DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响

为提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能,采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)离子源注入与磁过滤真空阴极弧(FCVA)沉积复合技术、磁控溅射技术在TC4钛合金表面制备DLC、TiN涂层。采用SEM、Raman、XRD、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的物相结构、硬度、弹性模量以及与基体的结合力进行表征。在冲蚀试验平台上考核试样在不同入射角度条件下的抗砂尘冲蚀性能。结果表明:DLC涂层表面结构致密,含有大量sp3键,硬度为62.1 GPa,弹性模量为391.64 GPa,结合力达80.4 N;TiN涂层表面存在许多熔滴颗粒及空穴,硬度为22.72 GPa,弹性模量为383.18 GPa,结合力达34.7 N。30°冲蚀条件下,涂层主要是通过提高基体表面硬度来抵抗砂尘粒子的微切削作用,从而提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能。90°冲蚀条件下,涂层通过延缓基体的塑性变形来实现TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的提高。     

TC4钛合金表面固体粒子冲蚀损伤行为及机理研究

目的 探究TC4钛合金在固体粒子冲蚀下的损伤行为,揭示钛合金表面的冲蚀机理。方法 采用自主搭建的冲蚀试验装置,以TC4钛合金为研究对象,综合运用正交试验法和控制变量法开展常温干砂粒冲蚀试验。通过扫描电镜综合分析冲蚀区域表面和截面的微观形貌,采用能谱仪分析冲蚀区域元素的组成,利用电子天平测量冲蚀磨损质量;讨论工艺参数对钛合金损伤行为及冲蚀机理的影响。结果 相较于冲砂量和冲蚀角度,冲蚀距离对冲蚀量的影响更大;冲蚀量随着冲蚀角度的增加呈先增大后减小的趋势,在40°附近达到峰值。结合数值模拟和试验研究结果发现,钛合金的损伤形式和冲蚀机理与冲蚀角度密切相关,在低攻角时形成了较狭长的犁沟和挤压唇,发生了明显的塑性变形,容易产生二次撞击,表现为微切削机制;在中攻角时,微切削与锤击效应共存,损伤最为严重;在冲蚀角度为90°时,形成了较多的撞击坑、挤压唇及少量的疲劳剥层,主要为锤击效应引起的疲劳破坏。在低攻角时,磨料动能损失较小,随着冲蚀角度的增加,磨料动能损失增大,且在不同攻角下均有破碎磨料嵌入基体。结论 冲蚀距离和冲砂量对钛合金冲蚀损伤的影响较为显著,冲蚀角度会影响钛合金的冲蚀机理,此研究结论可为钛合金结构件抗冲蚀设计提供理论依据。     

钛合金表面CrAlTiN单层涂层冲蚀损伤机理研究

目的主要开展钛合金表面制备Cr Al Ti N单层涂层后的撞击实验,探究不同条件下钛合金表面的冲蚀损伤规律,揭示钛合金表面的冲蚀损伤机理。方法采用多弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备Cr Al Ti N单层涂层,并利用空气炮发射速度为300m/s的单个钢珠,在不同角度(30°、45°、60°、90°)下对涂层进行撞击损伤模拟。采用扫描电镜对撞击形貌进行观察,结合撞击表面的元素分析结果,探究钢珠撞击涂层表面的冲蚀损伤机理。结果 90°攻角下,涂层的破损主要由撞击产生的裂纹和涂层表面"液滴"的剥落共同作用引起。45°、30°攻角与60°攻角的撞击相似,损伤主要由两部分组成:一部分是垂直作用产生的裂纹和撞击导致的液滴剥落引起的涂层损伤;另一部分是切向作用引起的摩擦磨损和摩擦过程中产生的温度效应导致的钢珠熔覆。能谱图点44处主要含有Fe2O3、Ti N两种物质,说明该点的涂层已经破坏,并且在切削磨损的同时,钢珠撞击的损伤还伴随着氧化磨损。结论在300m/s的速度下,冲蚀损伤最严重部位为钢珠与涂层接触部位。冲蚀过程中会因温度效应使钢珠熔覆在涂层表面,涂层表面越粗糙,则熔覆物越多。涂层的损伤主要源于垂直分量导致裂纹的萌生和切向的犁削作用。     

