纯钛空化水喷丸表面强化及空蚀损伤

采用空化水喷丸技术对工业纯钛表面进行强化处理,研究表面强化机理及空蚀过程。通过显微硬度仪、光学显微镜对空化水喷丸后试样的表面硬度、显微组织、表面形貌和表面粗糙度进行分析。结果表明:具有密排六方结构的纯钛经过水喷丸处理后,试样表面强化层有大量的变形孪晶和次生孪晶。试样表面硬度最大可提高118HV0.2,而表面粗糙度Ra仅为2.1μm,这说明空化水喷丸对纯钛表面的强化效果显著,而且表面损伤较小。在30MPa水喷丸压力下,纯钛水喷丸最佳时间为80min,强化效果最好。水喷丸后试样的强化表面可分为A、B和C 3个区域。A区表面空蚀最严重,空蚀坑小而密集,B区和C区因受到二次射流的作用,空蚀坑具有明显的方向性。     

射流压力对淹没水射流冲击与空蚀效果的影响

目的探究淹没水射流对铝合金及铜合金材料的冲击与空蚀作用。方法为获得关键射流工况参数对射流冲击和冲蚀效果的影响,对射流压力、冲击时间和靶距的作用进行了研究。在较低压力条件下对材料表面的残余应力进行测量与分析;在较高压力时对材料表面的破坏形貌进行观测。结果残余应力随射流压力的增加而增加,当冲击时间为20 min,射流压力为40 MPa时,残余应力达到最大值91 MPa;在空蚀作用初期,试样表面出现尺寸较小、呈离散分布的空蚀坑,其为离散空泡冲蚀所致。随着空蚀作用的增强,材料表面的空蚀坑增大,同时出现塑性变形,当冲击压力为300 MPa,靶距为7cm,冲击时间为15 min时,达到最显著冲击效果。结论当压力较小时,淹没水射流可以强化金属表面;当压力较大时,淹没水射流可以使金属表面产生空蚀坑和塑性变形。尽管淹没水射流具有连续的射流速度分布,但材料表面的破坏更多地取决于空化现象。     

文摘辑要

正纯钛空化水喷丸表面强化及空蚀损伤采用空化水喷丸技术对工业纯钛表面进行强化处理,研究表面强化机理及空蚀过程。通过显微硬度仪、光学显微镜对空化水喷丸后试样的表面硬度、显微组织、表面形貌和面粗糙度进行分析。结果表明:具有密排六方结构的纯钛经过水喷丸处理后,试样表面强化层有大量的变形孪晶和次生孪晶。试样表面硬度最大可提高118 HV,而表面粗糙度Ra仅为2.1μm,这说明空化水喷丸对纯钛表面的强化效果显著,而且表面损伤较小。在30 MPa水喷丸压力下,纯钛水喷丸最佳时间为80 min,强化效果最好。水喷丸后试样的强化表面可分为A、B、C 3个区域。A区表面空蚀最严重,空蚀坑小而密集,     

NaCl溶液腐蚀后304不锈钢的射流空蚀特征

对采用3%NaCl溶液腐蚀后的304不锈钢试样,借助符合ASTM G134标准的射流空蚀实验装置进行空蚀实验,测量表征试样的质量损失、表面微观组织、表面三维形貌和显微硬度,分析304不锈钢试样的空蚀特征,探究腐蚀时间和空蚀时间对空蚀效果的影响。结果表明,腐蚀时间为24 h的试样,空蚀120 min后即进入空蚀衰减阶段。在空蚀前期,空蚀坑的尺寸小且深度较浅;空蚀后期,试样表面的塑性变形加重,大尺寸空蚀坑增多,晶界处的微裂纹沿晶界扩展,最终空蚀坑之间相互连接导致试样表面出现晶界剥落现象。试样的表面粗糙度随着空蚀时间延长而增大;未经3%NaCl溶液腐蚀时的表面粗糙度最大。空蚀时间为120 min时,腐蚀时间为120 h的试样,其表面塑性变形较腐蚀时间为24 h的试样加剧,且晶界处出现微裂纹。3%NaCl溶液的腐蚀起到延缓空蚀的作用,但延缓程度随着腐蚀时间的延长而减小。     

