一种模拟舰船表面破坏的冲蚀、空蚀和腐蚀交互磨损试验研究

海洋装备表面材料破坏的主要原因是冲蚀、空蚀和腐蚀及其交互作用,而量化其表面磨损程度对海洋装备材料和结构的设计具有重要意义。冲蚀、空蚀和腐蚀交互磨损试验台是研究海洋装备表面材料破坏的有效工具。通过流场数值对比分析,在研究冲蚀和空蚀交互作用的基础上,优化设计了冲蚀、空蚀和电化学腐蚀交互磨损综合试验台,完成了人造海水中,不同材料的舰船工作表面受到高速流体冲击产生的冲蚀、空蚀和电化学腐蚀交互磨损试验。结果表明:同一种金属材料冲蚀、空蚀和电化学腐蚀交互作用的失重量大于冲蚀、空蚀和自然腐蚀交互作用的失重量,高强度塑性金属材料的腐蚀磨损较为严重,其三者交互作用的磨损程度大于低强度塑性金属材料。     

40Cr冲蚀与空蚀交互磨损试验研究

对40Cr进行模拟化工泵叶轮流道内工况条件下的冲蚀与空蚀交互磨损试验,分析40Cr材料的抗交互磨损性能和冲蚀与空蚀交互磨损试件表面磨痕。结果表明:40Cr的冲蚀与空蚀交互磨损失重曲线分为孕育期、上升期、衰减期和稳定期。在孕育期中,材料失重量很小;在上升期中,材料的冲蚀与空蚀交互磨损失重量增加。40Cr材料的交互磨损特性是以微切削、犁削和脆性剥落为主,同时存在针眼和剥落坑。40Cr试样表面的冲蚀沟槽和空蚀坑主要沿水流线速度矢量的方向,但也存在一些与线速度成一定夹角的摩擦痕迹或沟槽,说明影响冲蚀与空蚀交互磨损的因素不仅是水流速度,还与沙粒运动轨迹、水流方向及冲蚀角度等有关。     

镍基自熔合金Ni67的空蚀磨损特性研究

对Ni67合金进行了模拟三牙轮钻头流道内实际工况条件下的空蚀磨蚀试验,用失重法评价了Ni67材料的抗空蚀磨损性能,并分析了空蚀试件表面磨痕.结果表明:Ni67的空蚀失重曲线分为孕育期、上升期、衰减期和稳定期.在孕育期中,材料失重量很小;在上升期中,材料的空蚀失重率增加.Ni67试样磨损15 h之前为孕育期,平均失重量为22.1 mg;磨损15～20 h为空蚀磨损的上升期,磨损30 h时,试件平均失重量为79.3 mg.Ni67材料的空蚀磨损特性主要是微射流对试件表面的冲击而产生的低周疲劳损伤,同时存在针眼和剥落坑.     

含沙量和沙粒粒径对QT500材料冲蚀磨损特性的影响

利用圆盘式磨蚀试验装置模拟流体机械工况条件,对QT500和45钢进行了冲蚀磨损试验,用失重法研究了材料在不同含沙量和沙粒粒径时的冲蚀磨损特性。对试样表面微观形貌进行了观察,探讨了材料的冲蚀磨损机理和损伤规律。研究表明：随含沙量的增加,材料的磨损率也增加,但不与含沙量的增加值成正比;随沙粒粒径的增大,磨损量亦增加。QT500的冲蚀磨损机理主要是脆性剥落和疲劳破坏。     

低冲蚀角下40Cr冲蚀与空蚀耦合磨损特性研究

基于CFD理论,数值模拟了低冲角下(冲蚀角α40°)冲蚀和空蚀耦合磨损的流场特性,并将数值分析结果与实验结果进行对比,研究了40Cr在低冲角下耦合磨损的失效特性。研究发现:1)耦合磨损的破坏程度随着冲蚀角的增加先增大后减小降,在临界角α=30°时磨损最严重,此时耦合磨损流场的溃灭冲击压强达到了最大的1×107Pa,在这种高强度冲击的反复作用下,材料更容易发生疲劳失效;2)当α30°时,40Cr材料表面的磨痕主要为微切削犁沟,并有少量的针孔状蚀坑;3)当α30°时,材料表面的磨痕主要为瞬时高温氧化和疲劳剥落引起的夹杂着白色氧化铁颗粒的蚀坑。40Cr试件失重量随冲蚀角变化趋势与三次样条曲线吻合得很好。     

