（材料学专业论文）抗固体粒子冲蚀磨损crnx镀层的性能研究.pdf

f 一 ， 、，i c l a s s if i e di n d e x ：u 6 61 4 3 u d c ： l iiiil i lti i i ii ii i l 18 0 8 4 6 5 ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e eo f o e n g s t u d y o n p r o p e r t i e so f s o l i dp a r t i c l e e r o s i o nr e s i s t a n c ec r n x c o a t i n g c a n d i d a t e ：l iw e i g u a n g s u p e r v is o r ：p r o f c h e nz h a o y u n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a li t y ： m a t e r i a l ss c i e n c e d a t eo fs u b m i s s i o n ： s e p1 8 ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：o c t1 5 ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 洲y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。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结果由本人承担。 作者( 签字) ：誊f 彩 日期：们o c 1 年厂0 月莎日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囵在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 南书幻 日期： 田1 年p 月f 岁日 导师( 签字) ： ，锄艺 i 叫轨，月修日 哈尔滨l ：程人学顾f j 学付沦文 摘要 固体颗粒冲蚀磨损( s p e ) 是汽轮机叶片的重要失效形式之一，对汽轮机叶片材 料表面进行镀覆处理是提高材料耐冲蚀性能的主要手段。本文采用多弧离子镀方法 对2 c r l 0 m o v n b n 钢表面进行了改i 生处理，分析了c r n x 镀层组织并重点研究了镀 层和母材的耐s p e 性能。分析结果为：c r n 。镀层从表面到膜基界面的相组成依次 为c r n + c r 2 n - 屺r 、c r 2 n + c r 和c r 2 n + c r + f e - c r ( 固溶体) ：镀层组织致密，缺陷较 少，镀层与基体结合良好；镀层表面有熔滴突起，镀层中存在单质c r 的颗粒。母材 2 c r l0 m o 、仆咖、j 钢具有典型塑性材料的冲蚀磨损特征，冲蚀磨损率在冲蚀角2 2 0 左 右达到最大值；c 1 n x 镀层具有典型的脆性材料的冲蚀磨损特征，冲蚀磨损率在冲蚀 角为9 0 0 时达到最大值。速度越大，冲蚀磨损率越大。通过a n s y s l s d y n a 有限 元模拟和表面形貌分析，得出了两种材料的冲蚀磨损机理。对于2 c r l 0 m o 、仆n ) n 钢， 低角度主要以“犁沟”和“变形唇 为主要失效特征，由于固体粒子7 5 为片状， 冲蚀速度较高，粒子携带的能量较大，直接把变形唇片冲击剪切掉，故而冲蚀磨损 较严重。高角度条件下，材料以塑性变形为主，粒子反复冲击下，材料塑性变形能 力耗尽，最终发生表面疲劳剥落。c r n x 镀层在低角度下仍然有切削的痕迹，但镀层 硬度比较大，组织均匀致密，缺陷较少，切削只是轻微的痕迹，在缺陷部位和c r 熔滴脱落的部位有片状剥落和c r 熔滴拔出的现象。高角度条件下，粒子冲击镀层表 面，在表面产生局部应力集中，且应力集中沿层间扩展，粒子反复冲击，裂纹连接 在_ 起，镀层发生片状剥落。通过母材和c r n x 镀层的耐s p e 的实验发现：c 订 镀层的抗高温固体粒子冲蚀磨损性能远大于母材，速度为2 1 0 m s 时，冲蚀角为1 8 0 时，母材的冲蚀磨损率是c r n 。镀层的4 0 0 倍左右，9 0 0 时则为2 7 倍左右。速度为 4 2 0 m s 时，冲蚀角为1 8 0 时，母材的冲蚀磨损率是c r n 。镀层的4 0 0 倍左右，9 0 0 时则 为3 0 倍左右。同时，与汽轮机经常采用的防护层渗硼层冲蚀磨损实验结果和力学 性能进行比较，无论l8 0 冲蚀角还是9 0 0 冲蚀角，渗硼层的冲蚀磨损率都要大于c r n x 哈尔滨i ：w 人硕t j 何沦文 抗固体粒子冲蚀磨损性能比渗硼层要好。