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疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損（譯文）
鄧建新，劉麗麗，趙進(jìn)龍，孫軍龍
山東大學(xué)機(jī)械工程系，中國山東省濟(jì)南 250061，
接稿 2006 年 3 月 31 日；收搞 2006 年 6 月 30 日
摘要
SiC/（W,Ti)C疊層結(jié)構(gòu)的陶瓷噴嘴通過熱壓成形，熱壓是為了減少噴嘴進(jìn)出口區(qū)域的拉應(yīng)力。在合成物的燒結(jié)過程中由于SiC和(W,Ti)C固溶體的熱量膨脹系數(shù)和收縮率不同將導(dǎo)致殘余應(yīng)力產(chǎn)生，通過有限元方法可以分析該殘余應(yīng)力。疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損是由沙粒的沖擊產(chǎn)生，這個實驗結(jié)果和一個在相同條件下不受壓應(yīng)力的參考噴嘴實驗結(jié)果相比較而得。這個實驗的結(jié)論已經(jīng)表明疊層陶瓷噴嘴比相類似的自由應(yīng)力噴嘴有更高的抵抗沖蝕磨損性能。
1.引言
噴沙處理是一個研磨的加工程序并且廣泛地作為表面的加強(qiáng)[1],表面的修正[2]表面的清理和除銹,等等。它適用于硬且脆的材料, 易延展的金屬，合金和非金屬的材處理。在沙噴的過程中，從噴嘴里出來的高速噴射的精細(xì)研磨微粒和載流氣體撞擊目標(biāo)對象的表面來沖蝕該表面。精細(xì)微粒通常由高于幾倍大氣壓的氣流來加速。粒子直接對表面進(jìn)行處理。當(dāng)粒子沖擊表面時, 粒子引起一個小的破碎，氣流會將研磨粒子和已破碎的粒子帶離去。噴嘴是噴沙設(shè)備中最緊要關(guān)頭的部份。有許多因素影響力噴嘴的磨損如：流量率和沖擊角度，沖蝕研磨劑性能，噴嘴的材料和它的幾何形狀，溫度。有高耐磨性的陶瓷有很大的潛力做為沙噴的噴嘴材料。
一些研究已經(jīng)顯示陶瓷噴嘴的進(jìn)口區(qū)域展現(xiàn)了一個感應(yīng)去除程序的脆性破碎而中央的區(qū)域顯示出材料切除模態(tài)的耕犁類型。在沙噴中當(dāng)沖蝕的微粒以高的角度 ( 將近 90 °) 沖撞噴嘴進(jìn)口區(qū)段 (見到圖1) ，噴嘴進(jìn)口區(qū)域遭受形嚴(yán)重的研磨沖擊, 這可能引起大的張應(yīng)力。最高的張應(yīng)力位于噴嘴的進(jìn)口區(qū)域。因此，噴嘴進(jìn)口區(qū)域的沖蝕磨損相對于中心區(qū)域的磨損來說，總是嚴(yán)重的。
圖1 沙噴過程中沖蝕粒子與噴嘴間的作用示意圖
由不同材料的交替層構(gòu)成的疊層混合結(jié)構(gòu)能適當(dāng)?shù)乇辉O(shè)計, 促使對一個表面產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而提高了表面的機(jī)械性能和耐磨性。殘余應(yīng)力增大主要是在于熱膨脹系數(shù) (CTE) ，燒結(jié)率，相階段和相鄰層的彈性模量之間的搭配, 并且殘余應(yīng)力區(qū)域決定于分層的結(jié)構(gòu)幾何形狀和層之間的厚度比率。 Toschi 等人報告疊層混合結(jié)構(gòu)能改善氧化鋁的滑動耐磨性。Portu 等人表明表面區(qū)域受壓縮殘余應(yīng)力的疊層結(jié)構(gòu)組成而得的混合物材料能具備更好的磨擦性能。鄧教授等人證實傾斜的陶瓷噴嘴能展現(xiàn)出比一般位置的陶瓷噴嘴更高的耐磨性。
