锡黄铜在3.5%NaCl中的液固两相流冲蚀机理研究

利用旋转式冲蚀磨损试验机,对锡黄铜在3.5%NaCl溶液中进行液固两相流冲蚀磨损试验,利用扫描电镜详细分析了不同条件下锡黄铜表面的微观形貌、失效规律及微观破坏机理.结果表明:锡黄铜在失重的不同阶段对应不同的磨损机制,在不同外界条件下其破坏机制也不尽相同.锡黄铜在阴极保护即无腐蚀影响下,试样发生严重冲蚀前存在门槛速度,冲蚀形貌主要以犁削和铲削为主同时兼有切片.当冲蚀速率增加,冲蚀切削形貌减少,而冲蚀时间的增加将导致冲蚀率首先增加后减小并趋于平衡;在无阴极保护作用下,试样表面出现腐蚀凹坑,冲蚀率大幅度增加,随着冲蚀速率的增加失重率增加,但随冲蚀时间增加,冲蚀率减小.     

沙粒粒径和外电位对黄铜腐蚀磨损的影响

利用自制旋转圆盘式空蚀与冲蚀联合作用试验装置,在质量分数为3.5%的Na Cl溶液中试验研究了沙粒粒径和外电位对黄铜腐蚀磨损行为的影响.结果表明:在相同质量分数下,沙粒粒径对黄铜腐蚀性能的影响较小;但黄铜冲刷腐蚀的主要失重方式受沙粒粒径和外电位影响,沙粒粒径较小时,黄铜的流失形式为磨损腐蚀,沙粒粒径较大时,流失形式随外加电位正移由磨损腐蚀转变为磨损.在黄铜冲刷腐蚀中,腐蚀磨损交互作用是引起黄铜流失的主要原因,且以腐蚀对磨损的促进作用更为显著,同时随沙粒粒径的增加及外电位正移,腐蚀磨损交互作用更加突出;基于腐蚀磨损失重率、沙粒尺寸和外电位的冲腐蚀材料流失图表明:在低电位条件下,沙粒粒径对腐蚀磨损总失重率的影响较小,在高外电位条件下,腐蚀磨损总失重率随沙粒粒径的增加急剧增加.     

硬质沙粒对TC4钛合金冲击磨损的损伤行为的研究

在新型冲击磨损试验机上,以TC4钛合金作为研究对象开展了在硬质沙粒条件下的冲击试验.考察了沙粒粒径(120~380μm)、冲击次数对TC4钛合金冲击磨损行为的影响.研究结果表明:粒径能显著影响TC4钛合金的冲击磨损行为.在冲击过程中硬质沙粒会不断切削、挤压试样表面,造成较大的材料损失.随着沙粒粒径的增加,磨损面积增加,冲击力峰值、磨损深度和界面的能量吸收率都呈现先增加后减小的趋势.随着冲击次数的增加,冲击力峰值和界面能量吸收率增加,磨损加剧.硬质沙粒冲击作用下TC4钛合金的磨损机制主要表现为沙粒棱角对试样表面的微观切削和挤压剥落.     

冲蚀磨损与冲蚀、空蚀交互磨损的对比研究

基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,数值对比研究了在模拟水轮机工况中不同转速时,冲蚀与冲蚀、空蚀交互作用时,转盘表面的流场(压力场、流体浓度分布),然后在转盘式磨损装置上,进行了汽液固三相冲蚀与空蚀交互磨损试验.结果表明:对于冲蚀磨损来说,随着转速增加,压力增大,在冲蚀作用下加入空蚀磨损,压力增高,磨损加剧;而对于交互磨损来说,随着转速增加,转盘表面的空蚀磨损区域从空化孔附近开始沿着转盘旋转的反方向偏移,并且磨损程度加剧;数值计算的气泡较多且压力梯度较高区域和试验转盘磨损区域基本一致,数值计算结果和试验结果吻合得较好.     

