沖蝕磨損為材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)表面出現(xiàn)破壞的一類磨損，粒子一般小于1000 μm，沖擊速度在550 m/s以內(nèi)[1,2] 在電力、礦山、水泥等行業(yè)，沖蝕磨損普遍存在，帶來(lái)了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失

在電力、礦山和水泥等領(lǐng)域，用于制造高效、長(zhǎng)壽命粉磨設(shè)備的高鉻鑄鐵和高錳鋼等不僅依賴Cr、Mo、Ni等稀有元素，其耐磨性能也不高[3] 陶瓷/金屬復(fù)合材料綜合了陶瓷的高硬度和金屬?gòu)?qiáng)韌性 制造陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料需要Al2O3、ZTA[4]、SiC、WC、TiC等陶瓷顆粒，其基體主要有高鉻鑄鐵[5,6]、耐磨鋼等金屬材料；制備工藝有粉末冶金法、真空浸滲法和擠壓鑄造法 用粉末冶金法制備的WC、TiC金屬陶瓷因成本的限制主要應(yīng)用在刀具和鉆具等領(lǐng)域；用真空浸滲法制備的ZTA陶瓷顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵磨輥磨盤在各電廠的粉磨設(shè)備上獲得了應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益 但是，在陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料中金屬陶瓷界面的結(jié)合較弱，使陶瓷顆粒容易剝落；過高的工作溫度使金屬軟化，導(dǎo)致陶瓷顆粒增強(qiáng)效果減弱直至消失

SiC泡沫陶瓷/球墨鑄鐵三維雙連續(xù)相復(fù)合材料是一種SiC泡沫陶瓷整體增強(qiáng)球墨鑄鐵的復(fù)合材料 其中的陶瓷相與金屬相之間形成了相互貫穿和相互支撐的三維聯(lián)通網(wǎng)絡(luò) 三維空間中的每一個(gè)相都是連通的，這種結(jié)構(gòu)有助于最大限度的保留和利用兩相的優(yōu)勢(shì) 通過陶瓷相和金屬相的人工設(shè)計(jì)可以使復(fù)合材料兼具低膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、良好的耐磨性[7,8,9,10]和優(yōu)異的強(qiáng)韌性[11,12]，比傳統(tǒng)的耐磨材料有明顯的優(yōu)勢(shì)[13,14] 杜奇等[15]研究了Si3N4/1Cr18Ni9Ti雙連續(xù)相復(fù)合材料的泥漿沖蝕性能，發(fā)現(xiàn)Si3N4/1Cr18Ni9Ti雙連續(xù)相復(fù)合材料因Si3N4泡沫陶瓷的保護(hù)作用比1Cr18Ni9Ti不銹鋼具有更好的耐沖蝕性 陳亮[16]研究了用常壓澆注法制備的SiC/Fe基雙連續(xù)相復(fù)合材料并研究其摩擦性能 結(jié)果表明：SiC/Fe基雙連續(xù)相復(fù)合材料的耐磨性能是鑄鐵的2.1~7.9倍 本文以球墨鑄鐵作為基體相以SiC泡沫陶瓷為約束骨架，利用擠壓鑄造工藝制備出SiC泡沫陶瓷/球墨鑄鐵雙連續(xù)復(fù)合材料，同時(shí)制備了SiC陶瓷顆粒/球墨鑄鐵復(fù)合材料 對(duì)比研究了DI、SiCfoam/DI、SiCp/DI等復(fù)合材料的耐沖蝕性能，以期為SiCfoam/DI復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法1.1 實(shí)驗(yàn)材料選擇與制備