TC4钛合金表面渗碳复合TiN(Ti)膜层的抗冲蚀性能研究

硬质膜层能够显著提高飞机发动机钛合金叶片的抗固体颗粒冲蚀性能,现有的软基体/硬膜层体系由于较高的脆性及界面不匹配性很容易被冲蚀,膜基界面极易发生脆性剥落。为了改善硬质膜层的抗冲蚀性能,结合辉光离子扩渗及等离子增强电弧离子镀技术,本文在TC4合金表面制备了具有梯度渗碳及TiN(Ti)膜层的复合渗镀层,并表征了结构对于复合渗镀层性能的影响。结果表明,相对于未强化的TC4基体表面单层TiN及12周期复合Ti/TiN膜层,复合渗镀层的显微硬度及膜基结合强度均同步得到了提高。冲蚀试验结果表明,TC4基体未渗碳前,表面单层TiN膜层呈现出脆性冲蚀开裂机制,12层复合Ti/TiN膜层由于多层复合结构的增韧效应,呈现出层状剥落及“冲蚀窝”损伤形貌。渗碳后,复合渗镀层的抗冲击韧性得到提高,单层TiN膜层在冲蚀条件下的膜基界面脆性开裂明显被抑制。渗碳复合12周期复合Ti/TiN结构的复合渗镀层具有最佳的抗固体颗粒冲蚀性能,表现出明显的韧性损伤机制,冲蚀失重率降低了十余倍。抗冲蚀性能的提高可归结于复合渗镀层较高的表面硬度、界面强度和强韧性匹配。     

TC4钛合金表面TiAlN/Ti涂层的抗冲蚀性能研究

目的 通过明晰TC4钛合金表面不同结构的TiAlN/Ti涂层的冲蚀机制,为提高TC4钛合金的抗冲蚀性能、制备具有良好冲蚀性能的涂层奠定基础.方法 采用磁过滤真空阴极弧(FCVA)与金属蒸汽真空弧(MEVVA)技术,按照一定方式在TC4钛合金表面制备相同厚度不同层数的TiAlN/Ti涂层,采用扫描电镜(SEM)、光学显微镜、纳米压痕仪,对TiAlN/Ti涂层的微观结构和力学性能进行表征和分析.采用冲蚀试验平台,通过参数的调整来模拟沙尘环境,开展TC4钛合金和TiAlN/Ti涂层的冲蚀试验,计算获得冲蚀率.采用Proto-LXRD应力仪测试分析冲蚀前后TiAlN/Ti涂层的残余应力,利用SEM对涂层的冲蚀形貌进行表征和分析,并探讨涂层冲蚀损伤机理.结果 相比于TC4基体试样,层数为4、8、12层的TiAlN/Ti涂层试件冲蚀后的质量损失分别降低了86.9％、91.3％和94.0％,残余压应力分别增加了34、135、203 MPa.对比冲蚀区表面形貌,当涂层的层数为4层时,冲蚀区涂层脱落明显;当涂层层数为8层时,冲蚀区涂层局部有脱落;当涂层层数为12层时,冲蚀区涂层脱落不明显,对基体的防护较好.结论 MEVVA离子源注入技术显著提高了涂层的致密度和涂层与基体间的结合力.TiAlN/Ti涂层能显著改善试样的表面性能.相同涂层厚度下TiAlN/Ti涂层的层数越多,H3/E2值越大,抗冲蚀性能越优异.     