冲击形式产生的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验研究

舰船等海洋运输装备在海水中行驶时,船体表面受到含沙海水的冲蚀磨损,舰船行驶速度变化引起的空蚀磨损,以及海水的腐蚀磨损,因此舰船表面材料的破坏形式是冲击式的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损。为了研究联合磨损的影响因素,研制冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台,并实验研究沙粒浓度、沙粒尺寸、含盐浓度以及冲蚀速度对45钢试件的联合磨损影响规律。实验结果表明:冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损程度强于冲蚀和空蚀交互磨损或单纯腐蚀磨损,在较低的沙粒浓度和较低的含盐浓度条件下,金属材料联合磨损质量损失与沙粒浓度、沙粒尺寸、含盐浓度和冲蚀速度均成正比关系。磨损面形貌分析表明:随着沙粒浓度、沙粒尺寸、含盐浓度、冲蚀速度的增加,试件表面的冲蚀沟和空蚀孔的磨痕深度和面积增大,而在人造海水中,试件表面不仅存在冲蚀沟和空蚀孔,还产生了腐蚀坑。     

冲蚀与空蚀交互磨损三相流场仿真与试验研究

基于计算流体力学方法,数值研究在模拟水轮机工况下,冲蚀与空蚀交互作用时,试件表面上汽液固三相流场的动力学特性(压力场、速度场、汽相体积比分布),然后在转盘式磨损装置上,进行汽液固三相冲蚀与空蚀交互磨损试验,并对试件微观形貌进行分析。结果表明:数值分析得到试件表面最小和最大压力值、气泡速度最大值和汽相比例最大值均出现在空化孔附近,其他位置基本不变,说明空化孔附近交互磨损比单一空蚀磨损严重。就某一空化孔而言,顺着转盘旋转方向的孔边某一夹角展开区域汽相比例较大,并且出现最小和最大压力;从试件微观磨痕分析,其上存在短程犁沟和空蚀孔,磨痕呈现规律性。仿真的气泡轨迹和试件磨痕基本一致,数值计算结果和试验结果吻合得较好,从而证明了数值分析的正确性和合理性。上述数值仿真为揭示流体机械过流部件冲蚀与空蚀交互作用磨损机理奠定了基础。     

空化水射流冲蚀纯铜的表面空蚀损伤

利用自制空化水射流设备对纯铜进行了不同时间的冲蚀,研究了冲蚀后试样的显微组织、损伤形貌、表面粗糙度以及截面硬度,分析了空蚀损伤过程及机制。结果表明:一次射流区空蚀坑底部晶粒弯曲变形,而混合射流区的截面组织无明显变化;一次射流区在水射流冲蚀5min时,表面就已经出现空蚀坑、空蚀针孔,随冲蚀时间的延长,空蚀坑和空蚀针孔数量增多,晶粒形貌逐步显现,同时出现大量的变形滑移带和金属剥落现象;混合射流区的空蚀坑大而浅,且随着时间的延长整个晶粒形貌全部显现;空蚀坑是以空蚀针孔聚集导致少量金属剥落这种形式长大的;随冲蚀时间的延长,两区的表面粗糙度逐渐上升,且混合射流区的表面粗糙度大于一次射流区的,其硬化层厚度和近表层硬度也相对较大。     

Cl~-浓度对0359铝合金在模拟海洋大气环境中腐蚀的影响

通过连续盐雾腐蚀实验对0359铝合金在模拟环境中进行了腐蚀研究,主要考查Cl-浓度对其腐蚀性能的影响,分析了腐蚀试样的表面形貌、腐蚀产物、点蚀深度和腐蚀失重。结果表明:Cl-浓度对0359铝合金的腐蚀具有明显的加速作用;腐蚀形貌以点蚀为主,随Cl-浓度增加,点蚀逐步扩展,点蚀深度和腐蚀失重分别由1%浓度时6.36μm、0.833 3 g/m2增加到9%浓度时的26.30μm和9.50 g/m2。以万宁地区户外暴露腐蚀失重为参考,该合金可满足海洋大气环境中10年以上的使用寿命。     

WC喷焊层对Ni60自熔合金冲蚀磨损机制的影响

在转盘式磨蚀实验台上,对N i60和N i60 35%WC涂层进行冲蚀磨损实验,研究了试验材料的表面失效规律及微观破坏机制。结果表明:2种试样的冲蚀磨损规律相同,分为跑合期和稳定期;由于硬质点WC的加入,使得2种试样的冲蚀磨损机制不一样,但N i60 35%WC涂层的耐冲蚀性能明显高于N i60材料;N i60 35%WC涂层的冲蚀磨损机制主要是剥落坑和疲劳点蚀,而N i60材料主要是微切削和犁沟剥落。     