目前的研究中, SiC/(W,Ti)C 疊層結(jié)構(gòu)的陶瓷噴嘴為了要在噴嘴的進(jìn)出口區(qū)域減少張應(yīng)力 , 靠熱壓的方式生產(chǎn)。在燒結(jié)過程式中疊層噴嘴的殘余應(yīng)力由有限元方法計算而得。疊層陶瓷噴嘴沖蝕磨損對照于相同的條件下一個不受應(yīng)力的叁考噴嘴而被考查。
2．材料和實驗步驟
2.1. 準(zhǔn)備疊層陶瓷噴嘴材料SiC /(W,Ti)C
開始的材料是(W,Ti)C固溶體粉末，平均顆粒大約為0.8μm，純度為 99.9% 。SiC粉末的平均顆粒大約為1μm，純度為 99.8%。六種不同含量的 (W,Ti) C(55,57,59,61,63,65 vol.%)被選擇去設(shè)計六層結(jié)構(gòu)SiC /(W,Ti)C疊層噴嘴材料。疊層陶瓷噴嘴材料的成分分配在圖 2 被顯示。它指出疊層噴嘴材料的成分分配在噴嘴軸的方向中改變。如SiC的熱導(dǎo)率比 (W,Ti) C 的更高, 當(dāng)它的熱膨脹系數(shù)比 (W,Ti) C 的更低時候, SiC的最高含量的層被提出在進(jìn)入層和出口層中兩地方 ( 見圖 2.1 a) 。相似的無應(yīng)力的噴嘴沒有成分變化在圖中 2(b) 被顯示。疊層陶瓷噴嘴在進(jìn)入和出口兩區(qū)域叫做 GN-3, 無壓應(yīng)力噴嘴叫做 CN-2 。
圖2.1a為陶瓷噴嘴在進(jìn)口和出口區(qū)域（ GN-3 ）輾壓的照抄原文/ （ W ， Ti ） C 成
分分配示意圖； b 為相似的無應(yīng)力噴嘴（ CN-2 ）
SiC/(W,Ti) C 以六種不同混合比合成的粉末被分別地在酒精中和接合的碳化物球體研磨 80 個小時而成濕球來作準(zhǔn)備。在弄干之后，和不同的混合比的混合物粉末依次被疊壓進(jìn)入模子之內(nèi)。這時樣品在流動的氮氣中以 30 MPa 壓力 ,1900 ℃溫度熱壓 40 分鐘。
2.2.噴沙測試
如圖2.2.1所示，空氣噴射研磨機(jī)床 ( GS-6 類型) 的示意圖，它由一個空氣壓縮機(jī)，一只噴射槍，一個控制閥，粒子供應(yīng)管，一個過濾器，一個干燥器，一個調(diào)壓閥，灰塵捕捉器，一個研磨漏斗 , 和一個噴嘴。氣流流程率被被壓縮的空氣控制，而且研磨粒子的速度經(jīng)過噴嘴被調(diào)整為 60 米/ 秒。
圖2.2.1 空氣噴射研磨機(jī)床的示意圖（（ 1 ）空氣壓縮機(jī)，（ 2 ）控制閥，（ 3 ）過
濾器，（ 4 ）干燥器，（ 5 ）調(diào)壓閥，（ 6 ）吸塵器，（ 7 ）噴槍）（ 8 ）研磨漏斗，（ 9 ）陶瓷噴嘴）。
被用于這一項研究的沖蝕研磨劑是 50–150μm谷粒大小碳化硅粉末。作為干沙噴射的SiC粉末的SEM顯微圖在圖4中所示。
圖2.2.2 沙噴中被用的SiC研磨劑的SEM顯微圖
內(nèi)直徑 8 毫米和長度 30 毫米的噴嘴由SiC /(W,Ti) C 的疊壓結(jié)構(gòu) (GN-3) 制造而成，無壓應(yīng)力結(jié)構(gòu) (CN-2) 被熱壓制造而成，如圖2.2.3所示。
圖2.2.3 GN-3 疊層陶瓷噴嘴的照片
磨損的噴嘴損失量被一個精確的電子稱測量。 ( 最小量 0.1 毫克) 。 所有的測試情況在表一中被列出。噴嘴的沖蝕率 (W) 被定義為噴嘴損失量除以噴嘴密度 d和沖蝕研磨粒子的乘積: W的單位為 。
有限元方法 (FEM) 被做為一種數(shù)字地分析在制造過程中疊層陶瓷噴嘴的殘余應(yīng)力和它的分布狀態(tài)的方法。為微小損害的觀察和沖蝕機(jī)制的檢測, 磨損的噴嘴被軸向地分為區(qū)段。噴嘴的被侵蝕的孔表面由掃描電子顯微鏡檢查。