两者硬度相近，c r n 。镀层的断裂韧性优于 渗硼层。因此，c r n 。镀层是一种比较理想的汽轮机叶片材料抗【刮体粒子冲蚀磨损防 护层。 关键词：固体粒子冲蚀磨损；c r n 。镀层；有限元模拟；a n s y s l s d y n a 哈尔滨i j 科人学硕卜节何论文 a b s t r a c t s o l i dp a r t i c l ee r o s i o n ( s p e ) i so n eo fi m p o r t a n tf a i l u r ef o r m so ft u r b i n eb l a d e s t h e p l a t i n gt r e a t m e n to nt h es u r f a c eo f t u r b i n eb l a d e si sap d m a r ym e a n st oi m p r o v et h ee r o s i o n r e s i s t a n c e s u r f a c em o d i f i c a t i o nt r e a t m e n to nt h e2 c r l0 m o v n b ns t e e lw a sc o n d u c t e d u s i l l gm u l t i - a r ci o np l a t i n gm e t h o d t h em i c r o s t r u c t u r eo fc r n xc o a t i n gw a sa n a l y z e da n d t h es t u d yw a sf o c u s e do nt h es p e r e s i s t a n c eo fb o t hc o a t i n ga n db a s em e t a l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：i tw a ss u c c e s s i v e l yc o m p o s e do fc r n + c r e n + c r , c r 2 n + c r , a n dc r e n + c r + f e - c r ( s o l i ds o l u t i o n ) p h a s e sf r o mc o a t i n gs u r f a o gt oi n t e r f a c e o ff i l m - s u b s w a t e t h em i c r o s t r u c t u r ew a sd e n s ew i t hr a i s e dd r o p l e t so nt h es u r f a c ea n d f e w e rd e f e c t si nt h ec o a t i n g t h e r ew e r ee l e m e n t a r ys u b s t a n c ec r p a r t i c l e si nt h ec o a t i n g t h eb o n d i n gs t a t eo fc o a t i n g - s u b s t r a t ew a sg o o d 2 c r l0 m o v n b ns u b s t r a t es t e e lw a s c h a l a c 硎z e do ft y p i c a lw e a rc h a r a c t e r i s t i c so f p l a s t i cm a t e r i a l s , a n dt h ee r o s i o nw e a rr a t e w a sm a x i r n u n la tt h ei m p a c t i n g a n g l eo fa b o u t2 2 0 t h ec r n xc o a t i n gw a sc k u r a i c t e r i z i 甜o f t y p i c a lw e a l c h a r a c t e r i s t i c so fb r i t t l em a t e r i a l s , a n dt h ee r o s i o nw e a rr a t ew a sm a x i m u ma t t h ei r n p a c t m ga n g l eo f 9 0 。