叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损#中英文翻译#外文翻译匹配

1 叠层 陶瓷喷嘴的 冲 蚀磨损 （译文） 邓建新，刘丽丽，赵进龙，孙军龙 山东大学机械工程系，中国山东省济南 250061， 接稿 2006 年 3 月 31 日； 收搞 2006 年 6 月 30 日 摘要 SiC/（ W,Ti)C 叠层结构的陶瓷喷嘴通过热压成形，热压是为了减少喷嘴进出口区域的拉应力。在合成物的烧结过程中由于 SiC 和 (W,Ti)C 固溶体的热量膨胀系数和收缩率不同将导致残余应力产生，通过有限元方法可以分析该残余应力。叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损是由沙粒的冲击产生，这个实验结果和一个在相同条件下不受压应力的参考 喷嘴实验结果相比较而得。这个实验的结论已经表明叠层陶瓷喷嘴比相类似的自由应力喷嘴有更高的抵抗冲蚀磨损性能。 1.引言 喷沙处理是一个研磨的加工程序并且广泛地作为表面的加强 1,表面的修正 2表面的清理和除锈 ,等等。 它适用于硬且脆的材料 , 易延展的金属，合金和非金属的材处理。在沙喷的过程中，从喷嘴里出来的高速喷射的精细研磨微粒和载流气体撞击目标对象的表面来 冲蚀 该表面。精细微粒通常由高于几倍大气压的气流来加速。粒子直接对表面进行处理。当粒子冲击表面时 , 粒子引起一个小的破碎，气流会将研磨粒子和已破碎的粒子带 离去。喷嘴是喷沙设备中最紧要关头的部份。有许多因素影响力喷嘴的磨损如：流量率和冲击角度， 冲蚀 研磨剂性能，喷嘴的材料和它的几何形状，温度。有高耐磨性的陶瓷有很大的潜力做为沙喷的喷嘴材料。 一些研究已经显示陶瓷喷嘴的进口区域展现了一个感应去除程序的脆性破碎而中央的区域显示出材料切除模态的耕犁类型。在沙喷中当 冲蚀 的微粒以高的角度 ( 将近 90 ) 冲撞喷嘴进口区段 (见到图 1) ，喷嘴进口区域遭受形严重的研磨冲击 , 这可能引起大的张应力。最高的张应力位于喷嘴的进口区域。因此，喷嘴进口区域的 冲蚀 磨损相对于中心区 域的磨损来说，总是严重的。 2 图 1 沙喷过程中 冲蚀 粒子与喷嘴间的作用示意图 由不同材料的交替层构成的叠层混合结构能适当地被设计 , 促使对一个表面产生压缩残余应力，从而提高了表面的机械性能和耐磨性。残余应力增大主要是在于热膨胀系数 (CTE) ，烧结率，相阶段和相邻层的弹性模量之间的搭配 , 并且残余应力区域决定于分层的结构几何形状和层之间的厚度比率。 Toschi 等人报告 叠层 混合结构能改善氧化铝的滑动耐磨性。 Portu 等人表明表面区域受压缩残余应力的 叠层 结构组成而得的混合物材料能具备更好的磨擦 性能。邓教授等人证实倾斜的陶瓷喷嘴能展现出比一般位置的陶瓷喷嘴更高的耐磨性。 目前的研究中 , SiC/(W,Ti)C 叠层 结构的陶瓷喷嘴为了要在喷嘴的进出口区域减少张应力 , 靠热压的方式生产。在烧结过程式中 叠层 喷嘴的残余应力由有限元方法计算而得。 叠层 陶瓷喷嘴 冲蚀 磨损对照于相同的条件下一个不受应力的叁考喷嘴而被考查。 3 2材料和实验步骤 2.1. 准备叠层陶瓷喷嘴材料 SiC /(W,Ti)C 开始的材料是 (W,Ti)C 固溶体粉末，平均颗粒大 约为 0.8 m，纯度为 99.9% 。 SiC粉 末 的 平 均 颗 粒 大 约为 1 m ， 纯 度 为 99.8% 。 六 种 不 同 含 量 的 (W,Ti) C(55,57,59,61,63,65 vol.%)被选择去设计六层结构 SiC /(W,Ti)C 叠层 喷嘴材料。 叠层 陶瓷喷嘴材料的成分分配在图 2 被显示。它指出 叠层 喷嘴材料的成分分配在喷嘴轴的方向中改变。