钛合金及其表面沉积Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜的冲蚀行为

采用多弧离子镀技术在TC11钛合金表面制备了厚度为18.7 μm的Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜,用45 μm白刚玉通过微喷砂试验机评价TC11钛合金及Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜在30°和90°攻角下的抗冲蚀性能,并分析其冲蚀机理.结果表明:30°攻角下,冲蚀砂量为70 g时,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜被冲破,此时该多层膜的冲蚀坑深度为21.88 μm,TC11钛合金基材为269.9 μm.90°攻角下,冲蚀砂量为20 g时,Ti/TiN/Zr/ZrN多层膜被冲破,此时该多层膜的冲蚀坑深度为8.95 μm,TC11钛合金基材为46.96 μm.30°攻角下,钛合金的冲蚀以微切削为主,多层膜以微切削和微断裂为主.在90°攻角下,钛合金的冲蚀以点坑冲蚀为主,多层膜以裂纹萌生扩展和点坑冲蚀的混合冲蚀为主.     

不同热处理TiN/Ti多层涂层冲蚀损伤特征与机理

目的 通过研究分析不同热处理TiN/Ti多层涂层在冲蚀作用下的损伤特征,揭示不同热处理TiN/Ti多层涂层冲蚀损伤的机理。方法 采用磁过滤阴极真空弧沉积技术在TC4钛合金表面制备TiN/Ti多层涂层,利用热处理炉对试样进行不同的热处理(300℃/40 min,空冷;400℃/40 min,空冷;300℃/40 min,空冷+300℃/40 min,空冷),采用划痕仪、显微硬度计、扫描电镜、能谱仪等设备对热处理试样涂层的结合力、显微硬度、涂层损伤形貌特征、元素分布等进行表征,并在冲蚀试验平台上通过砂尘冲蚀性能试验(速度130m/s,角度45°)进行验证。结果 TiN/Ti多层涂层在低温(≤400℃)下经短时间热处理后,涂层的物相未发生变化,仍以TiN(111)、TiN(200)、TiN(220)和TiN(311)为主,涂层结构完整,最外层的TiN涂层没有发生氧化现象,涂层结合力基本未发生改变,显微硬度略有下降,由2 764.1HV分别降至2748.9HV、2 493.2HV、2 255.2HV。TiN/Ti多层涂层的抗冲蚀性能变化不大,冲蚀速率由0.117 mg/min分别变为0.100...     

冻融循环-紫外辐照复合侵蚀下钢化玻璃表面受风沙冲蚀损伤的力学机理

目的研究冻融循环-紫外辐照复合因素侵蚀作用对钢化玻璃抗冲蚀性能的影响,并探究钢化玻璃表面冲蚀损伤的力学机理。方法根据内蒙古中西部地区风沙环境特征,对冻融循环-紫外辐照复合因素侵蚀作用下的钢化玻璃进行风沙冲蚀试验,并结合接触力学、断裂力学、摩擦学理论,在单颗粒冲蚀普通环境钢化玻璃的情况下,分析钢化玻璃冲蚀损伤的一般力学机理,应用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(LSCM)分析二维、三维损伤形貌,并与理论分析进行对比。结果钢化玻璃冲蚀率随着冻融循环次数及紫外辐照等效时间的增加而增加。冲蚀速度由14 m/s增加到30 m/s时,钢化玻璃冲蚀率从0.010 mg/g增加到0.768 mg/g。冲蚀角度由15°增加到90°时,钢化玻璃冲蚀率从0.004 mg/g增加到0.453 mg/g。结论冻融循环-紫外辐照复合侵蚀作用会使钢化玻璃的抗冲蚀性能减弱。冲蚀速度的增大会使冲蚀颗粒在钢化玻璃表面产生更大的冲击接触力,使压痕深度和径向裂纹增大,从而使钢化玻璃在颗粒反复冲击下的剥落材料体积增大,故冲蚀率随冲蚀速度的增大而增大,高冲蚀速度下钢化玻璃表面压痕深度及径向裂纹长度的增长率更快,故钢化玻璃冲蚀率在高冲蚀速度下增长更快。钢化玻璃冲蚀率随着冲蚀角度的增大而增大,钢化玻璃在中高角度下的冲蚀机理为微观切削原理,冲蚀范围较广,冲蚀深度较浅,极高角度下的冲蚀机理为压痕断裂,冲蚀范围较为集中,冲蚀深度较大。     