三牙轮钻头材料Ni65的冲蚀磨损机制研究

针对三牙轮钻头流道内实际工况,研究了钻头材料N i65和对比材料N i67和N i60 35%WC的冲蚀磨损特性。结果表明:N i65和N i67的冲蚀磨损阶段分为跑合期和稳定期,N i65磨损机制主要是微切削,而N i67的磨损机制主要是疲劳损伤和微切削;而N i60 30%WC的冲蚀磨损阶段为跑合期与周期性的稳定磨损和严重磨损期,其磨损机制主要是硬质点的脱落和疲劳点蚀。在试验过程中均伴有空蚀磨损。     

加工方法和材料种类对空蚀结果的影响

利用旋转圆盘空蚀试验装置,以流动的自来水为介质,对铣削和抛光加工的1Cr18Ni9Ti、40Cr、45#钢3种钢材料,进行了累计5min、20min和1h的空蚀试验,利用扫描电子显微镜对试验后试样的表面形貌进行原位观察。结果表明同种材料,铣削和抛光的试样蚀坑形态不同;同种加工方法,1Cr18Ni9Ti最难发生空蚀,40Cr的空蚀现象明显,45#钢发生了严重的空蚀破坏。结果显示不同加工方法影响了试样表面微形貌和显微组织,从而得到形态不同的空蚀坑;材料种类对空蚀破坏程度有显著影响,硬度和润湿性可能是重要影响因素。     

离心压缩机叶轮材料FV520B冲蚀规律和机理的研究

利用高速冲蚀试验系统,以7 μm、10 μm、14 μm多角氧化铝微粒为冲蚀颗粒,在120 ~ 210 m/s冲击速度范围内,对离心式压缩机叶轮材料FV520B在模拟压缩机叶轮高速粒子冲蚀环境下的冲蚀规律进行了系统的试验研究。对冲蚀表面形貌进行分析,研究冲蚀磨损机理。结果表明：参与冲蚀的粒子质量在5 ~ 80 g之间时,冲蚀率先增加后减小即为冲蚀过渡期,冲蚀粒子质量大于80 g后冲蚀率趋于平稳,进入冲蚀稳定期;高、低强度的两种FV520B材料,均呈现出典型的塑性材料的冲蚀特性,最大冲蚀率分别出现在24°、18°的冲击角度附近;高强度FV520B在24°和90°冲击角度时的速度指数分别为3.37和3.68,速度指数随冲击角度的增大而增大;FV520B冲蚀磨损的实质是微切削与变形磨损共同作用,在低角度冲蚀时,以微切削磨损为主,而在大于60°的高角度冲蚀,以变形磨损为主。     

相变在铁基合金抗空蚀中的作用机理

采用旋转圆盘试验机以45 m/s对8种奥氏体铁基合金的抗空蚀性能与2种不同晶体结构马氏体铁基合金进行对比研究,通过对组织结构X射线分析和表面局域弹性he值的模拟测定,探索相变对抗空蚀性能的影响规律及机理.结果表明,空蚀诱发相变与未诱发相变的奥氏体材料及马氏体材料试验48 h空蚀率都随着局域弹性he值增加而降低,局域弹性he值是抗空蚀性能的第一控制因素.相变在抗空蚀性能中的作用取决于诱发马氏体的能量吸收及he值大小,he值相近时空蚀诱发相变吸收能量可提高抗空蚀性能.奥氏体Fe-Mn-Si合金抗空蚀性能因诱发的密排六方(马氏体具有高的局域弹性he值而大大优于诱发体心立方(马氏体的奥氏体Cr-Ni不锈钢.     

水介质对超声空蚀纳米生成物形貌的影响

为探究水介质下超声空蚀纳米结构的生成机制,研究不同水介质条件下超声空蚀纳米生成物的形貌特征。利用超声振动空蚀实验装置,在4种不同水介质中分别对45钢样品进行超声空蚀实验,通过激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜对实验后样品表面空蚀纳米生成物形貌进行分析。结果表明:45钢在不同水介质中空蚀生成的纳米微结构有很大差异;在去离子水和Na Cl溶液中空蚀坑环状区域纳米结构呈现为不规则絮状结构,在自来水和Na₂SO₄溶液中生成的空蚀坑周围形成了纳米多层片状结构;在自来水中,随着超声时间的增加,纳米单层片状结构先是长度方向尺寸增大,后逐渐叠加成纳米多层片状结构,总厚度增大。45钢在自来水中超声空蚀生成的纳米多层片状结构的尺寸,与实验时间和介质中离子有关,源于空蚀-腐蚀耦合作用产生;自来水中的SO₄^2-等离子也为片状纳米层间的组装起到促进作用。     