如 SiC 的热导率比 (W,Ti) C 的更高 , 当它的热膨胀系数比 (W,Ti) C 的更低时候 , SiC 的最高含量的层被提出在进入层和出口层中两地方 ( 见图 2.1 a) 。相似的无应力的喷嘴没有成分变化在图中 2(b) 被显示。 叠层 陶瓷喷 嘴在进入和出口两区域叫做 GN-3, 无 压 应力喷嘴叫做 CN-2 。 图 2.1a 为陶瓷喷嘴在进口和出口区域（ GN-3 ）辗压的照抄原文 / （ W ， Ti ） C 成 分分配示意图； b 为相似的无应力喷嘴（ CN-2 ） SiC/(W,Ti) C 以六种不同混合比合成的粉末被分别地在酒精中和接合的碳化物球体研磨 80 个小时而成湿球来作准备。在弄干之后，和不同的混合比的混合物粉末依次被叠压进入模子之内。这时样品在流动的氮气中以 30 MPa 压力 ,1900 温度热压 40 分钟。 2.2.喷沙 测试 如图 2.2.1 所示，空气喷射研磨机床 ( GS-6 类型 ) 的示意图，它由一个空气压缩机，一只喷射枪，一个控制阀，粒子供应管，一个过滤器，一个干燥器，一个调压阀，4 灰尘捕捉器，一个研磨漏斗 , 和一个喷嘴。气流流程率被被压缩的空气控制，而且研磨粒子的速度经过喷嘴被调整为 60 米 / 秒。 图 2.2.1 空气喷射研磨机床的示意图（ 1 ）空气压缩机，（ 2 ）控制阀，（ 3 ）过 滤器，（ 4 ）干燥器，（ 5 ）调压阀，（ 6 ）吸尘器，（ 7 ）喷枪） （ 8 ）研磨漏斗，（ 9 ）陶瓷喷嘴） 。 被用于这一项研究的 冲蚀 研磨剂是 50 150 m 谷粒大小碳化硅粉末。作为干沙喷射的 SiC 粉末的 SEM 显微图在图 4 中所示。 图 2.2.2 沙喷中被用的 SiC 研磨剂的 SEM 显微图 5 内直径 8 毫米和长度 30 毫米的喷嘴由 SiC /(W,Ti) C 的叠压结构 (GN-3) 制造而成，无压应力结构 (CN-2) 被热压制造而成，如图 2.2.3 所示。 图 2.2.3 GN-3 叠层 陶瓷喷嘴的照片 磨损的喷嘴损失量被一个精确的电子称测量。 ( 最小量 0.1 毫克 ) 。 所有的测试情况在表一中被列出 。喷嘴的 冲蚀 率 (W) 被定义为喷嘴损失量 1m 除以喷嘴密度 d 和冲蚀 研磨粒子 2m 的乘积 : 21 / mdmW W 的单位为 gmm /3 。 有限元方法 (FEM) 被做为一种数字地分析在制造过程中 叠层 陶瓷喷嘴的残余应力和它的分布状态的方法。为微小损害的观察和 冲蚀 机制的检测 , 磨损的喷嘴被轴向地分6 为区段。喷嘴的被侵蚀的孔表面由扫描电子显微镜检查。 3结果和讨论 3.1 叠层喷嘴材料的显微结构特征和性能 硬度测量在 GN-3 叠层 喷嘴材料的横截面面的每层上放着维氏压痕处操纵。压痕负荷是 200 N ，这时每层的三个压痕的最小量被测试。每层的维氏硬度 (GPa)靠（ P 是压痕负荷（ N）， 2 是压痕对线的长度）计算所得。每层 GN-3 叠层 喷嘴材料的硬度被列出在表二中。 GN-3 叠层 陶瓷的喷嘴材料磨光的每层 SEM显微图如图 3.1所示。黑色的区域被 EDX 分析鉴别为 SiC, 和鲜明的对比白色的区域是 (W,Ti)C。可以被看到， SiC 粒子非常匀均地在显微结构 中普遍分布 , 多孔性事实上是不存在的。 图 3.1 GN-3 叠层 陶瓷的喷嘴材料磨光的每层 SEM 显微图（ a）第一层（进口区域），（ b）第二层，（ c）第三层，（ d）第四层，（ e）第五层，（ f）第六层 3.2 叠层 喷嘴的残余应力 制造过程中的 叠层 陶瓷喷嘴的残余应力被假设箱子从烧结温度 1900冷却到室温 20经由有限元方法计算。（ W， Ti） C 和 SiC 的热机械性能依下列各项所得 : 7 由于对称，轴对称的计算被推荐。