低碳钢与304不锈钢的超声空蚀机理对比研究

目的研究低碳钢及304不锈钢在蒸馏水中的超声空蚀行为及损伤机理,并评价低碳钢及304不锈钢的抗空蚀能力,为抗空蚀材料的选择提供依据。方法采用符合ASTM国际标准的超声空蚀实验装置,开展低碳钢及304不锈钢在蒸馏水中不同时间的超声空蚀实验,从累积质量损失(失重)、累积质量损失率(失重率)、试样表面形貌和残余应力等方面对两种材料的超声空蚀行为进行描述和对比分析。结果低碳钢试样空蚀开始15 min后进入空蚀加速期,在90 min左右存在较短的空蚀稳定期,而后迅速进入空蚀衰减期;304不锈钢试样在空蚀30min内累积失重率变化缓慢,之后随着空蚀时间的延长而急剧增加,在120min后进入空蚀衰减期。低碳钢与304不锈钢的空蚀变形机制以滑移为主。随着空蚀的发展,低碳钢晶粒经历了晶粒取向→晶粒细化→晶界开裂→晶粒碎化→剥落的变化过程。而在同等实验条件下,304不锈钢试样的变化相对滞后,且残余应力值较大。结论由于空蚀裂纹在304不锈钢中的深层扩展受到奥氏体相的阻碍,从而对空蚀的发展产生关键的抑制作用,使得304不锈钢的抗空蚀能力较强。     

表面微结构的宽深比与占空比对马氏体不锈钢空化和空蚀的影响

目的 探究表面微结构尺寸变化对空蚀过程的影响以及作用机制。方法 根据点阵型表面微结构的截面形状,改变其宽深比和占空比,用Gambit对其建立二维平面模型。使用Fluent软件对不同尺寸下微结构模型的空蚀过程进行模拟计算,得到绝对压力、含汽率以及气泡运动速度等参数。最后根据模拟计算的结果,在样品表面加工出不同占空比的微结构,使用磁致超声振动空化设备,在与数值模拟相同环境条件下进行空蚀试验,采用失重法对模拟结果进行验证。结果 数值模拟分析显示,微结构的宽深比和占空比对空蚀过程均有影响。当宽深比小于2.5时,微结构底面的含汽率降至0.1以下,沟槽内形成一层“液垫”,减缓了空蚀。相较于其他占空比,当占空比为0.91时,含汽率最小,保持在0.4以下,样品表面同样形成“液垫”,缓冲了气泡溃灭时作用在材料表面的冲击力。此外,随着占空比的增大,微结构表面的绝对压力与液体的饱和蒸汽压差距增大,降低了空化程度,同样起到了减缓空蚀的作用。不同占空比下的微结构样品和光滑样品的空蚀试验结果表明,微结构样品的空蚀质量损失均小于光滑样品的空蚀质量损失,且当占空比为0.91时,空蚀质量损失最小,为5.95 mg,远小于占空比为0.71和0.38时,微结构样品。同样证明了表面微结构占空比越大,材料的耐空蚀性能越好。结论 微结构宽深比主要影响微结构底面的含汽率,而占空比影响样品表面的绝对压力和微结构顶面的含汽率。相较于光滑表面,微结构样品可以有效减缓马氏体不锈钢的空蚀损伤。当宽深比较小、占空比较大时,材料表面的含汽率保持在较低的水平,有利于减缓空蚀损伤。     

ZCuAl8Mn14Fe3Ni2合金的磨蚀

利用高速旋转圆盘对船用螺旋桨材料ZCuAl8Mn14Fe3Ni2合金进行空蚀、冲蚀和磨蚀试验.结果表明,ZCuAl8Mn14Fe3Ni2合金的磨蚀率为16.38mm3/h,高于纯空蚀率和纯冲蚀率,其中空蚀与冲蚀交互作用所造成的损失率占到磨蚀率的56.96%.磨蚀试样的表面形貌和粗糙度接近于冲蚀试样表面,说明在磨蚀过程中,冲蚀和空蚀的交互作用主要表现在空化改变了沙粒的冲击方向,促进了冲蚀过程,使损伤程度增大.     