t h eb i g g e rt h ei m p a c t i n gv e l o c i t y ，t h eg r e a t e rt h ee r o s i o nw e a r r a t e t h ee r o s i o nw e a rm e c h a n i s mo ft w ot e s t e dm a t e r i a l sw a sd e t c r m i n c d ( o b t a i n e d ) b y m e a n so f a n s y s l s - d y n af i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ( f e s ) a n dm o r p h o l o g ya n a l y s i so n t h em a t e r i a ls u r f a c ew h i c hw a sa f e re r o s i o nw e a r f o rt h e2 c r l0 m o v n b ns t e e l ，t h e m o r p h o l o g i e so f ”p l o u g h ”a n d ”d e f o r m e dl i p 。w e r ea st h em a i nf a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c sa t l o w - a n g l e ，t h ed e f o r m e dl i p sw e r ed i r e c t l ys h e a r e do u td u et oh i g h e re n e r g ye f f e c to f e r o d e n t s , w h i c hw a sc o m p o s e do f7 5 s h e e t sw i t hh i g h e rv e l o c i t y ，s h o w i n gs e r i o u s e r o s i o nw e a r u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g h - a n g l e t h ef a i l u r ew a sm a i n l yc h 剐砒r i z e do f p l a s t i cd e f o r m a t i o n , a n dt h ea b i l i t yo fp l a s t i cd e f o r m a t i o nw a sd i s s i p a t e dd u et ot h e r e p e a t e di m p a c t so fe r o d e n t s ，m a dr e s u l t e di ns u r f a c ef a t i g u es p a l l i n g a tl o w - a n g l e ，t h e r e w e r es t i l lt r a c e so fs l i g h tc u t t i n gi nt h ec r n xc o a t i n g sb e c a u s eo ft h ef a c t o r ss u c ha s 哈尔滨i ：w 人7 j ：帧y 7 ：何沦文 m i c m s t r u c t m ew i t hf e w e rd e f e c t s t h e r ew e r et h er e m o v a l so fp i e c e s ( f l a k e s ) a n dt h ep u l l o u to fc rd r o p l e t si nt h ep o s i t i o n so fd e f e c t sa n ds h e d d i n gc rd r o p l e t s a tt h eh i g h - a n g l e t h ee r o d e n t si m p a c t e dt h ec o a t i n gs u r f a c ea n dr e s u l t e di nl o c a ls t r e s sc o n c e n 删o n w h i c h e a s i l yp r o p a g a t e da l o n gt h ei n t e r - p l a t e sa n dm a d et h ec r a c k sc o n n e c t e dt o g e t h e ru n d e rt h e r e p e a t e di m p a c t so fe r o d e n t s ，l e a d 堍t op i e c e ss p a l l i n g t h r o u g hm a k i n gac o m p