真空退火对TC4钛合金表面Ti/TiN多层复合涂层性能的影响

金属基体材料表面硬质膜层在服役过程中,残余应力在膜基界面以及膜层内部界面之间的积聚会导致膜层发生界面剥落失效。以TC4钛合金基体表面Ti/TiN多层复合膜层为研究对象,探讨真空退火对复合膜层结构及性能的影响,并表征退火前后复合膜层的界面划痕失效以及抗粒子冲蚀性能。结果表明,真空退火促进了膜层内部以及膜基界面两侧原子的热扩散,使得界面结构特征明显弱化。界面状态的改变使得复合膜层的表面显微硬度降低以及膜基结合强度提高。在划痕载荷作用下,复合膜层抵抗裂纹沿界面扩展的能力得到增强。真空退火有助于提高膜层的强韧性匹配,可有效抵抗小角度冲蚀粒子的犁削以及大角度粒子冲蚀下的疲劳,因此Ti/TiN多层复合膜层表现出较好的抗冲蚀性能。     

固液两相流管道冲蚀试验分析及防护方案

目的 分析液相流动、颗粒、管道结构参数对固液两相流弯管冲蚀的影响,设计一种弯管防蚀减磨防护方案。方法 通过循环管路试验分析流速、颗粒粒径和颗粒形状对弯管冲蚀率的影响,并通过数值模拟探讨渐扩式防护方案对固液两相流在弯管段流场分布的影响。结果 采用失重法分析试验结果,在含砂(质量分数2.5%,砂粒直径20~40目)的X80钢管结构下,冲蚀后贴片的质量损失率达到6.85%。经分析,试验贴片表面的主要损伤特征为弯头外拱壁的冲蚀率高于内拱壁,两侧壁面的质量损失率介于内外壁之间。采用数值模拟渐扩管(3∶4、3∶5、1∶2)对冲蚀的影响,在高流速(2.5 m/s)时,扩径比为1∶2渐扩管的冲蚀率下降了约30%,效果最为明显;在流体流速低于0.5 m/s时,粒径为200 μm的颗粒沉积增大了弯管外壁的局部磨损。尖角颗粒和球形颗粒对壁面的冲蚀效果不同,模拟的壁面冲击力有明显区别。结论 弯管段是典型的三维螺旋流动,在弯管段外拱壁的壁面附近为流动的高压低速区,内拱壁面附近流动为低压高速区。在冲蚀–腐蚀交互的过程中,管道外拱壁的局部损伤主要是因多次受到固体颗粒的冲击而积累的冲刷和磨损作用,内拱壁的损伤机理以腐蚀增重作用更为显著,而固体颗粒受到流体沿管壁方向轴对称的二次流剪切作用,对管道两侧壁面的损伤主要贡献了犁削和磨蚀作用,颗粒形状也影响了壁面损伤机制。防护方案是弯管段采用渐扩段圆管。数值试验表明,在颗粒粒径和流速一定时,采用特定比例的渐扩弯管段降低了流体通过弯管时的流速和湍流强度,能够达到减小冲蚀率的效果。     

材料冲蚀磨损的数值模拟研究现状及展望

总结了几种经典的冲蚀磨损理论模型,分析了各个模型的优缺点,认为至今仍没有一个公认的普遍适用的理论模型可用于预测材料的抗冲蚀性能。综述了国内外冲蚀磨损数值计算模型,发现以往的冲蚀数值模型很少涉及到温度对冲蚀的影响,对多粒子冲蚀的模拟与实际工况仍存在较大差距。介绍了冲蚀模拟中对冲蚀模拟的准确性具有至关重要作用的关键技术,包括材料本构模型、失效准则、数值计算算法,接触计算算法等,最后提出了冲蚀磨损今后的研究和发展方向。     