高铬铁基等离子束表面冶金层的耐空蚀性能研究

用等离子束表面冶金法在低碳钢表面制备了高铬铁基冶金层,采用光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、超声振荡磁致伸缩仪等研究了冶金层的组织形态和耐空蚀性能;用扫描电子显微镜对空蚀过程中冶金层的形貌变化进行了跟踪观察,并对空蚀破坏的过程进行了分析.结果表明,Fe-Cr-Ni-B-Si-C冶金层有较高的显微硬度,经42 h空蚀试验后累积的质量损失量为0Cr13Ni6Mo不锈钢的1.227倍,具有一定的耐空蚀性能.加入0.17wt%的RE后冶金层晶粒细化,组织均匀致密,显微硬度明显提高,经42 h空蚀试验后累积的质量损失量仅为0Cr13Ni6Mo不锈钢的0.507倍,耐空蚀性能有显著改善.     

TC4钛合金在溴化锂水溶液中的空蚀行为

利用超声波气蚀试验机研究了TC4钛合金在温度为25℃蒸馏水和38%溴化锂水溶液中的空蚀行为。利用扫描电镜跟踪观察了空蚀形貌,测量了空蚀条件下的累积失重以及表面粗糙度的变化,对比了其在溴化锂溶液中静态和空蚀条件下的动电位极化曲线。结果表明,在空蚀相同时间条件下,TC4在溴化锂溶液中的累积失重量相比蒸馏水中有所升高。与静态相比,空化使TC4的自腐蚀电位正移近230mV,电化学腐蚀速率增加一个数量级。两种介质中的空蚀形貌相似,都是由初期出现裂纹和蚀坑发展到后期的蜂巢状结构。在溴化锂水溶液空蚀过程中,力学因素是造成腐蚀磨损失重的主要因素,但在交互作用中腐蚀对空蚀的促进作用更为明显。     

表面纹理和表面膜对Ti6Al4V合金空蚀特性的影响

为研究表面纹理和表面膜对材料抗空蚀特性的影响,采用激光表面改性的方法对Ti6Al4V合金进行纹理加工,在纹理加工试样上采用自组装技术制备自组装分子膜。采用接触角测量表征试样的表面特性,通过对试样的抗空蚀特性进行测试和对试样空蚀前后的表面形貌进行观测,分析试样的空蚀发生机制。结果表明,Ti6Al4V试样上激光加工表面纹理可显著提高其抗空蚀能力,纹理加工试样上制备自组装分子膜,由于具有疏水特性可以进一步改善试样的抗空蚀能力;网格纹理试样的抗空蚀能力由于表面硬度高、硬度梯度大及突起高硬度点分布均匀而强于直线纹理试样;沉积薄膜纹理试样的抗空蚀能力随着间距的增大而增大,未沉积薄膜试样的抗空蚀能力随着间距的增大而减小。     

超声辅助微细磨料水射流加工装置的研制及实验研究

为了提高磨料水射流的加工性能,设计了超声辅助微细磨料水射流加工系统,磨料供给采用前混合方式。超声喷嘴装置是该系统的关键,并研究了其加工机理,利用超声振动产生具有空化效应的脉冲水射流,通过脉冲射流的高强度动压力作用和空化作用以提高磨料水射流的加工能力。变幅杆是超声装置的核心部件,通过有限元分析验证变幅杆的性能,确保变幅杆能够有效且准确地工作。冲蚀实验证明:超声振动作用可以提高冲击力及材料去除率。然而,随着振幅的增加,表面质量下降。     