a r i s o n b e t w e e nt h es p e r e s i s t a n c e so ft h eb a s em e t a la n dc r n xc o a t i n g , i tw a sf o u n dt h a tt h e s p e r e s i s t a n c eo fc r n xc o a t 啦w a sm u c hs u p e r i o rt ot h a to ft h es u b s t r a t ea st h e h i g h - t e m p e r a t u r e w h e nt h ei m p a c t i n gv e l o c i t yw a s2 10 r n s ，t h ee r o s i o nw e a rr a t eo f s u b s t r a t ew a s4 0 0t i m e so fc r n xc o a t i n ga tt i 诺i m p a c ：t i n ga n g l eo f18 0a n di tw a sa b o u t2 7 t i m e sa t9 0 。；w h e nt h ei m p a c t i n gv e l o c i t yw a s4 2 0 m s ，t h ee r o s i v ew e a rr a t eo fs u b s t r a t e w a s4 0 0t i m e so fc r n xc o a t i n ga n di tw a sa b o u t3t i m e sa t9 0 0 m e a n w h i l e ，m a k i n ga c o m p a r i s o nb e t w e e nb o r i d i n gl a y e r ( w h i c hw a sr e g u l a r l yu s e da sp r o t e c t i v ec o a t i n go f s t e a mt u r b i n e ) a n dc r n xc o m i n go nt h et w oa s p e c t so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f e r o s i o nw e a l a n df r a c t u r et o u g h n e s s ，i tw a sf o u n dt h a tw h e t h e ra tt h ei m 眦a n g l eo f18 0o r9 0 0 ，t h e e r o s i o nw e a rr a t eo f b o r i d i n gl a y e rw a sm u c hh i g h e rt h a nt h a to f c r n xc o a n g , t h a ti st os a y , t h ep l a t e dc r n xc o a t i n gs h o w e db e t t e re r o s i o nr e s i s t a n c et h a nt h eb o r i d i n gl a y e r t h e f i a c a r et o u g h n e s so fc r n xc o a 血gw a ss u p e r i o rt ob o f i d i n gl a y e rb u tt h eh a r d n e s sw 嬲 c l o s et oe a c ho t h e r t h u s , i ti sc o n c l u d e dt h a tc r n xc o a n gw a sa ni d e a lp r o t e c t i v ec o a t i n g o f t h es t e a mt u r b i n eb l a d et os p e k e yw o r d s ： s o l i d p a r t i c l ee r o s i o n ； c r n xc o a t i n g ； f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ； a n s y s l s d y n a 哈尔滨i ：种人。硕t ：学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 冲蚀磨损机理2 1 2 1 塑性材料的冲蚀理论2 1 2 1 1 微切削理论2 1 2 1 2 变形磨损理论2 1 2 1 3 锻压挤压理论2 1 2 2 脆性材料的冲蚀理论3 1 2 3 二次冲蚀理论4 1 3 影响冲蚀磨损的因素4 1 3 1 冲击角4 1 3 2 冲击速度5 1 3 3 环境温度5 1 3 4 粒子性能6 1 3 5 材料性质7 1 4 离子镀c r n ，膜研枞7 1 5 汽轮机保护层研揪9 1 6 有限元模拟1 0 第2 章实验部分1 2 2 1 离子镀c r n 。