Inconel 718镍基超合金的空蚀行为研究

采用超声振动空蚀试验机对Inconel 718镍基超合金与316L不锈钢进行空蚀磨损研究.通过扫描电子显微镜(SEM)、场发射电镜(FESEM)以及高分辨X射线衍射仪对测试样品空蚀磨损表面形貌、微观结构演变和物相进行观察及分析.结果表明:Inconel 718表现出更优异的抗空蚀磨损性能,其空蚀600 min累计质量损失约为316L的1/3,空蚀孕育期时长为316L不锈钢的2倍左右.在空蚀孕育期,Inconel 718空蚀损伤首先发生在晶界、孪晶界等界面处,且并未出现明显的塑性变形. 316L在此期间呈现较为明显的塑性变形,空蚀表面起伏波动显著.在空蚀加速期,Inconel 718质量损失的显著提升是由于空蚀表面微裂纹的扩展导致材料逐渐剥落引起的,316L则是由于空蚀表面大量凹坑的不断形成与合并导致质量损失的增加. Inconel 718空蚀120 min后,观察到空蚀磨损表面有明显的形变孪晶,且与空蚀前的金相形貌相比,形变孪晶有明显增多的趋势.     

考虑空化影响的水润滑橡胶合金轴承冲蚀磨损研究

用计算流体力学方法,数值模拟水润滑轴承空化-冲蚀交互作用时气液固三相流场的动力学特性(压力场、速度场、气含率分布),然后在水润滑轴承摩擦磨损装置上,进行试件磨损试验,并观察试件表面形貌.结果表明:考虑空化影响后,水润滑轴承整个流场压力分布更接近实际;数值模拟所得的流场压力、速度、气含率最大值,均出现在发生空化的位置附近,其余位置基本不变,说明交互磨损比单一磨损严重.观察试件表面磨痕,存在短程犁沟、空蚀针孔、麻点状气蚀坑和蚀坑,磨痕呈现规律性,磨痕与轴转速的方向基本一致.试验结果和数值计算吻合较好,证明了理论分析的正确与合理.上述仿真与试验初步探讨了水润滑轴承空化与冲蚀交互作用的磨损机理与影响因素.     

泡沫镍/聚氨酯双连续复合材料的液滴冲蚀行为研究

利用液滴冲蚀试验装置,开展了泡沫镍/聚氨酯双连续复合材料和纯聚氨酯的液滴冲蚀试验研究,并采用PIV系统,测量了液滴冲蚀中液滴速度和直径. 结果表明:随着冲击能量的增加,复合材料表现出比纯聚氨酯更好的抗液滴冲蚀性能;泡沫镍结构参数对复合材料的液滴冲蚀行为有重要影响,泡沫镍孔径越小、体密度越大,复合材料的抗冲蚀能力越强;密集的金属骨架能有效阻挡高速液滴的破坏作用,并为树脂基体提供较强的阴影保护效应和地毯保护效应,显著提高复合材料的抗冲蚀性能.      

煤液化高压差调节阀空蚀/冲蚀磨损预测

针对煤液化示范工程中高压差调节阀高速气-液-粒三相流传输引起的阀芯严重空蚀和冲蚀磨损问题,采用k-ε湍流模型、Schnerr-Saur空化模型、随机轨道模型和冲蚀磨损模型,计算了典型开度下的速度、压力、相分率和磨损率等参数.计算结果表明:阀芯头部圆弧段下游附近有空化区,其顶部附近存在高速回流且压力高于介质的饱和蒸气压,综合分析空化区、回流区和壁面压力可预测空蚀主要发生在阀芯顶部;阀芯的最大冲蚀磨损率发生在顶部,且随开度减小而加剧.并结合调节阀实际损伤形貌,验证了空蚀预测方法及冲蚀磨损计算的正确性.本研究有望为多相介质传输设备的优化设计提供参考.     

