SiC泡沫陶瓷/球墨铸铁双连续相复合材料的气固两相流冲蚀性能

冲蚀磨损为材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损，粒子一般小于1000 μm，冲击速度在550 m/s以内[1,2] 在电力、矿山、水泥等行业，冲蚀磨损普遍存在，带来了不可估量的经济损失

在电力、矿山和水泥等领域，用于制造高效、长寿命粉磨设备的高铬铸铁和高锰钢等不仅依赖Cr、Mo、Ni等稀有元素，其耐磨性能也不高[3] 陶瓷/金属复合材料综合了陶瓷的高硬度和金属强韧性 制造陶瓷颗粒增强金属复合材料需要Al2O3、ZTA[4]、SiC、WC、TiC等陶瓷颗粒，其基体主要有高铬铸铁[5,6]、耐磨钢等金属材料；制备工艺有粉末冶金法、真空浸渗法和挤压铸造法 用粉末冶金法制备的WC、TiC金属陶瓷因成本的限制主要应用在刀具和钻具等领域；用真空浸渗法制备的ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁磨辊磨盘在各电厂的粉磨设备上获得了应用，并取得了良好的经济效益 但是，在陶瓷颗粒增强金属复合材料中金属陶瓷界面的结合较弱，使陶瓷颗粒容易剥落；过高的工作温度使金属软化，导致陶瓷颗粒增强效果减弱直至消失

SiC泡沫陶瓷/球墨铸铁三维双连续相复合材料是一种SiC泡沫陶瓷整体增强球墨铸铁的复合材料 其中的陶瓷相与金属相之间形成了相互贯穿和相互支撑的三维联通网络 三维空间中的每一个相都是连通的，这种结构有助于最大限度的保留和利用两相的优势 通过陶瓷相和金属相的人工设计可以使复合材料兼具低膨胀系数、高强度、良好的耐磨性[7,8,9,10]和优异的强韧性[11,12]，比传统的耐磨材料有明显的优势[13,14] 杜奇等[15]研究了Si3N4/1Cr18Ni9Ti双连续相复合材料的泥浆冲蚀性能，发现Si3N4/1Cr18Ni9Ti双连续相复合材料因Si3N4泡沫陶瓷的保护作用比1Cr18Ni9Ti不锈钢具有更好的耐冲蚀性 陈亮[16]研究了用常压浇注法制备的SiC/Fe基双连续相复合材料并研究其摩擦性能 结果表明：SiC/Fe基双连续相复合材料的耐磨性能是铸铁的2.1~7.9倍 本文以球墨铸铁作为基体相以SiC泡沫陶瓷为约束骨架，利用挤压铸造工艺制备出SiC泡沫陶瓷/球墨铸铁双连续复合材料，同时制备了SiC陶瓷颗粒/球墨铸铁复合材料 对比研究了DI、SiCfoam/DI、SiCp/DI等复合材料的耐冲蚀性能，以期为SiCfoam/DI复合材料在工程中的应用提供实验基础

1 实验材料、设备及方法1.1 实验材料选择与制备

由于SiC与Fe基合金在高温下发生剧烈的化学反应，使陶瓷/金属界面结构恶化，导致材料机械性能下降[17,18,19] 为了阻止SiC陶瓷与球墨铸铁在高温复合过程的反应，可以对SiC泡沫陶瓷和SiC陶瓷颗粒表面进行氧化处理 根据文献[20]，将SiC泡沫陶瓷和SiC颗粒放入管式气氛炉中，在氧气流量为100 mL/min、温度为1250℃的条件下氧化48 h 实验中使用的SiC泡沫陶瓷网孔尺寸直径为2 mm；SiC陶瓷颗粒粒度为24目，二者体积分数均为53% 图1是复合材料制备工艺图 所有材料的热处理方式均为：900℃保温1~1.5 h，水玻璃淬火，200℃保温2 h，回火

图1



图1复合材料SiCfoam/DI的制备工艺

Fig.1SiCfoam/DI composite material preparation process

1.2 实验设备

实验设备为自制的气固两相流冲蚀磨损实验机，主要分为屏蔽罩和喷射装置 屏蔽罩装置主要用来防止产生烟尘和颗粒飞溅，以便试验后冲蚀颗粒可以回收；主体的喷射装置模拟气固两相流冲蚀工况，高速气流经空压机、干燥器之后进入喷枪，同时打开料仓的阀门，冲蚀粒子流入喷枪并从枪口的氧化铝陶瓷喷嘴喷出，使高速气流携砂冲击固定在靶台上的块状材料 在实验过程中需要及时更换喷嘴，保证实验结果的准确性 图2和图3分别给出了实验机主体装置及靶台的示意图