梯度膜制备1 2 2 2 分析测试方法简介1 3 2 2 1x r d 物相定性分析1 3 2 2 2 扫描电子显微镜( s e m ) 分析1 4 2 2 3 纳米压痕技术( n a n o i n d e n t a t i o n ) 1 5 2 2 4 抗固体粒子冲蚀模拟实验1 6 2 2 4 1 试验参数范闻1 6 2 2 4 2 冲蚀系统组成1 7 2 2 5 主要参数的测量1 7 哈尔滨l ：利人学硕f j 。z 何沦丈 2 2 5 1 果吹粒冲击试样速度的测量1 7 2 2 5 2 固体颗粒尺寸的测量1 8 2 2 5 3 试样冲蚀后损失质量的测量1 9 2 2 5 4 本试验所用仪器汇总1 9 2 2 6 有限元模拟2 1 2 2 6 1 建模分析2 l 2 2 6 2 求解步骤2 2 2 3 本章小结2 2 第3 章实验结果及分析2 3 3 1c r n 。镀膜特点2 3 3 1 1c r n 。镀膜组织形貌特征2 3 3 1 2c r n 。镀膜物相结果分析2 4 3 1 3c r n 。镀膜的力学性能表征2 6 3 2 仿汽轮机工况的耐s p e 磨损试验结果2 7 3 3 本章小结3 1 第4 章固体粒子冲蚀过程的有限元模拟3 2 4 1 母材冲蚀磨损过程有限元模拟分析3 2 4 1 1 固体粒子速度为2 1 0 m s 的母材冲蚀磨损有限元模拟3 4 4 1 1 1 冲蚀角为1 8 。时母材冲蚀磨损模拟3 4 4 1 1 2 冲蚀角为9 0 。时母材冲蚀磨损模拟3 9 4 1 - 2 固体粒子速度为4 2 0 m s 的母材冲蚀磨损有限元模拟4 4 4 1 2 1 冲蚀角为1 8 。时母材冲蚀磨损模拟4 4 4 1 2 2 冲蚀角为9 0 。时母材冲蚀磨损模拟4 9 4 2 镀有c r n 。膜母材的粒子冲蚀过程的有限元模拟5 4 4 2 1 固体粒子速度为2 1 0 m s 的冲蚀磨损模拟5 6 4 2 1 1 固体粒子冲蚀角为1 8 。的冲蚀磨损模拟5 6 4 2 1 2 固体粒子冲蚀角为9 0 。的冲蚀磨损模拟6 0 4 2 2 固体粒子速度为4 2 0 m s 的冲蚀磨损模拟6 5 4 2 2 1 固体粒子冲蚀角为1 8 。的冲蚀磨损模拟6 5 4 2 2 2 固体粒子冲蚀角为9 0 。的冲蚀磨损模拟6 9 n 合尔滨i ：w 人硕l ：学付论文 4 3 本章小结7 4 第5 章固体粒子冲蚀磨损表面形貌分析7 6 5 1 母材冲蚀磨损表面形貌分析7 6 5 1 1 冲蚀角为1 8 。的冲蚀磨损表面形貌分析7 6 5 1 2 冲蚀角为9 0 。的冲蚀磨损表面形貌分析7 8 5 2 镀有c r n 。膜的母材的冲蚀磨损表面形貌分析8 0 5 2 1c r n 。镀层1 8 。冲蚀磨损表面形貌分析8 0 5 2 2c r n ，镀层9 0 。冲蚀磨损表面彤貌分析8 2 5 2 3c r n 。镀层冲蚀磨损过后截面形貌分析8 4 5 3 本章小结8 6 第6 章c r n ，镀层用作汽轮机叶片防护层可行 生分析8 7 6 1 冲蚀磨损实验结果8 7 6 2 纳米压痕分析8 9 6 3 本章小结9 1 结论9 2 参考文献9 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 9 致谢1 0 0 哈尔滨l ：种人学硕十学何沦文 1 1 课题背景 第1 章绪论 冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表 面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。它广泛存在于机械、冶会、 能源、建材、航空、航天等许多工业部门，己成为材料破坏或设备失效的重 要原因之一。在汽轮机方面，汽机投产运行较长时间后，往往从锅炉炉管及 主蒸汽管等内壁上脱落一些微细锈垢的固体颗粒，并随蒸汽冲入汽机，而使 主蒸汽阀内阀、喷嘴、动叶片等处出现冲蚀磨损现象，此即所谓的汽机 s p e ( 固体颗粒冲蚀) 磨损。固体颗粒冲蚀破坏的对象主要是高压调节级喷 嘴叶片与动叶片以及中压再热第一级喷嘴与第一级动叶片【2 3 j 。固体颗粒冲蚀 易损害调节级喷嘴叶片和动叶片的型线，而使机组热效率下降，降低机组可 用率，增加机组维修费用。据e p r i 统计，固体颗粒冲蚀每年造成的经济损 失约是o 7 0 美元千瓦，最严重时可高达4 美元千瓦。在我国电力行业中， 固体颗粒对汽轮机通流部分的冲蚀所造成的损失也是十分巨大的。 