最优组分含量为7 0 v o l 其力学性能为：维氏硬度为2 5 9 4 4 g p a ，抗弯强度为6 3 1 m p a ，断裂韧性为4 3 8 m p a m 地 s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴材料的抗弯强度和硬度都随( w , t i ) c 含量的增加而增 大，而断裂韧性随( w , t i ) c 含量的增加而降低s i c 陶瓷的断1 2 1 表面存在许多气孔， 材料极不致密，其断裂方式为穿晶断裂，而s i c ( w , t i ) c 陶瓷材料的断1 2 1 表面几乎 没有气孔存在，且各相分布均匀，材料极致密，其断裂方式为沿晶断裂和穿晶断 裂相结合的混合断裂 对磨料在不同结构形式喷砂嘴内的运动速度和轨迹进行了计算和模拟仿真 结果表明：磨料在喷砂嘴内的运动近似均匀流动，从喷砂嘴入口到出口的运动过 程中，速度逐渐增大，并且靠近轴心的速度高，接近壁面的速度低锥角喷砂嘴 的磨料出口速度大于通孔喷砂嘴的，其锥角喷砂嘴最佳角度范围为1 0 0 2 5 0 。 运用有限元法分析了不同入口锥角的陶瓷喷砂嘴冲蚀过程中的应力状态。结 果表明：磨科入口处喷砂嘴所受的应力最大，出口次之，最小应力出现在中间区 域，可以很好地解释喷砂嘴出、入口的磨损比其它位置磨损严重的现象。通孔喷 砂嘴受到的最大应力大于锥角喷砂嘴的，且入口锥角的大小对喷砂嘴的应力状态 有重要影响，s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴的最佳入口角为1 5 。左右，结合速度分析结果， 。教育部新世纪优秀人才支持计划州c e t - 0 4 - 0 6 2 2 ) 、高等学校博士点基金( 2 0 0 3 0 4 2 2 0 1 5 ) 和山东 省自然科学基金c y 2 0 0 4 f 0 8 ) 资助项目 i v 捅要 确定s i c ( w ，t i ) c 陶瓷喷砂嘴的最佳入口锥角为1 5 。 研究了7 种不同材料喷砂嘴的冲蚀磨损特性，得出抗冲蚀能力由强到弱的顺序 依次是：s i c ( w , t i ) c 陶瓷、b 4 c ( w , t i ) c 陶瓷、a 1 2 0 一( w , t i ) c 陶瓷、y g 8 和y t l 5 硬质合金、7 5 瓷，其中s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴表现出了最佳的综合性能指标 通过对陶瓷喷砂嘴磨损表面微观结构的分析，提出t s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴 的磨损属于多冲蚀机理并存的复合冲蚀机制。喷砂嘴的不同部分表现出不同的冲 蚀磨损机理，喷嘴的入口和出口处的主要冲蚀机理为应力疲劳断裂和脆性断裂， 而内壁以微切削冲蚀磨损为其主要冲蚀磨损机理 关键词：喷砂嘴；冲蚀磨损；陶瓷材料；磨损机理：s i c ( w , t i ) c 陶瓷 - v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ez e q u i m m e n t so fs a n d b l a s t i n gn o z z l e s ，a d v 翘c c ds i c ( w , t i ) c e ：e r a m i cn o z z l e sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d e x t e n s i v er e s e a r c h e sw 9 1 ec a r r i e d o u to ni t s c o m p o s i t i o nd e s i g n , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o 蛐t h e a p p l i c a t i o no fg a s - s o l i dt w op h a s et h e o r y , c o m p u t e rs h n u l a t i o no fs a n d b l a s t i n gp r o c e s s w a sd i s c u s s e d s a n d b l a s t i n g 懿p c r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t , a n dt h e nt h ew e a r m e c h a n i s mw a ss t u d i e d s i c o y , t i ) c m 曲c o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n to fs o f i d - s o l u t i o n ( w ，n ) c w e r ep r o d u c e db yh o tp r e s s i n