假定它是稳定状态边界条件，在 GN-3 叠层 喷嘴中从烧结温度冷却到窒温过程中轴向的 ，径向的 。很明显，一个额外的压缩残余应力在GN-3 叠层 喷嘴进口与出口区域处被形成。 图 3.2 GN-3 叠层 喷嘴在制造过程中的 (a)轴向的 ( z )， (b)径向的 ( r )， (c)圆周向的( )残余应力沿喷嘴轴向不同位置的分布 3.3 叠层喷嘴的冲蚀磨损 GN-3 叠层 陶瓷喷嘴的 冲蚀 磨损靠在沙喷时和 CN-2 无应力陶瓷喷嘴对比来被评定。图 3.2 显示 GN-3 和 CN-2 喷嘴在沙喷过程中 累积的损失量。很明显累积的损失量随着操作时间不断地增加。在相同实验条件下，与 GN-3 叠层 喷嘴比较 ,CN-2 无压应力喷8 嘴有更高的累积损失量。 图 3.3 a GN-3 喷嘴和 CN-2 无压应力喷嘴在沙喷过程中累积的损失量 磨损的陶瓷喷嘴在操作之后在纵向的方向被切断，出现分析失败。图 3.3 a 所示为操作 540 分钟后的 GN-3 和 CN-2 喷嘴的内部孔的轮廓相片。它被表明沿着喷嘴纵向的方向磨损的 CN-2 喷嘴的内部孔的直径是比磨损的 GN-3 叠层 喷嘴更大 , 尤其在喷嘴进口区域。 图 3.3 b 操作 540 分钟后的 GN-3 和 CN-2 喷嘴的内部孔的轮廓相片 GN-3 和 CN-2 喷嘴进口孔直径随着 冲蚀 时间而变化的结果如图 3.3 b 所示。它被指出 CN-2 无压应力喷嘴进口孔的直径随操作运行时间而扩大得很快。然而 GN-3 叠层喷嘴进口孔直径慢慢地随操作运行时间增大。图 3.3 d表示沙喷过程中 GN-3 和 CN-2 喷嘴的 冲蚀 率对比。显而可见，无压应力喷嘴的 冲蚀 率比 叠层 喷嘴的 冲蚀 率更高。因此，很显然在相同测试条件下 GN-3 叠层 喷嘴比起 GN-2 无压应力喷嘴展现了较高的 冲蚀 耐9 磨性。 图 3.3 c GN-3 和 CN-2 喷嘴进口孔直径随着 冲蚀 时间而变化 图 3.3 d 沙喷过程中 GN-3 和 CN-2 喷嘴的 冲蚀 率对比 图 3.3 e 表明受磨损的 CN-2 无压应力喷嘴的进口孔的表面 SEM 显微像。从这些 SEM 显微像 , 喷嘴的不同形态学和破碎模态能被清楚地看见。 CN-2 无压应力喷嘴在进口区域处以非常脆的方式中失败 , 而且展现了一个促使去除处理的脆性破碎。位于喷嘴孔表面上有许多明显的凹坑，该表面表示脆性破碎发生的表面。呈现在 GN-3 叠层 陶瓷喷嘴被侵蚀的进口孔表面的典型 SEM 图 如图 3.3 f 所示。显而可见， 叠层 喷嘴受侵蚀的区域的出现表示与无压应力喷嘴受侵蚀的区域相比，它有一个相对平滑的表面。 10 图 3.3 e 受磨损的 CN-2 无压应力喷嘴的进口孔的表面 SEM 显微像 图 3.3 f 受磨损的 GN-3 叠层 陶瓷喷嘴的进口孔表面的 SEM 图 因 冲蚀 磨损而失败的陶瓷喷嘴通常由在喷嘴进口区域受大的张应力的破碎所引起的 11-15。因为喷嘴进口区域遭受严重的研磨冲击 , 而且产生大的张应力 ,这可能引起表面下的侧部裂缝而且促进了材料碎片的去除 .因此，喷嘴在进口区域处的 冲蚀 磨损依赖于压应力的分布。一 旦最大的张应力超过喷嘴材料的极限强度，将会发生破碎。 在进口区域和出口区域根据压缩残余应力的形成而分析， GN-3 叠层 喷嘴比 CN-2 无压应力喷嘴具有较高的 冲蚀 耐磨性。当计算以上数据之时 ,在从烧结温度到室温的制造过程中， GN-3 叠层 喷嘴的进口区域和出口区域处将形成受压的残余应力，它可能会部份地与产生外部负载的喷嘴的进出区段处的的张应力相抵消。这影响可能导致增加对破碎的抵制 , 因此增加了 叠层 喷嘴的 冲蚀 耐磨性。 