固体粒子侵蚀损伤的程度与粒子的撞击角度、撞击速度、粒子的大小和 多少及叶片材料的耐侵蚀性能等因素有关1 4 j 。其中粒子的撞击角度对侵蚀速 度有极大的影响，汽轮机通流部分常用马氏体族不锈钢，该类钢具有较高的 强度和韧性，但当它遭遇到硬度极高的粒子冲击时，耐磨性却较差。目前普 遍认为喷嘴、动叶片受到侵蚀最可能是“韧性模式”。通过侵蚀模拟试验证 实，常用喷嘴和动叶片的材料在粒子撞击角度较小( 如2 0 0 3 0 0 ) 时侵蚀最 严重1 5 6 j 。然而，这种规律对于硬度很大的材料如陶瓷的侵蚀规律则完全不同， 陶瓷材料在冲击角度小时所受的侵蚀损伤却最小。上述正是汽轮机通流部分 易受侵蚀的某些喷嘴和叶片表面可以采用硬质涂层预防固体颗粒侵蚀的道 理。为有效地控制和减少冲蚀磨损造成的损耗，提高设备和材料的使用寿命， 近年来国内外专家学者对此进行了多方面的研究。采用表面技术，提高材料 哈尔滨f 利人学硕十学何论文 表面的硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能是解决s p e 磨损的有效途径之一。 1 2 冲蚀磨损机理 从芬 e ( f i n n i e i ) 第一个冲蚀理论微切削理论问世以来，到目自仃为止，人 们仍未能全面揭示材料冲蚀的内在机理。本文对影响较大的几种理论进行了 介绍【7 ，引。 1 2 1 塑性材料的冲蚀理论 1 2 1 1 微切削理论 i f i n n i e l 9 l 讨论了刚性粒子( 有足够硬度，不发生变形) 对塑性金属的冲 蚀，提出了微切削理论，这是第一个定量描述的完整理论，其体积冲蚀率v 随 入射角( i t 变化的综合表达式为 v ：竺生厂( 口) ( 1 1 ) p 。 式中m 为粒子的质量，u 为粒子速度，p 为粒子与靶材f 日j 的弹性流动压力。 经实验验证，该模型较好地解释了低冲击角下塑性材料受刚性粒子的冲蚀的 规律，但对高冲击角或脆性材料的冲蚀偏差较大，特别是在冲击角为9 0 0 时， 其相对冲蚀体积为零，这与实际情况严重不符。 1 2 1 2 变形磨损理论 1 9 6 3 年，b i t t e r 1 0 l 提出冲蚀磨损可分为变形磨损和切削磨损两部分，9 0 。 冲击角下的冲蚀磨损和粒子冲击时靶材的变形有关。他认为反复冲击产生加 工硬化，并提高材料的弹性极限，粒子冲击平面靶的冲击应力( 回小于靶材 屈服强度( g 。) 时，靶材只发生弹性变形；当6 a s 时，形成裂纹，靶材产生弹 性和塑性两种变形。 1 2 1 3 锻压挤压理论 l e v y 【1 等使用分步冲蚀试验法和单颗粒寻迹法研究冲蚀磨损的动态过 程。他们发现，无论是大角度( 9 0 0 ) 还是小角度的冲蚀磨损，由于磨粒的不断 2 哈尔滨f ：科人学硕何论艾 冲击，使靶材表面材料不断地受到挤压，于是产生小的、薄的、高度变形的 唇片。形成唇片的大应变，出现在很薄的表面层中，该表面层由于绝热剪切 变形而被加热到( 接近于) 余属的退火温度，于是形成一个软的表面层。其下 面有一个由于材料塑性变形而产生的加工硬化区。这个硬的次表层一旦形成， 将会对表面层唇片的形成起促进作用。在反复的冲击和挤压变形作用下，靶 材表面形成的唇片将从材料表面上剥落下来。该理论较好地解释了显微切削 模型难以解释的现象，是当前塑性材料冲击磨损中一种很有前途的理论，得 到了许多研究者的赞同和证实。 综上所述，微切削理论着重于低冲击角冲蚀磨损的切削作用，变形磨损 理论着重于不同冲击角冲击靶材时的两种变形过程及能量变化分析，锻压挤 压理论着重于大冲击角的冲蚀磨损。同时，它们在解释高温下塑性材料的冲 蚀行为时也存在不足之处，需要进一步完善或发展新的理论。 1 2 2 脆性材料的冲蚀理论 脆性材料在粒子冲击作用下，几乎不发生塑性变形。发展脆性材料冲蚀 理论的关键在于建立裂纹萌生及扩展与粒子入射速度、靶材性能之问的关系。 文献【l2 j 认为，脆性材料的冲蚀磨损，首先在材料表面有缺陷的地方产生裂纹， 然后裂纹不断扩展而形成碎片剥落；当磨粒尺寸较大时，磨损量随冲角的增 大而增加，当冲角a 等于9 0 。时，磨损量最大。7 0 年代未，a g e v a n s l l 3 】等 人提出了弹塑性压痕破裂理论，他们认为压痕区域下形成了弹性变形区，尔 后在负荷的作用下，中i 日j 裂纹从弹性区向下扩展，形成径向裂纹。同时，在 最初的负荷超过中间裂纹的门槛值时，即使没有持续负荷，材料的残余应力 也会导致横向裂纹的扩展。他们根据冲击中接触力包括动念应力，粒子透入 靶面时不产生破坏的假定，推导出的材料体积冲蚀量v 与入射粒子尺寸，、 速度v o 、密度p 、材料硬度h 及材料临界应力强度因子k c 之间存在如下关 系： vo cv 0 3 2p 7p | s 8k c l 3h o _ 2 6 l 1 - 2 、 n 合尔滨i 1 ：l f ! 