由于SiC與Fe基合金在高溫下發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，使陶瓷/金屬界面結(jié)構(gòu)惡化，導(dǎo)致材料機(jī)械性能下降[17,18,19] 為了阻止SiC陶瓷與球墨鑄鐵在高溫復(fù)合過程的反應(yīng)，可以對(duì)SiC泡沫陶瓷和SiC陶瓷顆粒表面進(jìn)行氧化處理 根據(jù)文獻(xiàn)[20]，將SiC泡沫陶瓷和SiC顆粒放入管式氣氛爐中，在氧氣流量為100 mL/min、溫度為1250℃的條件下氧化48 h 實(shí)驗(yàn)中使用的SiC泡沫陶瓷網(wǎng)孔尺寸直徑為2 mm；SiC陶瓷顆粒粒度為24目，二者體積分?jǐn)?shù)均為53% 圖1是復(fù)合材料制備工藝圖 所有材料的熱處理方式均為：900℃保溫1~1.5 h，水玻璃淬火，200℃保溫2 h，回火

圖1



圖1復(fù)合材料SiCfoam/DI的制備工藝

Fig.1SiCfoam/DI composite material preparation process

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自制的氣固兩相流沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，主要分為屏蔽罩和噴射裝置 屏蔽罩裝置主要用來(lái)防止產(chǎn)生煙塵和顆粒飛濺，以便試驗(yàn)后沖蝕顆粒可以回收；主體的噴射裝置模擬氣固兩相流沖蝕工況，高速氣流經(jīng)空壓機(jī)、干燥器之后進(jìn)入噴槍，同時(shí)打開料倉(cāng)的閥門，沖蝕粒子流入噴槍并從槍口的氧化鋁陶瓷噴嘴噴出，使高速氣流攜砂沖擊固定在靶臺(tái)上的塊狀材料 在實(shí)驗(yàn)過程中需要及時(shí)更換噴嘴，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性 圖2和圖3分別給出了實(shí)驗(yàn)機(jī)主體裝置及靶臺(tái)的示意圖

圖2



圖2實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

Fig.2Experimental device schematic 1-air compressor, 2-pressure vessel, 3-dryer, 4-flowmeter, 5-pressure gauge, 6-ball valve, 7-silo, 8-butterfly valve, 9-spray gan, 10-bearing, 11-fan, 12-nozzle, 13-sample stage

圖3



圖3靶臺(tái)示意圖

Fig.3Target table schematic 1-base， 2-rotary table， 3-sample table， 4-sample slot， 5-bolt， 6-scale line

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)使用的沖蝕粒子是60目的SiO2顆粒，質(zhì)量為25 kg 為了研究沖蝕粒子的沖蝕角度和速度對(duì)材料沖蝕速率的影響，選取的沖蝕角度為15°、30°、45°、60°、90°等，選取的粒子速度為50 m/s、62.5 m/s、75 m/s、87.5 m/s、100 m/s 實(shí)驗(yàn)機(jī)料倉(cāng)中的粒子出口流量為10.4 g/s 樣品尺寸為31.5 mm×31.5 mm×14 mm，沖蝕面積為31.5 mm×31.5 mm 實(shí)驗(yàn)前用砂紙打磨樣品表面，磨好后的樣品放入無(wú)水乙醇中，超聲清洗20 min，后放入120℃烘箱中烘干后取出室溫后，每個(gè)樣品用感量為0.001 mg的電子天平稱量三次取平均值 每次沖蝕實(shí)驗(yàn)后，清洗樣品、烘干，室溫后稱量三次取平均值 對(duì)于每種參數(shù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值

沖蝕速率Er=Δm/M，式中Δm為樣品的失重量；M為每次實(shí)驗(yàn)所用沖蝕粒子的質(zhì)量(25 kg)

2 結(jié)果與討論2.1 沖蝕時(shí)間對(duì)材料沖蝕速率的影響

圖4是三種材料在沖擊速率ν=75 m/s、α=30°條件下沖蝕速率隨時(shí)間的變化 從圖中可以看出，隨著沖蝕時(shí)間的增加，三種材料的沖蝕速率逐漸下降并趨于穩(wěn)定，且DI的沖蝕速率最高，SiCfoam/DI復(fù)合材料的沖蝕速率最低，三種材料的穩(wěn)定沖蝕速率分別為8.562 mg/kg、4.368 mg/kg、2.64 mg/kg