4结论 11 SiC/(W,Ti)C 叠层 陶瓷喷嘴通过热压而制造。目的是在沙喷过程间减少喷嘴在进口和 出口的区域的张应力。特别注意的是 叠层 陶瓷喷嘴的 冲蚀 磨损。结果表示了相对于类似的无压应力陶瓷喷嘴， 叠层 陶瓷喷嘴有上好的 冲蚀 耐磨性。可靠的机制被解释作为在制造过程中 叠层 陶瓷喷嘴进口和出口两区域压缩残余应力的形成，它可能会部份地与产生外部负载的张应力相抵消。 叠层 结构在陶瓷喷嘴中是一种有效的改善无压应力陶瓷喷嘴的 冲蚀 耐磨性的方法。 鸣谢 该研究受到了“中国 (50475133) 的国家自然科学基金”“高等教育 (20030422105) 的博士计划专门研究基金”，“山东省 (Y2004F08) 自然科学基金”和“大 学（ NCET-04-0622）新世纪杰出人才计划”的大力支持。 参考文献 1李国英，曲面工程，北京，机械工业出版社， 1998 2邓建新，改良的机器制造陶瓷合成物表面完整性和可靠性的技术，曲面工程 2000； 16(5):411 4. 3Raykowski A，燃气蜗轮机混合涂料的喷射清洁，存放移动和基体变形。磨损 2001;249: 127 32. 4Djurovic B ，纤维合成物的涂料移动和使用淀粉媒体喷射的铝。磨损 1999;224:22 37. 5Oka YI ， Ohnogi H 。坚硬的粒子冲击引起 冲蚀 损害依赖于冲击角度，磨损 1997;203 204:573 9. 6Finnie I， Stevick GR, 角研磨粒子碰撞角度在易延展金属的 冲蚀 中的影响，磨损 1992;152:91 7. 7Wellman RG ，艾伦 C ，冲击角度和材料性能对陶瓷 冲蚀 率的影响，磨损 1995;186 187:117 23. 8Srinivasan S， Scatterrgood RO ， 冲蚀 硬度对脆性材料的 冲蚀 的影响，磨损 1988;128:139 52. 9Shipway PH， Hutchings IM ，粒子性能对烧结的碳化硼 冲蚀 磨损的影响，磨损 1991;149:85 98. 10Bahadur S ， Badruddin R ， 冲蚀 粒子的特征和粒子大小与形状对 冲蚀 的影响，关于材料磨损的国际会议学报， ASME，纽约， (1989):143 53. 11邓建新，研磨空气喷射的碳化硼喷嘴的 冲蚀 磨损，材料科学工程学 A， 2005;408(1-2):227-33. 12邓建新，在沙喷处理中陶瓷喷嘴的磨损行为。欧洲陶瓷社会的杂志， 2003;23:323 9. 13邓建新，张西华，刘平彰 ，干沙喷射的陶瓷喷嘴的磨损，国际摩擦学 2006;39(3):274 80. 14邓建新， B4C/(W,Ti) C 陶瓷喷击喷嘴的沙子 冲蚀 性能。应用陶瓷的进步 2005;104:59 -64. 15邓建新，郑中菜，在干沙喷射过程陶瓷和粘合的碳化物喷嘴的 冲蚀 磨损，英国的陶瓷交易， 2003;102:61 5. 16Wood RJK ， Wheeler DW, Lejeau DC, 涂抹碳化钨的 CVD碳化硼的沙子 冲蚀 性能 ,磨损， 1999;233 -235:134 50. 12 17邓建新，煤 -水 -泥浆 (CWS) 陶瓷喷嘴的 冲蚀 磨损的机械装置，材料科学工程 A， 2006;417(1 -2):1 -7. 18丁泽亮，邓建新，用煤水泥浆烧结的陶瓷喷嘴的磨损行为，国际陶瓷， 2004;34(4):591 6. 19Lakshminarayanan R ， Shetty DK ，带有残余表面压缩的分层的陶瓷合成物变坚固，美国陶瓷社会的杂志 1996； 79(1):79 87. 20Cai PZ ， Green DJ， Al2O3/ ZrO2 混血叠压片