铅黄铜合金在不同液体介质中的超声空蚀行为及机理

目的探讨铅黄铜合金在不同液体介质中的超声空蚀行为及机理。方法利用超声波振动空蚀装置,分别研究铅黄铜材料在去离子水、自来水以及3.5%NaCl溶液中的超声空蚀行为,借助金相显微镜、体视显微镜、扫描电子显微镜以及显微硬度计检测空蚀后的材料表面参数。结果经过300 min空蚀作用后,铅黄铜试样在自来水中的累计质量损失最大,在3.5%NaCl溶液中的累计质量损失最小,在去离子水中的累计质量损失居中。铅黄铜在去离子水和自来水中空蚀初期主要表现为大量的塑性变形,裂纹在晶界处萌生并沿横向和纵向不断扩展,蚀坑细小且形状不规则。在3.5%NaCl溶液中,铅黄铜空蚀初期的塑性变形和裂纹发展不明显,但有明显的选择性空蚀倾向,蚀坑形状以唇状为主,蚀坑口径更大,深度更深。铅黄铜在3种液体介质中空蚀后都产生了几百微米的加工硬化层,其中,在3.5%NaCl溶液中空蚀后的硬化层最厚,最大硬度值增幅达13.6%。随着空蚀时间的延长,材料近表层逐渐软化。结论铅黄铜在3种液体介质中的抗空蚀性能高低顺序为3.5%NaCl溶液去离子水自来水。     

Cavitation erosion behavior of nickel-aluminum bronze weldment

1　INTRODUCTIONCavitationreferstothenucleationandgrowthofcavitiesorbubblesinfast flowingorvibratingliquidwhenthelocalpressureintheliquiddropsbelowacertainlevel.Thesebubbleswillimplodeorcollapsewhentheyaretransportedtoahighpressureregion .Thecollapseofbubblesisaccompaniedbytheemis sionofshockwavesandmicro jets ,whichwillexertstresspulsesonasolidsurfaceinthevicinity .Repeti tionsofsuch pressure pulsesonsolidsurfaceswilleventuallyresultinfatiguefailureandmassloss ,andsuchamodeofdamageisknown…     

高压磨料水射流加工中材料去除机理研究

本文根据脆、塑性断裂理论,通过高压纯水射流和磨料水射流对石材冲蚀试验,对冲蚀凹坑成型机理进行了研究。结果表明,高压纯水射流只有不发散的中心射流对材料具有去除作用。高压磨料水射流对材料表面冲击时形成"倒钟"型孔,材料去除机理是在成穴力、剪切应力和水楔的共同作用下,以脆性和塑性断裂方式实现去除。磨料水射流对材料的冲蚀区分为中心射流区、成穴区和喷砂区,材料的主要体积去除量处在成穴区。磨料水射流加工孔的直径和深度随靶距的增加而增加。磨料水射流从射流中心沿径向至射流边缘流速逐渐降低,磨料浓度逐渐增大,但射流能量最高的部位既不在射流中心也不在磨粒集中的射流边缘,而是在成穴区。     

Erosion resistance of laser clad Ti-6Al-4V/WC composite for waterjet tooling

In waterjet operations, milled surfaces are left with some undesirable dimensional artefacts, thus the use of abrasion resistant mask has been proposed to improve the surface quality of machined components. In this study, the erosion performance of laser clad Ti-6Al-4V/WC composite coating subjected to plain water jet (PWJ) and abrasive water jet (AWJ) impacts to evaluate its potentials for use as waterjet impact resistant mask material and coating on components was investigated. Results showed that composite with 76 wt.% WC composition subjected to PWJ and AWJ impacts offered resistance to erosion up to 13 and 8 times that of wrought Ti-6Al-4V respectively. Scanning electron microscopy (SEM) examination of the eroded composite surfaces showed that the erosion mechanism under PWJ impacts is based on the formation of erosion pits, tunnels and deep cavities especially in the interface between the WC particles and the composite matrix owing to lateral outflow jetting and hydraulic penetration. Composite suffered ploughing of the composite matrix, lateral cracking and chipping of embedded WC particles and WC pull-out under AWJ impacts. The composite performance is attributed to the embedded WC particles and the uniformly distributed nano-sized reaction products (TiC and W) reinforcing the ductile β-Ti composite matrix, with its mean hardness enhanced to 6.1 GPa. The capability of the Ti-6Al-4V/WC composite coating was demonstrated by effective replication of a pattern on a composite mask to an aluminium plate subjected to selective milling by PWJ with an overall depth of 344 μm. Thus, composite cladding for tooling purpose would make it possible to enhance the lifetime of jigs and fixtures and promote rapid machining using the water jet technique.     