图2



图2实验装置示意图

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

图3



图3靶台示意图

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

1.3 实验方法

实验使用的冲蚀粒子是60目的SiO2颗粒，质量为25 kg 为了研究冲蚀粒子的冲蚀角度和速度对材料冲蚀速率的影响，选取的冲蚀角度为15°、30°、45°、60°、90°等，选取的粒子速度为50 m/s、62.5 m/s、75 m/s、87.5 m/s、100 m/s 实验机料仓中的粒子出口流量为10.4 g/s 样品尺寸为31.5 mm×31.5 mm×14 mm，冲蚀面积为31.5 mm×31.5 mm 实验前用砂纸打磨样品表面，磨好后的样品放入无水乙醇中，超声清洗20 min，后放入120℃烘箱中烘干后取出室温后，每个样品用感量为0.001 mg的电子天平称量三次取平均值 每次冲蚀实验后，清洗样品、烘干，室温后称量三次取平均值 对于每种参数的实验进行三次，实验结果取平均值

冲蚀速率Er=Δm/M，式中Δm为样品的失重量；M为每次实验所用冲蚀粒子的质量(25 kg)

2 结果与讨论2.1 冲蚀时间对材料冲蚀速率的影响

图4是三种材料在冲击速率ν=75 m/s、α=30°条件下冲蚀速率随时间的变化 从图中可以看出，随着冲蚀时间的增加，三种材料的冲蚀速率逐渐下降并趋于稳定，且DI的冲蚀速率最高，SiCfoam/DI复合材料的冲蚀速率最低，三种材料的稳定冲蚀速率分别为8.562 mg/kg、4.368 mg/kg、2.64 mg/kg

图4



图4三种材料α=30°、ν=75 m/s时的冲蚀速率随冲蚀时间的变化

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

2.2 冲蚀角度对材料冲蚀速率的影响

材料的冲蚀速率与冲蚀角度有十分重要的关系 脆性材料的冲蚀磨损速率随着冲蚀角度的增加逐渐增大[21]；塑性材料的冲蚀磨损速率，随着冲蚀角度的变化先增加后减小，最大冲蚀角为30°~60° 根据文献[21]，材料的最大冲蚀速率对应的冲蚀角与冲击速度无关，选择粒子冲击速度为100 m/s

图5是三种材料的冲蚀速率随着冲蚀角度的变化规律 从图5可以看出，DI的冲蚀速率随着角度的增加逐渐增大 当角度达到60°时冲蚀速率达到45.32 mg/kg，当冲蚀角增加到90°时，冲蚀速率略有增加，呈现出脆性材料的冲蚀磨损规律 SiCp/DI、SiCfoam/DI复合材料在冲蚀角度为45°时，均达到最大值，其表观冲蚀特征与均质塑性材料相似 但SiCfoam/DI在45°~90°表现出对冲蚀角不敏感[22]的特征

图5



图5三种材料ν=100 m/s时的冲蚀速率随冲蚀角度的变化

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

2.3 粒子冲击速度对冲蚀速率的影响

冲蚀粒子的动能随着冲蚀粒子速度的增加逐渐增大，与材料表面作用的力也就越大，对材料产生的冲蚀磨损也越严重 图6是三种材料的冲蚀速率随粒子冲击速度的变化规律 可以看出，随着粒子速度的增加，DI的冲蚀速率均较SiCP/DI、SiCfoam/DI的冲蚀速率大 当粒子速度低于87.5 m/s时，DI的冲蚀速率是复合材料的3~6倍，通过拟合，DI的冲蚀速率与ν之间的关系大致满足Er(DI)=3.36×10-5×ν2.95；SiCP、SiCfoam/DI等复合材料的冲蚀速率差别不大，通过拟合，发现SiCP/DI复合材料和SiCfoam/DI复合材料的冲蚀速率与粒子速度之间的关系分别符合Er(SiCP/DI)=3.69×10-9×ν4.76和Er(SiCfoam/DI)=3.70×10-8×ν4.14

图6



图6三种材料α=30°时的冲蚀速率随粒子冲击速度的变化

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

当粒子速度为100 m/s时，三种材料的冲蚀速率都显著增加，其中DI的冲蚀速率大约分别是SiCp/DI、SiCfoam/DI的2倍和3.2倍 在高速冲刷工况下复合材料的耐冲蚀性能明显优于球墨铸铁基体，且SiCfoam/DI复合材料的耐冲蚀性能最高

3 冲蚀机理

利用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对三种材料表面的冲蚀形貌进行观测，对比分析材料的冲蚀机理 图7a、b是α=30°、ν=75 m/s时DI的冲蚀形貌 冲蚀机理主要为石墨断裂、切削、犁削等 图7c是α=90°、ν=75 m/s时三种材料中的DI冲蚀形貌 冲蚀机理主要为微观裂纹和冲蚀坑等

图7



图7α=30°、ν=75 m/s和α=90°、ν=75 m/s时DI的冲蚀形貌

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的冲刷磨损过程分为以下几个过程：(1)表层石墨逐渐变形[23]；(2)粒子冲击产生的边缘凸起沿冲刷方向生长；(3)石墨和凸起脱落 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 低角度时水平方向的分力与材料表面的作用占主要地位，粒子对材料表面的作用主要表现为微切削 随着冲蚀角逐渐增大垂直方向的力逐渐增大，尖角粒子对材料表面的作用表现为产生微观裂纹，钝角粒子对材料表面的作用表现为产生冲蚀坑