3．結(jié)果和討論
3.1 疊層噴嘴材料的顯微結(jié)構(gòu)特征和性能
硬度測量在 GN-3 疊層噴嘴材料的橫截面面的每層上放著維氏壓痕處操縱。壓痕負(fù)荷是 200 N ，這時每層的三個壓痕的最小量被測試。每層的維氏硬度 (GPa)靠（P是壓痕負(fù)荷（N），2是壓痕對線的長度）計算所得。每層 GN-3 疊層噴嘴材料的硬度被列出在表二中。
GN-3 疊層陶瓷的噴嘴材料磨光的每層SEM顯微圖如圖3.1所示。黑色的區(qū)域被 EDX 分析鑒別為SiC, 和鮮明的對比白色的區(qū)域是(W,Ti)C。可以被看到，SiC粒子非常勻均地在顯微結(jié)構(gòu)中普遍分布, 多孔性事實上是不存在的。
圖3.1 GN-3 疊層陶瓷的噴嘴材料磨光的每層SEM顯微圖（a）第一層（進(jìn)口區(qū)域），（b）第二層，（c）第三層，（d）第四層，（e）第五層，（f）第六層
3.2 疊層噴嘴的殘余應(yīng)力
制造過程中的疊層陶瓷噴嘴的殘余應(yīng)力被假設(shè)箱子從燒結(jié)溫度1900℃冷卻到室溫 20℃經(jīng)由有限元方法計算。（W，Ti）C和SiC的熱機(jī)械性能依下列各項所得:
由于對稱，軸對稱的計算被推薦。假定它是穩(wěn)定狀態(tài)邊界條件，在GN-3疊層噴嘴中從燒結(jié)溫度冷卻到窒溫過程中軸向的，徑向的。很明顯，一個額外的壓縮殘余應(yīng)力在GN-3疊層噴嘴進(jìn)口與出口區(qū)域處被形成。
圖3.2 GN-3疊層噴嘴在制造過程中的(a)軸向的()，(b)徑向的()，(c)圓周向的()殘余應(yīng)力沿噴嘴軸向不同位置的分布
3.3 疊層噴嘴的沖蝕磨損
GN-3 疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損靠在沙噴時和 CN-2 無應(yīng)力陶瓷噴嘴對比來被評定。圖3.2顯示GN-3和CN-2噴嘴在沙噴過程中累積的損失量。很明顯累積的損失量隨著操作時間不斷地增加。在相同實驗條件下，與 GN-3 疊層噴嘴比較,CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴有更高的累積損失量。
圖3.3 a GN-3 噴嘴和 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴在沙噴過程中累積的損失量
磨損的陶瓷噴嘴在操作之后在縱向的方向被切斷，出現(xiàn)分析失敗。圖3.3 a所示為操作 540分鐘后的GN-3 和 CN-2 噴嘴的內(nèi)部孔的輪廓相片。它被表明沿著噴嘴縱向的方向磨損的 CN-2 噴嘴的內(nèi)部孔的直徑是比磨損的 GN-3 疊層噴嘴更大, 尤其在噴嘴進(jìn)口區(qū)域。
圖3.3 b 操作540分鐘后的GN-3和CN-2噴嘴的內(nèi)部孔的輪廓相片
GN-3 和 CN-2噴嘴進(jìn)口孔直徑隨著沖蝕時間而變化的結(jié)果如圖3.3 b所示。它被指出CN-2無壓應(yīng)力噴嘴進(jìn)口孔的直徑隨操作運(yùn)行時間而擴(kuò)大得很快。然而GN-3 疊層噴嘴進(jìn)口孔直徑慢慢地隨操作運(yùn)行時間增大。圖3.3 d表示沙噴過程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對比。顯而可見，無壓應(yīng)力噴嘴的沖蝕率比疊層噴嘴的沖蝕率更高。因此，很顯然在相同測試條件下 GN-3 疊層噴嘴比起GN-2 無壓應(yīng)力噴嘴展現(xiàn)了較高的沖蝕耐磨性。
圖3.3 c GN-3 和 CN-2噴嘴進(jìn)口孔直徑隨著沖蝕時間而變化
圖3.3 d 沙噴過程中GN-3 和 CN-2 噴嘴的沖蝕率對比