磨料水射流冲蚀金属损伤形貌特征及机理研究

针对前混合磨料水射流冲蚀过程,进行了冲蚀试验及仿真研究.从试验中得到了材料冲蚀损伤形貌特征.采用SPH耦合FEM方法建立相应的冲蚀模型,对材料冲蚀过程进行模拟分析,揭示了材料损伤形貌特征产生的机理.结果表明:随着冲蚀深度的增加,磨料颗粒的冲蚀动能逐渐减小,冲蚀角度逐渐增大,材料冲蚀损伤由微切削和微犁削逐渐变为冲击变形,材料冲蚀损伤断面的形貌特征逐渐恶化,具体表现为拖尾角和表面粗糙度逐渐增大.不同金属材料损伤断面形貌特征具有相似性,但是金属材料属性的差异会对磨料冲蚀过程产生影响,导致条纹在材料损伤断面上的分布和条纹角度出现差异.由于材料损伤形貌特征受控于磨料颗粒运动特性,因此材料冲蚀断面质量改善应该从改变磨料颗粒运动特性角度出发,这为进一步研究材料冲蚀断面质量改进奠定了理论基础.     

表面形貌变形对塑性成形滑动接触界面摩擦的影响

为了更好地理解塑性成形滑动接触界面的摩擦行为,构建了一种新型的摩擦试验装置,运用表面纹理化技术制备了两类表面形貌的1050铝材试件,在不同的接触压力和滑动速度条件下进行一系列拉伸摩擦试验.对试验前后试件三维表面形貌进行了测量;提取真实接触面积比、封闭空体面积比和开放空体面积比等三维表面参数,来描述试件表面形貌的变化.试验发现:摩擦系数随名义接触压力和滑动速度增加而逐渐减小;试件初始表面形貌对摩擦有明显的影响;试件表面形貌和参数随接触条件出现了规律性变化.基于机械流变模型的分析表明:随着试件表面形貌变形,不同的机理决定界面摩擦行为,摩擦系数对名义接触压力和滑动速度的依赖性可分别归因于微观塑性流体动压润滑效应和入口区流体动压牵引效应.     

热处理对NiTi形状记忆合金冲蚀磨损性能的影响

采用自制浆罐式砂水冲蚀磨损试验装置研究了4种经不同条件热处理的NiTi合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的冲蚀磨损性能;采用XL-30型扫描电子显微镜观察试样的冲蚀磨损表面形貌;采用MH-6型显微硬度计测量NiTi合金硬度;采用自制拉伸装置测量NiTi合金的力学性能.结果表明:5种试样的冲蚀磨损量随着冲蚀时间、冲蚀速度、砂水比及砂粒度的增加而增大,4种NiTi合金的耐冲蚀性能相近,均明显优于1Cr18Ni9Ti不锈钢,其中试样NiTi-3和NiTi-1表现出较好的耐冲蚀性能;硬度并非NiTi合金冲蚀磨损性能的决定因素,超弹性和超塑性是NiTi合金具有较好耐冲蚀性的主要原因,热处理使得NiTi合金的超弹性变形量减小,但增加了NiTi合金的塑性变形量;合金丝磨损表面不同部位的磨损机理不同,中部为典型的变形磨损,侧面为微切削磨损,5种试样均表现为典型的韧性材料冲蚀磨损特征.     

风沙环境下钢结构涂层低角度冲蚀特性研究

针对风沙环境中钢结构涂层长期受冲蚀,涂层破坏直接降低钢结构体系耐久性的现状,采用能模拟风沙环境的气流挟沙喷射法对钢结构涂层试件进行了低角度冲蚀试验,用失重测量法测定涂层冲蚀失重量与沙剂量和冲击速度关系,进而评定冲蚀程度,用扫描电镜(SEM)观测分析涂层冲蚀区的微观形貌来分析冲蚀机理,并提出了涂层冲蚀程度评价计算公式.结果表明:涂层冲蚀失重量随沙剂量和冲击速度的增大而增加;低角度冲蚀主要为微切削作用,材料硬度起决定因素,高角度冲蚀主要为冲蚀挤压变形作用,材料韧性起决定作用,由于涂层材料硬度低而韧性高,故在低冲角下其受冲蚀程度严重;验证了评价计算公式用于评价涂层冲蚀程度的可靠性.研究结果将为准确评价风沙区钢结构体系耐久性提供依据.     