g t h eo p t i m i z e dh o t - p r e s s i n gp a r a m e t e r sf o rs i c t w , t i ) c w e r eo b t a i n e df o rd i f f e r e n tv o l u m ec o n t e n to fo v , t i ) c i k s u l t ss h o w e dc h a tt h e o p t i m u ms i n t c r i n gt e m p e r a t u r ei s1 9 0 0 c ，t h eh o t - p r e s s i n gp r 韶s u 坤3 0 m p a , a n dt h e h o l d i n gt i m e5 0 m i r at h eo p t i m u mv o l u m ec o n t e n to f ( w ，t i ) ci s7 0 u n d e rt h e o p t i m u mc o n d i ( i o n s , t h ev i c k c r sh a r d n e s so ft h i sm a t e r i a li s2 5 9 4 4 g p a f l e x u r a l s t r e n g t h6 3 1 m p a , a n d 丘a c t i l r et o u | 岫鼹4 3 8m p a m t t 2 t h ef l e x u r e s t r e n g i h a n dh a r d n e s so fs i c ( w , t i ) cc 锄n l i c c o m p o s i t e s c o n t i n u o u s l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fo y , t i ) cc o n t e n t , w h i l et h ef r a c t u r e t o u g h n e s sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f 似t i ) cc o n t e n t t h e ma r eal o to fo b d o m p o r e sl o c a t e da tt h ep u r es i c r a l n i cm a t e r i a l ，a n dt h ef r a c t u r em o d e li sw a n s g r a n u l a r f r d g t u r e w h i l et h e r ea r fa l m o s t1 1 0p o r e so b s e r v e di nt h es i c ( w ，t i ) cc e r a m i cm a t e r i a l ， i na d d i t i o nt o 。e a c hp h a s ed i s t r i b u t e du n i f o r m l y , a n dt h ep r i m a r yf r a c t u r em e c h a n i s mi s c o m b i n a t i o no f i n t c r g r a n u l a ra n dt r a n s g r a n u l a r t h em s u l t so f v e l o c i t yc a l c u l a t i o na n dc o m p u t e rs i m u l a t i o no f d i f f e r e n ts t n l c t u r a l s a n d b l a s t i n gn o z z l e ss h o w e dt h a tc a l c u l a t i o nr e s u l t sh a v eag o o da g r e e m e n tw i t ht h a to f t h es i m u l a t i o n s , a n dt h em o v e m e n t so f t h ep a r t i c l e si nt h en o z z l ea r en e a r l ys y m m e t r i c a l + s u p p o r t e db y 黜湖r c hf o u n d a t i o nf o rd o c t o r a lp r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o no fc h i n a 州o 2 3 0 4 2 2 0 l 5 ) ，n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f s h a n d o n gp r o v i n c e 州o