圖3.3 e 表明受磨損的 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴的進(jìn)口孔的表面 SEM 顯微像。從這些 SEM 顯微像, 噴嘴的不同形態(tài)學(xué)和破碎模態(tài)能被清楚地看見。CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴在進(jìn)口區(qū)域處以非常脆的方式中失敗, 而且展現(xiàn)了一個促使去除處理的脆性破碎。位于噴嘴孔表面上有許多明顯的凹坑，該表面表示脆性破碎發(fā)生的表面。呈現(xiàn)在GN-3 疊層陶瓷噴嘴被侵蝕的進(jìn)口孔表面的典型SEM圖 如圖3.3 f所示。顯而可見，疊層噴嘴受侵蝕的區(qū)域的出現(xiàn)表示與無壓應(yīng)力噴嘴受侵蝕的區(qū)域相比，它有一個相對平滑的表面。
圖3.3 e受磨損的CN-2無壓應(yīng)力噴嘴的進(jìn)口孔的表面 SEM 顯微像
圖3.3 f 受磨損的GN-3疊層陶瓷噴嘴的進(jìn)口孔表面的SEM圖
因沖蝕磨損而失敗的陶瓷噴嘴通常由在噴嘴進(jìn)口區(qū)域受大的張應(yīng)力的破碎所引起的 [11-15]。因為噴嘴進(jìn)口區(qū)域遭受嚴(yán)重的研磨沖擊, 而且產(chǎn)生大的張應(yīng)力,這可能引起表面下的側(cè)部裂縫而且促進(jìn)了材料碎片的去除.因此，噴嘴在進(jìn)口區(qū)域處的沖蝕磨損依賴于壓應(yīng)力的分布。一旦最大的張應(yīng)力超過噴嘴材料的極限強(qiáng)度，將會發(fā)生破碎。
在進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域根據(jù)壓縮殘余應(yīng)力的形成而分析， GN-3 疊層噴嘴比 CN-2 無壓應(yīng)力噴嘴具有較高的沖蝕耐磨性。當(dāng)計算以上數(shù)據(jù)之時,在從燒結(jié)溫度到室溫的制造過程中，GN-3 疊層噴嘴的進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域處將形成受壓的殘余應(yīng)力，它可能會部份地與產(chǎn)生外部負(fù)載的噴嘴的進(jìn)出區(qū)段處的的張應(yīng)力相抵消。這影響可能導(dǎo)致增加對破碎的抵制, 因此增加了疊層噴嘴的沖蝕耐磨性。
4．結(jié)論
SiC/(W,Ti)C疊層陶瓷噴嘴通過熱壓而制造。目的是在沙噴過程間減少噴嘴在進(jìn)口和出口的區(qū)域的張應(yīng)力。特別注意的是疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損。結(jié)果表示了相對于類似的無壓應(yīng)力陶瓷噴嘴，疊層陶瓷噴嘴有上好的沖蝕耐磨性?？煽康臋C(jī)制被解釋作為在制造過程中疊層陶瓷噴嘴進(jìn)口和出口兩區(qū)域壓縮殘余應(yīng)力的形成，它可能會部份地與產(chǎn)生外部負(fù)載的張應(yīng)力相抵消。疊層結(jié)構(gòu)在陶瓷噴嘴中是一種有效的改善無壓應(yīng)力陶瓷噴嘴的沖蝕耐磨性的方法。
鳴謝
該研究受到了“中國 (50475133) 的國家自然科學(xué)基金”“高等教育 (20030422105) 的博士計劃專門研究基金”，“山東省 (Y2004F08) 自然科學(xué)基金”和“大學(xué)（NCET-04-0622）新世紀(jì)杰出人才計劃”的大力支持。
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