火炮驻退机节制环耐磨涂层组织及抗冲蚀性能

火炮驻退机的节制环经常由于冲蚀磨损导致失效。为有效减少节制环磨损程度,提高节制环的可靠性,利用材料表面强化技术,通过微弧沉积与激光熔覆2种技术工艺,制备了铜基合金和镍基合金耐磨涂层,并测试和分析了不同种类涂层的组织形貌、涂层质量及显微硬度。在制备的4种耐磨涂层中,微弧沉积铜基合金涂层和激光熔覆镍基合金涂层的性能较好。为检验合金涂层的实际耐磨性能,在驻退机内安装节制环改进件,在反后坐装置试验台上实施后坐冲击试验。从节制环改进件的磨损形貌和冲蚀磨损量等实验数据得出,激光熔覆镍基合金涂层有较好的耐磨能力,可以作为增强火炮驻退机节制环耐磨能力的有效方法。     

两种杂环有机物的分子结构与其在离子液体中缓蚀、减摩抗磨性能的构效关系研究

本文作者通过电化学和摩擦学测试手段,对比考察了苯并三氮唑(BTA)和糖精(SAC)两种杂环有机物在[HMIM][Cl]离子液体体系中对铜锡合金的缓蚀性能和减摩抗磨性能.然后,利用扫描电子显微镜对铜锡合金表面的腐蚀形貌和磨损形貌进行了分析表征.结果表明:BTA能够吸附在铜锡合金表面形成一层致密的聚合物保护膜,阻止Cl-对金属表面的进攻,降低离子液体的腐蚀作用,有效地抑制Cl-引发的孔蚀现象;同时,BTA还进一步提高了基础油的减摩抗磨效果.在铜锡合金表面,SAC与离子液体存在竞争腐蚀作用,低浓度时,以离子液体中Cl-的孔蚀为主,高浓度时,以均匀腐蚀为主;同时,由于促进腐蚀作用的存在,SAC的引入会延长磨合期,加剧磨损.对[HMIM][Cl]离子液体体系而言,杂环分子BTA是一种兼具优异缓蚀性能和良好减摩抗磨性能的添加剂;杂环分子SAC作为添加剂,则不具有缓蚀和减摩抗磨作用.     

旋转圆盘空蚀试验中的硅材料破坏过程研究

利用自制旋转圆盘空蚀试验装置,以流动自来水为介质,对磨片、化抛片、抛光片和刻蚀片等4种硅片进行连续8 h试验以及对磨片进行连续14 h跟踪观察试验,研究硅材料的微观破坏过程,并利用扫描电子显微镜、触针式表面形貌仪和原子力显微镜对其表面微观形貌进行分析.结果表明:经连续8 h空蚀试验后,磨片原始表面的片状层基本消失,表面破坏程度最严重,化抛片次之,其表面尖锐的边缘发生了钝化,抛光片和刻蚀片的表面变化不大;化抛片的表面粗糙度Ra值由227.79 nm降至173.31 nm,抛光片的Ra值由0.483 nm增加至3.455 nm,磨片在14 h试验后其Ra值由0.3304 μm降至0.1965 μm;一定尺度的表面微观形貌对硅材料产生显著影响.     

碳化钨颗粒增强钢基复合材料的冲蚀磨损性能研究

以直径为188～250 μm的石英砂为磨料,在自制颗粒冲蚀磨损试验机上对WC颗粒增强ZG45钢基表层复合材料的气-固两相冲蚀磨损性能进行研究,采用扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌.结果表明,在相同冲蚀角条件下,增强相WC颗粒的直径越大,复合材料的耐磨性越差,复合材料在冲蚀角为45°时的冲蚀磨损率最大;而ZG45钢在冲蚀角为15°～30°范围内的冲蚀磨损率达到最大值,此后随着冲蚀角增加而减小;复合材料抗冲蚀磨损性能在较小冲蚀角(15°左右)下优于ZG45钢,在较大冲蚀角(≥30°)时劣于ZG45钢.     