高速固体颗粒冲击下30CrMo钢的冲蚀机理测试研究

目的 随着中国西北部地区油气勘探开发难度不断增加,钻井井控装置的节流管汇面临日益严重的高速颗粒冲蚀磨损问题,为有效支撑节流管汇的冲蚀预测、结构优化以及防冲蚀措施制定等工作的开展。方法 依据标准ASTM-G76,采用气-固喷嘴冲蚀试验法,使用空气射流冲蚀试验机,开展了节流管汇材料30CrMo钢的冲蚀试验,并利用三维显微镜、扫描电镜（SEM）等设备,对试验结果进行了失重分析、三维轮廓分析和微观形貌分析。结果 冲蚀速率随冲击角（15°～90°）增加而减小,随颗粒冲击速度（107～149 m/s）增加而增大;冲蚀面积随冲击角增加而减小,几乎不随颗粒冲击速度变化;冲蚀深度随冲击角增加而先增大后减小（在60°冲击角附近最大）,随颗粒冲击速度增加而增大;30CrMo钢的冲蚀机制受冲击角影响,不受颗粒冲击速度影响;在低冲击角（15°、30°）下以犁削机制为主,在中等冲击角（45°）下以犁削、压实与开裂的混合机制为主,在高冲击角（60°、90°）下则以压实与开裂机制为主。结论 高速固体颗粒冲击下30CrMo钢的材料移除过程为典型的塑性材料冲蚀行为;冲击角通过冲蚀机制影响冲蚀速率,颗粒冲击速度通过颗粒冲击...     

储气库管柱冲蚀理论及预测研究进展

储气库的管柱冲蚀规律较复杂,且冲蚀预测难度较大,开展循环注采工况下的储气库管柱冲蚀理论、冲蚀预测方法研究具有必要性及迫切性。目前,针对储气库强采强注工况下的管柱冲蚀报道极少。综述了塑性材料及气主导体系管柱冲蚀机理、冲蚀预测方法,对保障储气库管柱注采安全具有一定借鉴意义。以塑性材料冲蚀机理为出发点,详细介绍了适用于管柱塑性材料的微切削、变形切削、挤压-薄片、局部变形、二次冲蚀及靶面热熔等六大典型冲蚀理论,并汇总其优缺点。指出适用于储气库管柱的冲蚀准则（材料的临界冲蚀流量、临界冲蚀流速、表面延展性、质量损失、体积损失、强度衰减）及冲蚀表征指标（冲蚀比、临界塑性应变、冲蚀损失率、材料剩余最小安全系数）,针对这些指标介绍了目前国内外典型的旋转式、射流式、管流式、单颗粒冲蚀式实验系统,以及基于实验数据的冲蚀预测经验模型,如使用频率最高的E/CRC模型和Oka模型等。描述了基于CFD预测冲蚀的普遍流程及不足,分析了基于人工智能预测管柱冲蚀的可行性,这对保障储气库安全高效注采具有一定的理论指导及现实意义。     

烧结机头电除尘器壳体腐蚀原因分析

通过对烧结机头电除尘器壳体腐蚀状况的调查、腐蚀深度的测试以及通过在实际工况条件下的挂片试验和腐蚀产物电镜分析 ,得出了潮湿环境下电除尘器壳体腐蚀的原因是硫酸露点腐蚀 ,壳体腐蚀失效的主要形式是穿孔腐蚀。为在设计和使用维护措施方面如何提高电除尘器抗腐蚀能力 ,延长除尘器使用寿命提供了依据     

自支撑金刚石膜冲蚀磨损研究

在研制的高压气动冲蚀磨损实验系统中对自支撑金刚石膜(抛光和未抛光)的冲蚀磨损进行了研究.比较了冲蚀磨料(SiO2,Al2O3,SiC和玻璃珠)、冲蚀角度、冲蚀速度,以及冲蚀时间对冲蚀磨损率的影响.利用扫描电子显微镜(SEM)观察了冲蚀磨损后金刚石膜表面形貌,对其进行了Raman光谱分析,并测定了抛光金刚石薄膜红外透过率的变化.结果表明,随冲蚀磨料硬度、冲蚀角度以及冲蚀速度的增加,自支撑金刚石膜的冲蚀磨损率增加.由于抛光和未抛光的金刚石薄膜表面形貌的差异,使得它们的冲蚀磨损率随冲蚀时间的变化过程不同.Raman光谱检测结果显示,由于冲蚀作用,金刚石膜表面部分碳的键合类型发生改变.冲蚀磨损使得抛光金刚石薄膜红外透过率降低,采用180目SiC磨料,在134 m/s的速度下冲蚀4 h,红外透过率降低约20%.     