y 2 0 0 4 f o s ) a n dp m g r a mf o r n e wc e n t u i 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 刚qn c e t - 0 4 * 0 6 2 2 ) v i 摘要 t b ev e l o c i t yo fp a r t i c l e sm c r e a 涮lc 0 埘m m 璐l yf r o mt h e 曲t r a n t dt h ee x i to ft h e n o z z l e a n dp a r t i c l e sn e a rt h ea ) 【i so f 让峙n o z z l ei n o v 韶1 1 1 0 1 or a p i d l yt b a np a r t i c l e sn e a r t h ei n i 蚶w a l lo ft h en o , 7 1 e 1 kv e l o c i t 7o fp a r t i c l e si sh i g h e ri nt h en o z z l ew i m 缸 e n w a n c e 衄g i et h 纽i n1 h et i r o l , h - h o l en o z z l e t h e 蛐r e s ss t a l c so ft h ec e 衄i cn o z z l e s 稍l hd i f f e r e n te n u a n c e 觚g ：l ci nt h es a n d b l a s t i n gp r o c e 蟠a r c 锄a l y z c dw i n lf m i t ee l e m e n tm e t h o d r e s u l t ss h o w e dt h a t t h em 【i l n 啪蛐哈昭a p p 船培i n 既瞳m n c ea r o ft h en o z z l ea n dl l 血l i l n u l l ls 缸e s si n m i d d l ea r e a , w b i l ct h es t 他鼹o fe x i t 撇w a sl o w e r1 h a ne n 灯a n c e 撇a n dh i g h e r1 h a n m i d d l ea 慨i tc 趾i n t c 呻w h yt h ee n n a n c ea n de x i t 蚴o ft h en o z z l e 唧b a d l y t h ee n t r i m c ea 嘲ei sav e r yi i l l p 删自酏叫f o rt h es 骶黯s t a ：t eo fn o z z l e s t h er e s u l t s o ft h ei n v e s t i g a t i o ns h o wt h a tt h eb e s te d 缸a n c ea n g l eo fs i c ( w , t i ) cc 翻f a m i c s a n d b l a s t i n g z z l e si s1 5 。 e r o s i o nw e a l b e i m v i 弧o ft h en o z z l e sm a d ef r o md i f f 蝴tm a t e r i a l sh a sb e e n s t u d i e d r e b a i t ss h 删t h a tt b c 啪缸s i g c a 晰o ft h e z z 崦觚h i g ht ol o wi s s i c ( w , t i ) cc e 删n i c ，b 4 c ( w , t i ) c 删n i c ，a 1 2 0 妖w ，t i ) cc e r a m i c y g 8a n dy n 5 ， 7 5 删ci nn 瑚n ，a n ds i c ( w , t i ) c r a m i cn o z d eh 私h i g hr a t i oo f c a p a b i l i t y t op d a m o n g a l lo f t l 蛇s en o b l e s a f t e rs t u d yo ft h er e s u l t so fs a n d b l a s t i n ge x l ) e r i m e m s d i f f e r e n tw e a rm e c h a n i m a w 硇f o 岫di nd i f f e r e mp a n so ft h en o z z l e t h em a i nw e 缸m e c h a n i s mo fe x i ta n d a 血粕c co fn o z z l es t 他s si sf a t i g u ef r a c t u r ea n db r i t t l e 舶c t l i r e w h i l et