空蚀坑周围彩虹区的形成机理

经过1 min的超声振动空蚀试验后,在不锈钢试样表面形成的空蚀坑周围出现环形彩虹区.表面检测结果表明,该区域经历了高于300℃的高温加热过程.数值计算结果表明在空泡溃灭形成的微射流的高速冲击下,试样表面材料在短时间内发生的塑性变形所释放出的能量是造成材料局部升温的主要原因.在塑性变形相同的情况下,材料的导热系数是影响彩虹环区域大小的关键因素.     

时效处理温度对17-4PH铸造不锈钢在稀硫酸料浆中的冲刷腐蚀性能影响

采用自制料浆罐式冲刷腐蚀试验机研究了在含固相颗粒稀硫酸料浆介质中,时效处理温度对17-4PH铸造不锈钢的组织、硬度及冲刷腐蚀性能的影响,分析了不同时效温度下冲击速度对17-4PH铸造不锈钢冲刷腐蚀行为的影响,观察了冲刷腐蚀表面形貌,探讨了冲刷腐蚀机理.结果表明:17-4PH铸造不锈钢经固溶处理及460℃左右时效处理后其硬度达到最大值;经时效处理后17-4PH铸造不锈钢冲刷腐蚀特征表现为纯冲刷磨损为主,腐蚀为辅,腐蚀促进磨损;在冲刷速度较低时,时效处理温度对17-4铸造不锈钢的冲刷腐蚀率影响不大,而在冲刷速度较高时,460℃左右时效处理后,由于析出大量细小弥散分布的ε-Cu沉淀相而具有最佳的沉淀强化效果,抗冲蚀腐蚀性能最佳;在不降低耐腐蚀性能的前提下,利用沉淀析出硬化是一种提高材料抗冲刷腐蚀性能的有效方法.     

基于单射流冲击试验的复合材料高速雨滴撞击损伤研究

飞行器高速飞越云雨区时,前表面会受到雨滴的冲击侵蚀。基于一级轻气炮搭建了一种单射流冲击试验平台用于材料雨蚀试验,可产生速度200～600 m/s、直径4～7 mm、头部呈光滑圆弧形的稳定水射流;并对一种碳纤维树脂基复合材料层合板进行了不同速度和直径的单射流冲击试验。结果表明,复合材料单次水射流冲击的典型损伤形貌为:冲击表面凹陷,中心几乎完好无损伤,周围产生一环状损伤带,环内有树脂去除、基体开裂、少量纤维断裂等损伤形式;内部损伤主要由基体开裂和层间分层组成。损伤尺寸呈现典型的各向异性,纵向尺寸大于横向尺寸;随射流速度和直径的增加,表面环状损伤和内部损伤的尺寸均向外扩展,环状损伤面积和内部分层面积也随之增加。水锤压力的压缩和卸载、侧向射流的剪切和应力波的相互作用是造成复合材料单射流冲击损伤的主要机理。     

冲击速度和磨粒粒度对FeCrAl/WC复合涂层冲蚀性能的影响

采用粉芯丝材作为原料,利用高速电弧喷涂技术制备了具有良好抗高温冲蚀磨损性能的FeCrAl/WC复合涂层;考察了650℃下冲击速度和磨粒粒度对复合涂层高温冲蚀磨损性能的影响.结果表明,复合涂层和20G锅炉钢的耐高温冲蚀磨损能力随着磨粒粒度的增加而有所提高;30°攻角下冲蚀率随磨粒粒度的变化速率比90°攻角下的小;同20G锅炉钢相比,复合涂层对速更加敏感,速度越低,FeCrAl/WC复合涂层的抗冲蚀磨损性能越好.