颗粒增强复合材料的基体材料和DI的冲蚀磨损机理相同，但切削和犁削的沟槽较浅 图8是SiCP/DI复合材料在α=30°、ν=100 m/s条件下的冲蚀形貌 由于SiC颗粒的保护作用，减弱了球墨铸铁基体相的冲蚀磨损，因此磨损量相比于DI较低 随着冲击速度的增加，粒子的动能增大，增强颗粒在冲蚀粒子的连续冲击下出现破碎和脱落

图8



图8SiCP/DI复合材料α=30°、ν=100 m/s时的冲蚀形貌

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

对于SiCfoam/DI复合材料，其独特的双连续相空间结构，对金属基体的保护作用更强 图9是SiCfoam/DI复合材料在α=30°、ν=100 m/s条件下的冲蚀形貌 陶瓷相质硬，磨损量较小，同时极大地减小了粒子的运动速度 DI相对SiC泡沫陶瓷属于软质相，当冲击粒子与陶瓷作用时，产生的冲击力一方面通过SiC泡沫陶瓷-界面传递到DI上，通过软质相的“缓冲”以及对能量的吸收，另一方面三维连续的泡沫陶瓷使冲蚀粒子的冲击应力分散，使得粒子对陶瓷相的伤害减轻 SiC泡沫陶瓷在空间中的连续性，以及DI对陶瓷相的支撑，在冲蚀过程中没有出现类似于SiCP/DI复合材料中陶瓷颗粒的脱落，因此，与颗粒增强复合材料相比，双连续相复合材料表现出优异的耐冲蚀性能

图9



图9SiCfoam/DI复合材料α=30°、ν=100 m/s时的冲蚀形貌

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

在冲蚀磨损过程中，当金属基体被冲掉以后，陶瓷相高于金属基体，对金属基体起到很好的保护效应 图10是SiCP/DI复合材料和SiCfoam/DI复合材料的冲蚀磨损陶瓷增强相阴影保护效应的示意图 可以看出随着冲蚀角度的降低，SiC陶瓷对基体的阴影保护作用逐渐增大(图10a~b和d~e)，但SiC泡沫陶瓷具有整体增强机制，断裂之后，仍然对基体有较强的增强作用和阴影保护效应，SiC颗粒在冲蚀磨损过程中一旦出现剥落，SiC颗粒对周围基体的增强作用消失，同时阴影保护效应也会消失(图10c) 由于SiC泡沫和DI两相在空间中连续，这种结构使得DI对SiC泡沫陶瓷具有更好的支撑效果，在SiC泡沫陶瓷被部分冲蚀时依然对DI基体提供阴影保护效应(图10f)，可以看出SiC泡沫陶瓷与DI这种相互增强方式使得SiCfoam/DI具有更好的耐冲蚀性能

图10



图10复合材料SiCP/DI和SiCfoam/DI的冲蚀磨损示意图

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

4 结论

采用自制的气固两相流冲蚀磨损实验机，对比测试了SiCP/DI复合材料、SiCfoam/DI复合材料和DI基体三种材料的冲蚀性能 三种材料在冲蚀的过程中都经过一段时间后，冲蚀速率保持稳定 保持稳定后，SiCfoam/DI的耐磨性分别是SiCP/DI复合材料和DI的2倍和3.2倍 随着冲蚀角度的增大，DI呈现出脆性材料的冲蚀特征，SiCfoam/DI、SiCP/DI等复合材料均在冲蚀角为45°时冲蚀速率达到最大值，其表观冲蚀特征与均质塑性材料相似 随着粒子速度的增加，三种材料的冲蚀速率随之增大，其中DI的冲蚀速率与ν2.95成正比，当粒子速度小于87.5 m/s时，SiCfoam/DI复合材料和SiCP/DI复合材料的冲蚀速率与ν之间的关系分别符合Er(SiCP/DI)=3.69×10-9×ν4.76和Er(SiCfoam/DI)=3.70×10-8×ν4.14；当粒子速度高于87.5 m/s时SiCP/DI复合材料的冲蚀速率急剧增大，SiCfoam/DI复合材料的冲蚀速率远小于SiCP/DI复合材料的冲蚀速率 三种材料中DI的磨损方式均为低角度时为塑性变形和微切削，高角度时为冲蚀坑、微观裂纹 由于复合材料中陶瓷相的保护作用和阴影效应，基体的磨损较轻 由于SiC颗粒在基体中的非连续、弥散分布，粒子高速冲击时易于碎裂脱落，使复合材料的磨损量增大；SiCfoam/DI复合材料具有独特的三维双连续相空间结构，泡沫陶瓷能通过整体增强作用和阴影保护效应减小了粒子对基体的磨损，从而提高了SiCfoam/DI复合材料的耐冲蚀性能

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