Surface Erosion of Carbon Steel 1045 During Waterjet Peening

The present study investigates the effect of waterjet treatment on the surface characteristics of the carbon steel 1045. The effect of waterjet treatment parameters namely number of jet passes and pressure was investigated. An increase in the number of jet passes as well as pressure leads to a higher roughness and more erosion of the surface. The damage features consist of various fracture mechanism modes occurred at the initial and evolved damage stage. The ferrite phase experienced more damage than the pearlite phase. However, the damage was more concentrated along the grain boundaries. The shearing force from the jet lateral flow raised the circumferential rim and created lateral cracks and sub-tunnels which might eventually be removed in the subsequent jet passes. The hardness of the treated specimens increased with an increase in the number of jet passes and pressure.     

Ti-6Al-4V合金表面渗层制备及空蚀性能研究

目的利用化学热处理对钛合金表面进行扩渗处理,制备硬质表面渗层,以提高钛合金抗空蚀能力。方法采用氮气气氛下渗铝工艺对Ti-6Al-4V合金退火试样进行表面处理,获得硬质表面渗层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪和显微硬度计表征分析表面渗层的物相组成、微观结构、元素分布及力学性能。利用超声波振动空蚀试验机,按照ASTM G32标准,测试表面渗层在去离子水中的空蚀性能,并结合空蚀后表面形貌和元素分布,研究分析其空蚀机理。结果扩渗处理在Ti-6Al-4V合金表面生成了具有较高显微硬度的表面渗层,其由最外面的化合物层和内部的扩散层构成。在1023 K温度下处理1 h的试样,其表面渗层均匀、致密、无微裂纹,在去离子水中空蚀12 h的累积质量损失最小,为未处理试样的18%,抗空蚀性能最好。随着处理时间的延长和处理温度的升高,渗层表面变得不平整,且表面凸出的硬质陶瓷颗粒物增多。硬质陶瓷颗粒物虽显著增加试样的显微硬度,但易诱发空泡生成,使抗空蚀性能变差。结论氮气下渗铝处理在Ti-6Al-4V合金表面获得的表面渗层可以改善合金的抗空蚀性能,而表面凸出的大小不均的硬质陶瓷颗粒物使表面渗层的抗空蚀性能减弱。     

焊后热处理对CLAM钢焊接接头耐液态铅铋合金空泡腐蚀性能的影响

加速器驱动次临界系统的冷却剂液态铅铋共晶合金在循环管道中高速流动时会对主泵叶轮及第一壁包层材料造成空泡腐蚀.焊接接头是整个循环管道中的薄弱环节,但合理的焊后热处理是提高循环管道中焊缝区域性能最有效的方法.自主设计一套装置用于金属溶液空泡腐蚀试验.对各组试样不同时间空泡腐蚀后的表面形貌、粗糙度、空蚀坑平均深度进行分析,再结合焊后热处理后的焊缝微观组织及力学性能,对空泡腐蚀行为及耐空蚀性能提高机制进行分析.结果表明,调质后焊缝耐空蚀性能最好;760℃回火后耐空蚀性能也比较好;710℃与810℃回火后耐空蚀性能稍差;未焊后热处理焊缝耐空蚀性能最差.