含砂原油对方形补偿器的冲蚀模拟

为研究不同因素对方形补偿器内固体颗粒冲蚀作用规律的影响,基于DPM模型,结合流固耦合稳态模拟及控制变量的方法,对热补偿能力相同的四种标准方形补偿器内壁面的冲蚀速率进行计算。结果表明,4种补偿器内的冲蚀速率随固体颗粒质量流率的增加而增大,其中,Ⅲ型补偿器C弯管局部冲蚀集中区最大占比达到96.2%,Ⅰ型补偿器冲蚀速率与质量流率近似呈线性正相关;在不同粒径范围内,4种补偿器先后出现波动的冲蚀速率变化周期,各型补偿器最大冲蚀速率差距明显。其中,Ⅳ型补偿器内的冲蚀速率可达到1×10^-7 kg/(m²·s)量级,明显高于其它3类补偿器;在热补偿量一定的情况下,弯径比为1.5的Ⅳ型补偿器最大冲蚀速率达到弯径比为2.75的Ⅰ型补偿器的6倍,随弯径比的增加,各型补偿器的冲蚀区域均出现明显的扩大。其中,Ⅳ型补偿器在外弧面区出现最大范围0°～240°的“带状”磨蚀区域,最大冲蚀速率逐渐下降并在弯径比为1.5时达到最低值。因此,应根据流体介质中固体颗粒粒径、质量流率及补偿器结构合理选择补偿器类型,从而减轻管件局部点蚀与大范围磨蚀对管道内表面电化学腐蚀保护膜的破坏,以...     

水下振源体膜板空蚀的研究

水下大功率振源体工作一段时间后膜板中心附近位置出现空蚀现象,分析了膜板产生空蚀的原因及空蚀相关理论,通过提高材料抗空蚀性能和阴极保护两种方法来减轻空蚀破坏.提高材料抗空蚀性能包括改变材料、增加壁厚和提高表面粗糙度;阴极保护采用喷涂无机富锌涂料.     

N80油套管钢在质量分数3.5%NaCl溶液中的冲蚀行为

采用失重法和电化学测试研究了N80油套管钢在质量分数为3.5%NaCl溶液中的冲蚀行为。结果表明:N80钢的质量损失速率随搅拌转速增加先保持不变再增大;相同时间冲蚀时N80钢的自腐蚀电流密度明显大于浸泡腐蚀时的;自腐蚀电流密度随浸泡时间的延长而增大,随冲蚀时间的延长先增大后减小,随溶氧量的增加而增大;冲蚀初期流体对N80钢的腐蚀作用占主导,中后期则以流体的冲击作用为主;随冲蚀时间延长,N80钢表面腐蚀产物增加,腐蚀坑边缘塑性变形程度增大,形状由圆形逐渐变为椭圆形,腐蚀速率减小;冲蚀1 h后的N80钢表面硬度低于未冲蚀的,冲蚀2 h后,N80钢表面由于形成硬化层,硬度高于未冲蚀的。     

水轮机用不锈钢材料的抗冲蚀磨损性能研究

通过对不同冲蚀速度、不同冲蚀角度及不同浆料沙的质量分数等影响参数下水轮机用１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ和０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ不锈钢材料的冲蚀磨损试验，探索了试验材料的表面失效规律及微观破坏机制，结果表明：冲蚀速度、浆料中沙的质量分数对两种材料的冲蚀磨损性能影响规律相似，冲蚀角度对材料的冲蚀磨损性能影响最大，且０～４５°内时随着冲蚀角度的增加材料的冲蚀磨损失重率增大，４５°出现极大值，在４５°～６０°内随着角度的增加而减小。     

煤化工装备中关键阀内件的失效行为及表面强化技术

针对煤化工装备中关键阀内件材质的劣化问题,采用宏/微观多尺度分析方法研究在不同服役工况下阀内件的失效风险因素,并提出阀内件表面的强化策略。结果表明：气-固稀相介质下阀内件失效行为是气-固两相冲蚀导致材料流失;气-固浓相介质下阀内件失效是气相和固相煤粉冲蚀、颗粒及黏着磨损等多种因素耦合,冲蚀所占比例较大;液-固介质下失效机理是腐蚀、冲蚀、磨损等多种因素耦合。基于阀内件失效风险,并结合材质的强-塑-韧适配性原理,提出了多功能一体化涂层的防控策略。通过超音速等离子喷涂技术在基体表面制备Ni Cr-Cr3C2金属-陶瓷涂层,涂层结构致密,硬度提高至HV0.31013。相比不锈钢材质,涂层硬度提高近5倍。拉伸测试表明,Ni Cr-Cr3C2涂层与基体结合强度达到67 MPa,且耐冲击性能优异,实现了材质表面的强化。