圖4



圖4三種材料α=30°、ν=75 m/s時(shí)的沖蝕速率隨沖蝕時(shí)間的變化

Fig.4Variation of erosion rate of three materials with the erosion time at α=30° and ν=75 m/s

2.2 沖蝕角度對(duì)材料沖蝕速率的影響

材料的沖蝕速率與沖蝕角度有十分重要的關(guān)系 脆性材料的沖蝕磨損速率隨著沖蝕角度的增加逐漸增大[21]；塑性材料的沖蝕磨損速率，隨著沖蝕角度的變化先增加后減小，最大沖蝕角為30°~60° 根據(jù)文獻(xiàn)[21]，材料的最大沖蝕速率對(duì)應(yīng)的沖蝕角與沖擊速度無(wú)關(guān)，選擇粒子沖擊速度為100 m/s

圖5是三種材料的沖蝕速率隨著沖蝕角度的變化規(guī)律 從圖5可以看出，DI的沖蝕速率隨著角度的增加逐漸增大 當(dāng)角度達(dá)到60°時(shí)沖蝕速率達(dá)到45.32 mg/kg，當(dāng)沖蝕角增加到90°時(shí)，沖蝕速率略有增加，呈現(xiàn)出脆性材料的沖蝕磨損規(guī)律 SiCp/DI、SiCfoam/DI復(fù)合材料在沖蝕角度為45°時(shí)，均達(dá)到最大值，其表觀沖蝕特征與均質(zhì)塑性材料相似 但SiCfoam/DI在45°~90°表現(xiàn)出對(duì)沖蝕角不敏感[22]的特征

圖5



圖5三種材料ν=100 m/s時(shí)的沖蝕速率隨沖蝕角度的變化

Fig.5Variation of erosion of three materials rate with erosion angle at ν=100 m/s

2.3 粒子沖擊速度對(duì)沖蝕速率的影響

沖蝕粒子的動(dòng)能隨著沖蝕粒子速度的增加逐漸增大，與材料表面作用的力也就越大，對(duì)材料產(chǎn)生的沖蝕磨損也越嚴(yán)重 圖6是三種材料的沖蝕速率隨粒子沖擊速度的變化規(guī)律 可以看出，隨著粒子速度的增加，DI的沖蝕速率均較SiCP/DI、SiCfoam/DI的沖蝕速率大 當(dāng)粒子速度低于87.5 m/s時(shí)，DI的沖蝕速率是復(fù)合材料的3~6倍，通過擬合，DI的沖蝕速率與ν之間的關(guān)系大致滿足Er(DI)=3.36×10-5×ν2.95；SiCP、SiCfoam/DI等復(fù)合材料的沖蝕速率差別不大，通過擬合，發(fā)現(xiàn)SiCP/DI復(fù)合材料和SiCfoam/DI復(fù)合材料的沖蝕速率與粒子速度之間的關(guān)系分別符合Er(SiCP/DI)=3.69×10-9×ν4.76和Er(SiCfoam/DI)=3.70×10-8×ν4.14

圖6



圖6三種材料α=30°時(shí)的沖蝕速率隨粒子沖擊速度的變化

Fig.6Variation of erosion rate of three materials with particle impact velocity at α=30°

當(dāng)粒子速度為100 m/s時(shí)，三種材料的沖蝕速率都顯著增加，其中DI的沖蝕速率大約分別是SiCp/DI、SiCfoam/DI的2倍和3.2倍 在高速?zèng)_刷工況下復(fù)合材料的耐沖蝕性能明顯優(yōu)于球墨鑄鐵基體，且SiCfoam/DI復(fù)合材料的耐沖蝕性能最高