h ew e a l m e c b a n i s mo f t h ei n n e rw a l lo f l h en o z z l ei sm i 口9 a l 劬n ge r o s i v ew e a l k e yw o r d s ：蛐d b l a s t i n gn o z z l e ；e r o s i o nw e a r ；, c a 舢i c 瑚t e r i a l s ；w e l u m e e b a n i s m s ； s i c ( w , t i ) cc a 舳i c i 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，均己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：辽鱼函j 壹 日 期：2 翌i 垒目乙 园 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：剑导师签名：弓盟日期：c 够7 刀 。 第l 章绪论 第1 章绪论 陶瓷材料的优异物理性能和化学性能，使其能区别于其他材料的特征而被广 泛应用于各行各业其中尤其以耐磨性、耐热性和化学稳定性为其主要特征耐 磨陶瓷零件的研究开发已经成为一个陶瓷研究的热点问题 1 1 陶瓷材料的种类、性能及特点 陶瓷材料是人类应有较早的材料之一它坚硬、稳定，可以制造工具、用具； 在一些特殊的情况下也可以用作结构材料 陶瓷材料属于无机非金属材料，是不含碳氢氧结合的化合物，主要是金属氧 化物和金属非氧化物由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素化合物，所 以又叫做硅酸盐材料它一般包括无机玻璃，玻璃陶瓷和陶瓷三类。作为结构和 工具材料，工业陶瓷是工程上应用比较广泛的陶瓷之一 按照成分和用途，工业陶瓷材料可分为： 1 ) 普通陶瓷( 或传统陶瓷) ：主要为硅，铝氧化物的硅酸盐材料。 2 ) 特种陶瓷( 或新型陶瓷、高技术陶瓷，精细陶瓷、先进陶瓷) t 主要为高 熔点的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等烧结材料 3 ) 金属陶瓷：主要为用陶瓷生产方法制取的金属与碳化物或其它化合物的粉 末制品。 陶瓷材料按其主要成分大致可分为氧化物系和非氧化物系，氧化物系主要是 氧化铝( 越2 0 3 ) 系，非氧化物系包括氮化硅( s i 3 n 4 ) 系、碳化硅( s i c ) 系、碳硼化合物 系三类1 1 1 陶瓷材料以其具有的良好综合性能：高温强度好、高耐磨性、高耐腐蚀 性、低膨胀系数、隔热性好及密度低，而被广泛应用于化学工业，航空航天工业， 核能工业等等 2 1 由于各种陶瓷材料的原料、制备技术及显微结构的不同，从而导致了它们的 力学、电学、磁学、光学、热学、化学等性能的不同。表1 1 介绍了几种主要陶瓷 材料主要性能、特点及应用1 3 - 6 1 山东大学硕士学位论文 表1 - 1 主要陶瓷材料的种类、特点、性能及应用 陶瓷材料种类 性能特点 应用 具有优良的电气性能、强 具有极高的抗压 氧化氧化铝度高、硬度大、热膨胀系陶瓷刀具，耐磨陶瓷， 强度，相当低的磨 物系系数小，耐磨性、耐腐蚀性生物陶瓷 损率和摩擦系数 和耐冲击性能好 抗弯强度高、断裂韧性好， 硬度和耐磨性较a l z 0 3 稍 具有极高的抗热机械、冶金、化工、 氮化硅 差、耐热性高于a 1 2 0 3 、抗 震性和优良的高航空及半导体等工 系 热震性好、热膨胀系数低、温性能。业 化学稳定性较a 1 2 0 3 稍差 具有耐腐蚀耐高 密度小，硬度高、弹性模 温等优良特性，而 非氧 碳化硅量高，但脆性稍大、热稳 磨具、磨料，耐火材 且s i c 具有一定的 化物 系定性好、化学性能稳定、料 自润滑性，摩擦系 系 摩擦性能好 数小 熔点高、密度小、硬度极原子能工程、防弹材 高、弹性模量高于s i c 和料，高温半导体、高 具有密度小，硬度 碳硼化a 1 2 0 3 、导热率略低于s i c 、级研磨材料、摩擦组 高，耐磨性好，核 合物系热膨胀系数小。耐磨性仅元材料以及高精度量 性能好 次于金刚石、化学性能稍具，规具，拉丝嘴， 差、核性能好喷砂嘴等 1 2 喷砂嘴材料和结构 1 2 1 常用的喷嘴材料 随着磨料喷射加工技术和材料科学的不断发展，制造喷嘴的材料也发生了很 大变化，迄今，制造喷嘴的常用材料有塑料、金属、硬质合金和陶瓷等f 7 d 0 】 第1 章绪论 1 ) 塑料喷嘴 塑料喷嘴制造简单，成本低廉；但硬度低，耐磨性差，其磨损率通常比较高， 使用寿命低 2 ) 金属材料喷嘴 金属材料喷嘴具有良好的加工工艺性，良好的韧性，一定的抗冲击性。