人学硕一卜。学何论文 此外，开始发生断裂的临界速度v c 可由下式确定： v co ck c 2 h 1 5 ( 1 。3 ) 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 十分相似的关系式： y o cv 0 2 4 7 _ 2 k c l 。3 铲1 1 ( 1 4 ) v co ck c 3 1 - 1 2 5 ( 1 5 ) 式( 1 - 2 ) 和式( 1 - 4 ) 中硬度均仅占很小的比重。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，目前较有影响的主要是弹塑性压痕破裂理 论。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。 1 2 3 二次冲蚀理论 在冲蚀中脆性粒子冲击靶面会发生破碎，这种破裂后的粒子碎片将对靶 面产生第二次冲蚀。t i l l y l l 4 j 用高速摄影术、筛分法和电子显微镜术研究了粒 子的碎裂对塑性靶材冲蚀的影响，指出粒子碎裂程度与其粒度、速度及入射 角有关，粒子碎裂后可产生二次冲蚀。此模型把冲蚀过程视为两个阶段：粒 子直接入射造成的一次冲蚀和破碎粒子造成二次冲蚀，可较好地解释脆性粒 子的高角冲蚀问题。 1 3 影响冲蚀磨损的因素 1 3 1 冲击角 冲击角是指靶材表面与入射粒子轨迹之i 日j 的央角，也可称为入射角或攻 角。材料的冲蚀率和冲击角有密切关系：典型塑性材料( 如纯金属和合会) 最 大冲蚀率出现在1 5 。 - 3 0 。冲击角内，典型脆性材料( 陶瓷和玻璃) 则出现在正 4 哈尔滨i 。科人。硕十学付论文 向冲击角( 9 0 0 ) ，其它材料一般介于两者之i u j 。冲击角与冲蚀率的关系可表达 为： = a c o s 2 仅s i n ( h a ) + b s i n 2 仅( 1 6 ) 式( 1 6 ) 中为冲蚀率，a 为冲击角，刀、a7 、b 为常数；典型的脆性材料a ，_ 0 ；塑性材料b - - 0 ；刀= n 2 a 。其它材料低冲击角下塑性项起主要作用，高 冲击角下脆性项起主要作用，改变式中a 、b 值便能满足要求。根据上述材 料的冲蚀率和冲击角的关系，在工程实践中，应在保证机械设备工作效率的 前提下，合理设计零部件的形状、结构，尽可能避免塑性材料在1 5 0 3 0 0 冲 击角下工作，脆性材料力争不受颗粒的垂直入射，以减少冲蚀。 1 3 2 冲击速度 材料发生冲蚀磨损存在一个冲击速度的下限( f - j 槛冲击速度，取决于粒 子性能和材料性质) ，低于这个速度，只发生弹性碰撞，在高于这个速度时， 材料冲蚀率与粒子冲击速度存在如下关系： e = k f n ( 1 - 7 ) 式中v 为粒子速度，l 为常数。金属材料在低冲击角条件下, 为2 2 - 2 4 ， 在j 下向冲击时为2 5 5 ，陶瓷材料则在3 左右【13 1 。众多研究表明，材料的最 大冲击角与粒子冲击速度无关，这说明粒子冲击速度对材料的冲蚀机理没有 影响。 1 3 3 环境温度 从现有研究结果来看，塑性材料冲蚀率随温度的变化大体可分为三类 1 1 4 , 1 5 ：( a ) 随温度升高冲蚀率减小，达到最小值后又随温度升高而增大，如 5 c r 2 0 1 5 m o 钢、4 1 0 不锈钢、8 0 0 合会、t i 2 6 a 1 2 4 v 和w 等；( b ) 低于门 槛温度时冲蚀率相差不大，超过这一温度后，冲蚀率随温度升高迅速增大， 如p b ( 低角冲蚀) 、3 1 0 不锈钢、1 0 1 8 钢、l1 0 0 铝合会等；( c ) 其它如碳 钢、1 2 c r 2 l m 0 2 v 钢、2 1 2 5 c r 2 1 m o 钢、p b ( 9 0 0 冲蚀) 等的冲蚀率则始终随 哈尔滨i ： # 人学硕十。学何沦文 温度升高而增大。温度对材料冲蚀的影响很复杂，特别是在高温条件下，很 多材料的最大冲蚀角、门槛冲击速度等指标都与较低温度下的冲蚀行为有很 大区别，表明其冲蚀机理有所不同。尤其值得一提的是，脆性材料的硬度及 临界应力强度因子会随温度变化而改变，根据式( 1 4 ) ，冲蚀率应随之变化， 但实验结果表明脆性材料的冲蚀率几乎不随温度变化而改变，这说明弹塑性 压痕破裂理论在解释高温下脆性材料的冲蚀行为方面存在较大缺陷。同样地， 前面介绍的几种理论在解释高温下塑性材料的冲蚀行为时也有不足之处，需 要进一步完善或发展新的理论来加以解释。 1 3 4 粒子性能 粒子形状也是影响材料冲蚀率的一个主要因素1 8 i 。l e v y 等研究了不同粒 度尖角粒子和球状粒子在几种流量条件下塑性材料的冲蚀行为，尖角粒子造 成的冲蚀失重远大于球状粒子。