3 沖蝕機(jī)理

利用掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對(duì)三種材料表面的沖蝕形貌進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)比分析材料的沖蝕機(jī)理 圖7a、b是α=30°、ν=75 m/s時(shí)DI的沖蝕形貌 沖蝕機(jī)理主要為石墨斷裂、切削、犁削等 圖7c是α=90°、ν=75 m/s時(shí)三種材料中的DI沖蝕形貌 沖蝕機(jī)理主要為微觀裂紋和沖蝕坑等

圖7



圖7α=30°、ν=75 m/s和α=90°、ν=75 m/s時(shí)DI的沖蝕形貌

Fig.7Erosion appearance of DI erosion at α=30° and ν=75 m/s (a) (b), at α=90° and ν=75 m/s (c)

DI的沖刷磨損過程分為以下幾個(gè)過程：(1)表層石墨逐漸變形[23]；(2)粒子沖擊產(chǎn)生的邊緣凸起沿沖刷方向生長(zhǎng)；(3)石墨和凸起脫落 粒子作用在材料表面的力可以分解成水平方向和垂直方向的分力 低角度時(shí)水平方向的分力與材料表面的作用占主要地位，粒子對(duì)材料表面的作用主要表現(xiàn)為微切削 隨著沖蝕角逐漸增大垂直方向的力逐漸增大，尖角粒子對(duì)材料表面的作用表現(xiàn)為產(chǎn)生微觀裂紋，鈍角粒子對(duì)材料表面的作用表現(xiàn)為產(chǎn)生沖蝕坑

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的基體材料和DI的沖蝕磨損機(jī)理相同，但切削和犁削的溝槽較淺 圖8是SiCP/DI復(fù)合材料在α=30°、ν=100 m/s條件下的沖蝕形貌 由于SiC顆粒的保護(hù)作用，減弱了球墨鑄鐵基體相的沖蝕磨損，因此磨損量相比于DI較低 隨著沖擊速度的增加，粒子的動(dòng)能增大，增強(qiáng)顆粒在沖蝕粒子的連續(xù)沖擊下出現(xiàn)破碎和脫落

圖8



圖8SiCP/DI復(fù)合材料α=30°、ν=100 m/s時(shí)的沖蝕形貌

Fig.8Erosion morphology of SiCP/DI composites with α=30° and ν=100 m/s

對(duì)于SiCfoam/DI復(fù)合材料，其獨(dú)特的雙連續(xù)相空間結(jié)構(gòu)，對(duì)金屬基體的保護(hù)作用更強(qiáng) 圖9是SiCfoam/DI復(fù)合材料在α=30°、ν=100 m/s條件下的沖蝕形貌 陶瓷相質(zhì)硬，磨損量較小，同時(shí)極大地減小了粒子的運(yùn)動(dòng)速度 DI相對(duì)SiC泡沫陶瓷屬于軟質(zhì)相，當(dāng)沖擊粒子與陶瓷作用時(shí)，產(chǎn)生的沖擊力一方面通過SiC泡沫陶瓷-界面?zhèn)鬟f到DI上，通過軟質(zhì)相的“緩沖”以及對(duì)能量的吸收，另一方面三維連續(xù)的泡沫陶瓷使沖蝕粒子的沖擊應(yīng)力分散，使得粒子對(duì)陶瓷相的傷害減輕 SiC泡沫陶瓷在空間中的連續(xù)性，以及DI對(duì)陶瓷相的支撐，在沖蝕過程中沒有出現(xiàn)類似于SiCP/DI復(fù)合材料中陶瓷顆粒的脫落，因此，與顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料相比，雙連續(xù)相復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐沖蝕性能