通过 熟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 喷嘴常用到的一种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 i l - 1 4 1 3 ) 硬质合金喷嘴 硬质合金喷嘴具有较高的强度和韧性、导热性好，硬质合金的硬度高于金属 材料，硬质合金喷嘴的冲蚀率比金属材料小，其抗冲蚀性能高于金属喷嘴但由 于硬质合金属于脆性材料，它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和加拿大等国家使用的y 型喷嘴以及我 国的多级喷嘴都是在喷嘴容易磨损的部位镶上硬质合金f 蜘1 7 1 4 ) 陶瓷喷嘴 由于陶瓷材料资源丰富、硬度高、耐磨性和耐热性能优异，在工程中获得了 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、矿山、煤 炭、化工等行业的耐磨和耐腐蚀零件正因为陶瓷材料具备这些优点，所以它成 了制各喷嘴的理想材料，陶瓷喷嘴较金属、硬质合金喷嘴的寿命、加工效率均有 较大幅度提高【1 睨陶瓷喷嘴在美国、日本，法国、荷兰等国家应用较多荷兰 a i r b l a s t 公司对碳化硼和碳化钨材料制成的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碳化钨喷嘴，碳化硼陶瓷喷嘴的使用寿命可达2 5 0 0 h 而碳化钨喷嘴使用寿命为8 0 0 h 常用喷嘴材料性能及应用情况见表1 - 2 。 表1 3 为相同条件下不同材料喷砂嘴的寿命比较。可见，相同条件下，金属喷 嘴的使用寿命不如硬质合金喷嘴，而硬质合金喷嘴的使用寿命不如陶瓷喷嘴1 2 2 - 2 8 1 虽然陶瓷材料有许多优点，但陶瓷材料存在韧性差、脆性大及强冲击下容易产 生裂纹致使材料剥落等缺点，是制约陶瓷喷嘴寿命的主要原因国内外在提高陶 瓷材料的抗冲击性能方面作了不少研究，在陶瓷的成分设计、改变组织结构、创 3 山东大学硕士学位论文 建新的工艺等方面加强了研究，以期达到提高其抗冲击能力，并取得了一些成果。 如对氧化铝陶瓷通过加入氧化锆t i c 和t 甜的混合物，或是加入结晶纹理或碳化 硅晶须来改善其韧性，从而提高其耐冲击能力可以预料，如能解决陶瓷材料抗 冲击性能差的问题，陶瓷材料将是非常有前途的、理想的喷嘴材料。 表l - 2 常用喷嘴材料性能及应用 喷嘴材料 优点缺点应用 塑料制造简单，成本低廉但使用寿命低不适合大型作业 容易加工、抗冲击性能 金属硬度低、不耐磨、寿命短各种规格喷嘴 较好 硬质高硬度，高强度，高韧成本较高，其耐磨、耐热 大容量喷嘴 合金性寿命较长性能较差 高熔点，高硬度、耐磨、 韧性低，抗震性差、不适 高温、工况恶劣条 陶瓷耐高温、耐腐蚀、寿命 合制作结构复杂的喷嘴 件 长、原材料丰富 表i - 3 不同材料的喷砂嘴在同种条件下寿命比较瞄伽 喷砂嘴材料寿命( h ) 4 5 # 钢0 2 - 1 轴承钢1 4 白口铸铁8 - 1 2 低铬耐磨铸铁l 6 硬质合金4 0 - 8 0 a 1 _ 晚基陶瓷5 0 0 - 8 0 0 s i c 陶瓷6 0 0 1 0 0 0 - 4 - 第1 章绪论 1 2 2 常用的喷砂嘴结构 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，后又有 了收敛锥状形喷嘴，至2 0 世纪5 0 年代中期，文丘里形喷嘴结构出现。 喷嘴结构不同而形成的喷射流直接影响喷射加工的效率和喷嘴的使用寿命。 在相同的材料下，合适的喷嘴结构是使磨料获得高速度和减少喷嘴磨损的有效途 径迄今为止，国内外开发出的喷嘴结构形式多种多样，归纳常用的喷嘴结构类 型及特点见表1 4 表l - 4 常用喷嘴结构类型及特点 结构类型结构简图 特点 彭钐钐钐钐钐钐勿 结构简单，但入口处磨料射流 圆柱形喷嘴 对喷嘴入口端面冲击大 y a 收敛锥 严缁坳 出口处磨料射流与喷嘴接触 状喷嘴 i 面积很小，冲击力集中，引起 匕殇勿洌 出口处嘴径磨损快 具有导流作用的锥状进口，使 k 笔钐钐钐钐钐黝 磨料进入喷嘴相对容易，克服 锥口喷嘴 了圆柱形和收敛锥状喷嘴的 彩a 缺点 流体动力学性能优于锥口喷 文丘里喷嘴 警餮掣 嘴，涡流现象基本不存在，磨 形杉棼测 料颗粒所具有的动能和磨料 喷射加工效率有大幅度提高 p 嘞 结构复杂，般应用在特殊场 特种喷嘴 b 彩 合 5 山东大学硕士学位论文 1 3 喷砂嘴研究现状及存在的问题 1 3 1 喷砂嘴材料的研究 喷砂嘴的主要失效形式是冲蚀磨损，冲蚀磨损率的大小与冲蚀角密切相关 对于塑性材料，最小冲蚀磨损率一般出现在高角冲蚀( 约9 0 ) 的情况下；对于脆性 材料，最小冲蚀磨损率出现在低冲蚀角( 2 0 3 0 。) 处【3 l 】喷砂时喷砂嘴受热冲击的 作用不大，主要承受低冲蚀角条件下的冲蚀磨损，喷砂嘴材料需要具有很高的硬 度和耐磨性陶瓷正好具有这方面的优势，其强度和抗热冲击性不高，但具有很 高的硬度和耐磨性能因此，对喷砂嘴材料的研究，一般集中在陶瓷材料方面。 用作喷嘴的陶瓷材料有多种，常用的是a 1 2 0 3 ( 基) 、s i c 和b 4 c 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，国内有多家厂商研制出了国产陶瓷喷嘴。