b a i l o u t 等的研究结果表明，尖角粒子冲击玻 璃导致的冲蚀失重远大于球状粒子造成的冲蚀失重。对于这种情况，一般认 为可能是尖角粒子产生较多切削或犁削造成的。 粒度是影响材料冲蚀行为的重要因素。塑性材料冲蚀率在一定粒度范围 内随粒度增加而上升，但当粒度达到某- i t i i i 界值( d c ) 时，冲蚀率几乎不变， d e 的值随材料及冲蚀条件的不同而变化。粒度对脆性材料冲蚀行为的影响明 显区别于塑性材料：冲蚀率随粒度增加不断上升，不存在临界值d e 。在实际 冲蚀事例中，冲蚀粒子往往不是单一粒度，而是多种粒度混杂，因此粒度分 布也是较重要的影响因素。 粒子与材料表面硬度i ：匕( h p h 。) 对材料冲蚀行为有重要影响。t a b o r ”】指 出当h p h t 1 1 2 时，塑性材料冲蚀率大，且趋于饱和，当h p h 。 s t r e s s v o nr a i s e ss t e s s ，单击a p p l y 按 钮，播放动画，就可以连续看到粒子冲击母材过程和v o n - - m i s e s 应力云图的 变化情况。然后，从冲蚀过程开始到结束的动画中，选取一部分动画进行分 析，分析结果如下。 4 1 1 固体粒子速度为2 1 0 m s 的母材冲蚀磨损有限元模拟 由于母材为塑性材料，磨损试验发现冲蚀磨损率最大在2 2 0 左右。为了分 析低、高角度下的磨损机理，在速度为2 1 0 m s 下，分别进行了1 8 。和9 0 。冲 击角度的模拟磨损分析。 4 1 1 1 冲蚀角为1 8 。时母材冲蚀磨损模拟 从冲蚀角为1 8 0 的母材冲蚀磨损模拟动画中选取一系列具有代表性的时 刻进行分析，分析结果如下： 哈尔滨i 烈人学硕。 _ 学仲论文 图4 3 速度2 1 0 m s ，冲蚀角1 8 。t = 0 岫时刻的有限元模拟结果 如图4 3 所示，在t = 0 时刻，粒子以速度2 1 0 m s ，1 8 0 冲蚀角打向母材， 由于粒子在此时刻并未接触母材，母材并没有受到力的作用，粒子丌始向母 材移动。 幽4 4 速度2 1 0 m s ，冲蚀角l8 0 t = 7 8 6 9 s 时刻的有限元模拟结果 如图4 4 所示，在t = 7 8 6 “s 时，粒子头部丌始接触母材表面，母材中， 图4 5 速度2 1 0 m s ，冲蚀角1 8 。t = 2 2 1 a s 时刻的有限元模拟结果 如图4 5 可知，母材内部变形区扩大，橙色区域和黄色区域的面积都比 t = 7 8 6 时刻有所增大，此时应力达到最大值1 7 7 7 8 m p a ，此时母材表面区域 发生塑性变形，由于应力值较大，很可能已经切削断裂。 图4 6 速度2 1 0 m s ，冲蚀角i8 。t = 2 6 9 s 时刻的有限元模拟结果 哈尔滨l ： # 人硕十学位论文 如图4 6 所示，应力集中区域还在扩大，橙色区域和黄色区域面积增大， 粒子尖端在a 点前方，母材中发生了位移。最大应力值下降，为5 3 1 3 m p a ， 母材发生弹性变形。 图4 7 速度为2 1 0 m s ，冲蚀角1 8 。t = 6 0 9 s 的有限元模拟结果 如图4 7 所示，母材表层虽有应力集中区，但橙色区域和黄色区域面积 明显变小。粒子尖端丌始离丌母材，此时粒子尖端与母材接触点设为b 点， a b 两点之间的距离为2 1 9 7 9 m ，即为粒子尖端在母材中的位移。 哈尔滨l 种人学硕十学位论文 图4 8 速度2 1 0 m s ，冲蚀角1 8 。t - - 9 0 1 a s 时刻的有限元模拟结果 图4 9 速度2 1 0 m s ，冲蚀角1 8 。t = 1 2 0 1 a s 时刻的有限元模拟结果 3 8 哈尔滨l ：科人学硕十学伊论文 图4 1 0 速度2 1 0 m s ，冲蚀角1 8 。t = 1 5 0 1 a s 时刻的有限元模拟结果 由图4 8 、图4 9 和图4 1 0 可以看出，粒子虽然脱离母材，母材仍然发生 弹性变形。粒子继续在母材表面往前飞行，但仍具有一定的速度，在t = 1 5 0 9 s 时，粒子尾部划过母材表面，由于粒子硬度较大，粒子在母材表面划过留下 痕迹。在粒子尾部后方出现应力集中，最大应力值为5 0 4 9 9 m p a ，母材仍发 生弹性变形。 综合上面分析结果，固体粒子携带一定的能量撞击母材表面，由于速度 较大，且固体粒子较硬，粒子尖端插入母材，在母材中移动，发生的位移为 2 1 9 7 9 m ，之后粒子脱离母材，粒子仍具有一定的速度，继续往前飞行，之后 粒子尾部扫过母材表面，母材表面发生弹性变形，粒子飞离母材，在母材表 面留下犁沟。母材的等效应力的变化过程是：首先，粒子尖端接触母材的时 刻，在t = 2 2 1 a s 应力达到最大值1 7 7 7 8 m p a ，之后母材吸收了部分粒子能量， 粒子速度下降，仍沿母材表面飞行，之后粒子尾部重新接触表面，在粒