圖9



圖9SiCfoam/DI復(fù)合材料α=30°、ν=100 m/s時(shí)的沖蝕形貌

Fig.9Erosion morphology of SiCfoam/DI composites at α=30° and ν=100 m/s

在沖蝕磨損過程中，當(dāng)金屬基體被沖掉以后，陶瓷相高于金屬基體，對(duì)金屬基體起到很好的保護(hù)效應(yīng) 圖10是SiCP/DI復(fù)合材料和SiCfoam/DI復(fù)合材料的沖蝕磨損陶瓷增強(qiáng)相陰影保護(hù)效應(yīng)的示意圖 可以看出隨著沖蝕角度的降低，SiC陶瓷對(duì)基體的陰影保護(hù)作用逐漸增大(圖10a~b和d~e)，但SiC泡沫陶瓷具有整體增強(qiáng)機(jī)制，斷裂之后，仍然對(duì)基體有較強(qiáng)的增強(qiáng)作用和陰影保護(hù)效應(yīng)，SiC顆粒在沖蝕磨損過程中一旦出現(xiàn)剝落，SiC顆粒對(duì)周圍基體的增強(qiáng)作用消失，同時(shí)陰影保護(hù)效應(yīng)也會(huì)消失(圖10c) 由于SiC泡沫和DI兩相在空間中連續(xù)，這種結(jié)構(gòu)使得DI對(duì)SiC泡沫陶瓷具有更好的支撐效果，在SiC泡沫陶瓷被部分沖蝕時(shí)依然對(duì)DI基體提供陰影保護(hù)效應(yīng)(圖10f)，可以看出SiC泡沫陶瓷與DI這種相互增強(qiáng)方式使得SiCfoam/DI具有更好的耐沖蝕性能

圖10



圖10復(fù)合材料SiCP/DI和SiCfoam/DI的沖蝕磨損示意圖

Fig.10Schematic diagrams of erosion wear of SiCP/DI and SiCfoam/DI Composites

4 結(jié)論

采用自制的氣固兩相流沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)比測(cè)試了SiCP/DI復(fù)合材料、SiCfoam/DI復(fù)合材料和DI基體三種材料的沖蝕性能 三種材料在沖蝕的過程中都經(jīng)過一段時(shí)間后，沖蝕速率保持穩(wěn)定 保持穩(wěn)定后，SiCfoam/DI的耐磨性分別是SiCP/DI復(fù)合材料和DI的2倍和3.2倍 隨著沖蝕角度的增大，DI呈現(xiàn)出脆性材料的沖蝕特征，SiCfoam/DI、SiCP/DI等復(fù)合材料均在沖蝕角為45°時(shí)沖蝕速率達(dá)到最大值，其表觀沖蝕特征與均質(zhì)塑性材料相似 隨著粒子速度的增加，三種材料的沖蝕速率隨之增大，其中DI的沖蝕速率與ν2.95成正比，當(dāng)粒子速度小于87.5 m/s時(shí)，SiCfoam/DI復(fù)合材料和SiCP/DI復(fù)合材料的沖蝕速率與ν之間的關(guān)系分別符合Er(SiCP/DI)=3.69×10-9×ν4.76和Er(SiCfoam/DI)=3.70×10-8×ν4.14；當(dāng)粒子速度高于87.5 m/s時(shí)SiCP/DI復(fù)合材料的沖蝕速率急劇增大，SiCfoam/DI復(fù)合材料的沖蝕速率遠(yuǎn)小于SiCP/DI復(fù)合材料的沖蝕速率 三種材料中DI的磨損方式均為低角度時(shí)為塑性變形和微切削，高角度時(shí)為沖蝕坑、微觀裂紋 由于復(fù)合材料中陶瓷相的保護(hù)作用和陰影效應(yīng)，基體的磨損較輕 由于SiC顆粒在基體中的非連續(xù)、彌散分布，粒子高速?zèng)_擊時(shí)易于碎裂脫落，使復(fù)合材料的磨損量增大；SiCfoam/DI復(fù)合材料具有獨(dú)特的三維雙連續(xù)相空間結(jié)構(gòu)，泡沫陶瓷能通過整體增強(qiáng)作用和陰影保護(hù)效應(yīng)減小了粒子對(duì)基體的磨損，從而提高了SiCfoam/DI復(fù)合材料的耐沖蝕性能

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2016