例如：牡丹江碳化硼研究所开发出 热压b 4 c 陶瓷喷嘴；中南大学研究开发出热压a t ( a 1 2 0 3 基) 类陶瓷喷嘴：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a 1 2 0 3 ( 基) 陶瓷喷嘴的价格低，但 由于硬度低，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，使用寿命是三者之中最高的但b 4 c 陶瓷喷嘴的强度和断裂韧 性低( 抗弯强度：2 0 0 - 3 5 0 m p a ，断裂韧性：2 - 3 m p a m ，在应用中很容易发生脆性 断裂，可靠性低并且b 4 c 陶瓷材料致密化程度低，烧结温度高达2 2 0 0 。c ，需要 使用超高温烧结炉。烧结时间长，能量消耗大，导致b 4 c 陶瓷喷嘴的价格高，从 而限制了它的应用范围。 1 3 2s i c 陶瓷及其复合材料 s i c 是美国人a c h e s o n 在1 8 9 1 年偶然发现的，现在s i c 已成为人们广为利用 的非氧化物陶瓷材料。s i c 密度低、硬度高、热膨胀系数低，导热性好，抗氧化性 好，耐磨，耐腐蚀，且具有良好的高温强度和抗热震性，被广泛用作磨料、耐火 材料、电热元件、金属冶炼，以及机械工程中的结构件和化学工程中的密封件等， 表1 5 列出了s i c 陶瓷的一些主要用途1 3 2 - 4 0 - 6 - 第l 章绪论 表1 5s i c 陶瓷的主要用途 应用领域使用环境用途主要优点 石油工业 高温、高压、研磨 喷嘴、轴承、密封、阔片耐磨 强酸、强碱密封，轴承，熟交换器耐磨，耐蚀、 化学工业 高温氧化气化管道、热偶套管耐高温腐蚀 发动机轮机叶片，转子、喷嘴耐磨、高强、耐热震 机械工业 研磨喷砂嘴、内衬、泵零件耐磨 纸浆废液、纸浆密封、轴承、成型扳耐磨、耐蚀 轻工业高温棚板、窖具、传热耐热、传热快 大功率散热封装材料，基片高热导、高绝缘 核工业、含硼高温水， 密封、轴套、反射屏 耐辐射高强、稳定 激光大功率 冶合t 帅 高温气体 耐火材料、热交换器耐热、耐蚀，耐氧化 其他加工成型拉丝，成型模、纺织导向耐磨、耐蚀 虽然s i c 陶瓷材料具有许多适宜于喷嘴使用的优点，但由于s i c 晶格缺陷少， 化学计量几无偏差，是一种共价键无机非金属化合物s i - c 原子间键强度，决定 它具有高的熔点、高硬度和高的抗蠕变能力，因而扩散速率相当低，如不使用烧 结添加物，纯a - s i c 只有在相当高的温度( 2 5 0 0 ) 和相当高的压力o o m v a ) 条件下 才能达到理论密度这样的条件，在工业上是难以实现的另外由于其分子结构 的键合特点，缺乏塑性变形能力，表现为脆性，同时存在难加工、韧性差、脆性 大等致命弱点，严重影响了其作为结构材料的应用潜力，限制了s i c 陶瓷喷嘴的 使用。 通过在基体中引入第二相，能够在一定程度上改善s i c 韧性不足的问题从 形态上看，第二相包括颗粒、晶须和纤维三种。以纤维、晶须和颗粒为增强体的 复合材料各具优势，构成完整的陶瓷基复合材料体系，在陶瓷基复合材料的各个 特定应用过程中占有重要地位 采用连续纤维补强增韧的s i c ，不仅具有较高的强度，而且表现出优异的韧性 7 - 山东大学硕士学位论文 和类似金属材料的断裂特征，对裂纹不敏感，不会发生灾难性损毁具有高可靠性 特征 采用晶须作为增韧体，能够提高材料的强度和韧性，由于晶须和纤维增韧的 复合材料增韧效果相近，当加入增强相时，还可以解决高温增韧的问题，而且晶 须价格比纤维价格低，因而采月j 晶须增韧s i c 非常有优势，此类材料目前己得到 商业化并应用于切冉刀具、耐磨零件、宇航和军用器件等领域。 颗粒是通过使裂纹发生偏折、绕道、分叉或钉扎效应提高基体断裂韧性，通 常来说，这种提高的程度很有限，且第二相颗粒会降低s i c 基体的高温强度和抗 氧化能力，但是颗粒补强增韧陶瓷复合材料不仅具有各向同性、颗粒尺寸和分衣 较易控制、性能稳定，抗松散性强的特点，而且能够制各大型复杂薄壁构件，其 制备工艺简单易行、成本较低，因而也很具有吸引力，典型的例子有s i c - t i c 系统， s i c - z r b 2 系统，s i c - a 1 2 0 3 系统，s i c m b 2 系统等。颗粒补强增韧陶瓷复合材料是 对纤维陶瓷基复合材料在某些领域应用的良好补充。 1 3 3 陶瓷喷嘴的冲蚀磨损研究 冲蚀磨损是材料受到较小韵流动粒子冲击时表面出现破坏的一种磨损现象， 携带固体粒子的流体可以是高速气流，也可以是液流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一历史 上对冲蚀现象的注意起始于对磨料加工工艺的研究。早在1 8 0 7 年y o u n g 就开始讨 论磨料加工问题，1 8 7 3 年著名科学家o r e y n o l d 讨论了磨料加工对硬材料的切削作 用【4 i j 。