Modification of aluminide coating with yttrium for improved resistance to corrosive erosion

Aluminide coatings on a mild steel substrate were modified by using an oxygen-active element, yttrium, for improved resistance to corrosive erosion. The performance of the yttrium-containing coating during the following three erosion conditions was evaluated: dry sand erosion at different temperatures, erosion in a dilute NaCl slurry containing 30% silica sand, and erosion in a dilute H₂SO₄ slurry containing 30% silica sand. Results of the study demonstrated that yttrium significantly improved the resistance of the aluminide coating to both corrosive erosion and dry sand erosion.     

铁基块体非晶合金的空泡腐蚀研究

通过对超声空化作用过程中试样表面物相组成变化和试样失重的实验研究,分析了Fe74Al4Ga2P12B4Si4铁基块体非晶合金的空蚀过程。分别采用处于晶态和非晶态的铁基块体合金,在自来水中进行超声空化实验,确定了材料特性对空蚀过程的影响。结合已有的空泡形成和溃灭理论,初步提出了铁基块体非晶合金的耐空蚀机理。     

高速火焰喷涂三种Fe-Al复合涂层 300℃冲蚀性能研究

用高速火焰喷涂方法制备出Fe-15Al/45Cr3C2、Fe-15Al/15Cr3C2、Fe-15Al/15WC三种复合涂层,对三种涂层在温度300℃、冲蚀角分别为30°和90°下的抗冲蚀性能进行了研究,并利用扫描电镜对冲蚀后涂层的表面形貌进行分析.结果表明,在300℃下Fe-15Al/45Cr3C2复合涂层抗冲蚀性能最好,Fe-15Al/15Cr3C2复合涂层优于Fe-15Al/15WC复合涂层;三种涂层都表现出脆性冲蚀特征,但Fe-15Al/45Cr3C2复合涂层表现出一定的塑性冲蚀特征,本文称之为"准塑性冲蚀",大量Cr3C2增强相的加入是其主要原因;冲蚀角对涂层抗冲蚀性能有较大影响.     

高速火焰喷涂三种Fe-Al复合涂层300℃冲蚀性能研究

用高速火焰喷涂方法制备出Fe-15Al/45Cr3C2、Fe-15Al/15Cr3C2、Fe-15Al/15WC三种复合涂层,对三种涂层在温度300℃、冲蚀角分别为30°和90°下的抗冲蚀性能进行了研究,并利用扫描电镜对冲蚀后涂层的表面形貌进行分析。结果表明,在300℃下Fe-15Al/45Cr3C2复合涂层抗冲蚀性能最好,Fe-15Al/15Cr3C2复合涂层优于Fe-15Al/15WC复合涂层;三种涂层都表现出脆性冲蚀特征,但Fe-15Al/45Cr3C2复合涂层表现出一定的塑性冲蚀特征,本文称之为“准塑性冲蚀”,大量Cr3C2增强相的加入是其主要原因;冲蚀角对涂层抗冲蚀性能有较大影响。     

等离子渗氮Ti合金基体上的TiN涂层的砂浆冲蚀特性

在射流冲蚀装置中研究了等离子渗氮Ti合金基体上的TiN涂层在砂浆介质中的冲蚀行为.砂浆冲击速度为6.4～15.2m/s.结果表明:在低冲击速度下,TiN涂层具有很高的抗冲蚀性能.随着砂浆速度的提高,TiN涂层被砂浆击穿甚至开裂,对基体的保护作用降低.涂层穿孔后,位于冲蚀区中部显露的渗氮基体形成塑性形变条片,边缘区则由于砂浆对基体的切削作用而被冲蚀.