1 8 7 6 年修建纽约b r o o k l y n 大桥，因旌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f 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， 但对粒子冲击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，讨论了冈q 性粒子对塑性 金属表面造成冲蚀的机理。1 9 7 0 年，t i u 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，g l s h e l d o n 对垂直入射粒子的冲蚀作 8 第1 章绪论 了类似于压痕硬度法的数学处理，提出了脱层冲蚀模型 4 2 1 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 v j e v y 通过对高冲击角冲击塑性材料的磨 痕及磨属的s e m 观察和分析，提出了塑性材料冲蚀的挤压锻造模型 4 3 1 1 9 7 9 年 1 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 酎型冲蚀和切削型冲蚀模型。 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：塑性材料在低角时冲蚀磨损较大，而脆性材料在高 角时冲蚀磨损较大，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 4 4 s 1 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 状裂纹赫兹裂纹，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，而 后者被确认为材料流失的主要根源。 7 0 年代末，e v a n s 等人1 4 9 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与应力有关，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 成径向裂纹经实验证明，该理论成功解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 5 0 l 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 m i 玉a s l l i “甜】在研究磨料水射流加工设备所使用的喷嘴的磨损特性( 喷嘴内径 o 8 - 1 5 m m ，长度：5 0 - 1 0 0 r a m ，磨料供给量；2 0 0 - 1 5 0 0 9 r a i n ，磨料速度：7 0 0 m s ) 时指出，喷嘴承受两种形式的磨损：一是在锥口开始部分至大约喷嘴长度l 3 处为 随机冲蚀磨损区，冲蚀角的变化范围比较大；二是在l 3 以上区域，磨科颗粒沿平 行内壁的方向运动，磨损的形式转变为磨粒磨损或微切肖模式 9 - 山东大学硕士学位论文 m h a s h i s h 对磨料水射流喷嘴的研究显示，入口区域发生冲蚀磨损，该区域内 的冲蚀角变化范围较大；出口区域的冲蚀角很小，几乎与喷嘴内壁平行 m a d h u s a r a t h i 等人 5 2 - 5 5 1 通过对磨料水射流喷嘴的系统研究，得到了计算喷嘴磨 损率的经验公式，该公式中包含了影响喷嘴磨损的喷嘴几何参数( 如喷嘴的长度、 入口角度、内径等) 和试验系统参数( 如磨料流速，水压等) 。 s h i p w a y 等人【5 酗刀在研究气流磨料喷射加工对喷嘴的磨损时指出喷嘴的几何 形状和内壁粗糙度皆可影响喷嘴的冲蚀磨损率。 研究发现金属和硬质合金喷嘴的磨损机理主要为微切削，而陶瓷喷嘴的冲蚀 磨损行为的具有其独特性，陶瓷喷嘴的磨损则是由多种冲蚀机理并存、复合作用 的结果，包括应力疲劳断裂冲蚀、脆性断裂冲蚀和微切削冲蚀等瞪恻 式中；纬、巧分别为磨料磨粒的密度、半径、冲蚀速度；目、竭分别为喷嘴 材料的弹性模量、硬度：巩为冲蚀角。 c 2 ) 脆性断裂冲蚀磨损模型。硬度较高和粒度较大的磨料颗粒对陶瓷材料的冲 击，造成材料表层形成横向和径向两种裂纹。一次或少数几次冲击下，两种裂纹 交叉影响导致材料脆性断裂冲蚀。脆性断裂冲蚀磨损率为 * 鼍41 + 2 劳2 4 。2 4 ( i - 2 ) 式中：k j c 为喷嘴材料的断裂韧性 ( 3 ) 微切削冲蚀磨损模型对于喷嘴内壁而言，属于低角冲蚀，磨料颗粒的法 向速度分量使得颗粒首先要透入被冲蚀材料的表面，然后在切向速度的作用下颗 粒沿材料表面切向运动一段距离，磨料颗粒切向速度分量较大，硬磨料颗粒将对 喷嘴产生切削作用从而剔除部分材料造成微切削磨损，切向磨损量即正比于这部 分体积单颗粒造成的材料磨损体积e 竹为 芘拦铲 - l o - ( 1 - 3 ) 第1 章绪论 可见，陶瓷喷嘴的冲蚀磨损率随磨料粒度和冲蚀速度的增大而增大，随喷嘴 材料硬度和断裂韧性的提高而降低。且与冲蚀角的大小有密切关系。 冯益华博士研究表明，冲蚀角度不同引起材料的冲蚀机理不同磨料喷射加 工时，喷嘴不同部位受到不同角度的冲蚀，喷嘴端面所受的冲击角接近9 0 。，在喷 嘴入口，出口部分承受着以高冲蚀角为主的多冲蚀角的冲蚀，喷嘴两端面的主要 冲蚀磨损机理为应力疲劳断裂和脆性断裂；而内壁属于低角冲蚀，微切削冲蚀磨 损为其主要冲蚀磨损机理。 1 3 4 目前喷嘴存在的问题 磨料喷射加工中磨料颗粒对喷嘴的冲蚀比较严重，喷嘴的磨损率通常比较高， 导致喷嘴口径迅速增大、磨粒速度下降，从而导致喷嘴寿命减短，使磨料喷射加 工效率降低，并且使得磨料喷射量增大，增加了磨料喷射加工成本，为保证磨料 喷射加工效率，需要频繁更换喷嘴，使得操作工人劳动强度大大增加长期以来， 由于喷砂工序是以辅助工序存在的，从而导致喷砂工艺及喷砂嘴的研究不太受重 视当前喷砂嘴应用材料比较多，但基本上着眼于普通材料而且喷砂嘴寿命相对 而言比较低，尽管也有部分采用新型材料，如硬质合金、特种陶瓷等，但生产及 应用都比较少，而且对其理论及应用研究都不是很充分，不足以指导生产及应用 1 4 本课题研究的目的、意义及主要研究内容 1 4 1 本课题研究的目的与意义 喷砂嘴是进行各种表面强化、表面喷涂、表面清洗、表面改性和喷射切割等 机械设备上的关键部件之一，广泛应用于石油，机械、化工、汽车、冶金、航空 航天、造船、玻璃等行业，几乎所有的工程机械厂都需要使用喷砂或喷丸设备 各种机械设备，管道等在喷漆前，需要对表面进行喷砂或喷丸处理；石油行业各 种管道也需要用喷砂进行清洗；日本等工业发达国家在切割钢材时，采用喷磨料 切割，大量使用喷砂嘴。通过对国内喷砂设备使用的喷砂嘴进行广泛的调研发现， 大部分喷砂设备使用金属喷砂嘴，由于寿命低，需要经常换，不仅影响加工表面 质量和生产率，而且增加了生产成本和劳动强度，直接影响厂家的经济效益据 山东大学硕士学位论文 统计，目前国内每年消耗的喷砂嘴的数量十分巨大，总产值超过数亿元高性能 陶瓷喷砂嘴的研究开发及其推广应用，可提高喷砂效率、减小资源( 磨料、金属材 料、能源等) 消耗、降低喷砂成本，应用前景将非常广阔另外，陶瓷喷砂嘴使用 的主要原料氧化铝、碳化硼、氧化硅等是地壳中最丰富的元素，是取之不尽，用 之不竭的，因此，开发和使用陶瓷喷砂嘴对节省贵重金属具有十分重要的意义 目前，对喷嘴的研究还不够深入，尤其对陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损机理的研究报 道很少，对如何进行喷嘴设计，如何提高喷嘴寿命，如何选用性能价格比高的喷 嘴，没有系统的理论指导。有关喷嘴研究的严重滞后和日益扩大的喷嘴需求之间 的矛盾越来越突出因此，开发新型陶瓷喷砂嘴并对其冲蚀磨损机理进行研究， 具有重大意义。 近些年，采取了一些补强增韧的措施来改善s i c 韧性，提高其耐冲击能力，使 得s i c 陶瓷喷嘴的抗冲蚀磨损能力已有了较大幅度的提高。用帆t i ) c 增强s i c 陶 瓷( s i c ( w , t i ) c ) ，将既提高材料的韧性，又能保持s i c 陶瓷原有的优异性能，预计 将是一种较理想的耐冲击材料 1 4 2 本课题的主要研究内容 本课题从喷砂嘴的使用要求和磨料喷射加工中喷嘴的应力状态和冲蚀磨损特 点出发，在综合分析现有喷嘴材料、结构和冲蚀磨损机理的基础上，设计开发新 型s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴，结合现代计算机技术，运用气固两相流动理论进行喷 砂动力学研究和仿真，探讨磨料颗粒的速度在整个喷砂嘴行程内的变化规律，运 用有限元技术，对喷砂嘴的应力状态进行分析，深入研究陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损规 律。主要研究内容如下： ( 1 ) 针对冲蚀磨损随冲蚀角的变化规律，结合喷砂嘴的冲蚀磨损属于低角冲蚀 的工况，设计喷砂嘴材料，使其适合于喷砂嘴的研制。 c 2 ) 从材料及烧结工艺上进行控制，制备新型$ i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴 ( 3 ) 根据喷砂嘴的冲蚀特点和应力分布状态，对喷嘴结构进行优化设计。 ( 4 ) 对制备的$ i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴进行喷砂试验，并与不同材料喷砂嘴的 冲蚀磨损进行对比试验研究；探索$ i c ( w , t i ) c 陶瓷喷砂嘴的冲蚀磨损机理。 1 2 第2 章s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷嘴材料的制各、物理机械性能及微观结构 第2 章s i c ( w , t i ) c 陶瓷喷嘴材料的制备、物理 机械性能及微观结构 陶瓷喷砂嘴材料的物理机械性能是由材料的显微结构决定的，材料的显微结 构则取决于原料的处理与制备工艺参数s i c 陶瓷喷砂嘴的强度和断裂韧低，在应 用中很容易发生脆性断裂，可靠性差并且s i c 陶瓷材料致密化程度低，烧结温 度高，能量消耗大。本文以s