【正文】 奮，讓我明白天道酬勤要堅持始終 ；您 的博學，讓我知道學海無涯仍需努力； 您 的樸實，讓我明白善良的價值。生活中， 您還 教我們?nèi)绾?真誠做人、踏實做事 。 老師平易近人的人格魅力，嚴謹進取的治學精神和樂觀向上的生活態(tài)度，將是我今后生活工作中的指路航標。桃李不言，下自成蹊；師恩深厚，不敢言報。唯有今后以百倍熱情工作、學習，力爭有所建樹，以報師恩于萬一。臨別之際，真誠的祝福周老師：身體健康，家庭幸福！ 另外特別感謝 助教姚小海對本人指導，每次請教 助教，你總是熱心待人，細心的指導我們?nèi)绾芜M行下一步工作，在指導工作的同時又不乏對我們思維的開闊與推廣，引導我們更好的完成下一步學習和任務。你不僅提高我們自主學習的能力，而且教會我們?nèi)绾胃玫乃阉髻Y料和文獻 ，教我們?nèi)绾卧陔s亂的資料庫中更為簡單的找到自己需要的資料。 最后向評審論文及參加本人論文答辯的各位老師獻上誠摯的謝意！您們辛苦了！ 32 疊層 陶瓷噴嘴的 沖 蝕磨損 （譯文） 鄧建新，劉麗麗，趙進龍，孫軍龍 山東大學機械工程系，中國山東省濟南 250061， 接稿 2021 年 3 月 31 日； 收搞 2021 年 6 月 30 日 摘要 SiC/（ W,Ti)C 疊層結構的陶瓷噴嘴通過熱壓成形，熱壓是為了減少噴嘴進出口區(qū)域的拉應力。在合成物的燒結過程中由于 SiC和 (W,Ti)C 固溶體的熱量膨脹系數(shù)和收縮率不同 將導致殘余應力產(chǎn)生，通過有限元方法可以分析該殘余應力。疊層陶瓷噴嘴的沖蝕磨損是由沙粒的沖擊產(chǎn)生，這個實驗結果和一個在相同條件下不受壓應力的參考噴嘴實驗結果相比較而得。這個實驗的結論已經(jīng)表明疊層陶瓷噴嘴比相類似的自由應力噴嘴有更高的抵抗沖蝕磨損性能。 噴沙處理是一個研磨的加工程序并且廣泛地作為表面的加強 [1],表面的修正 [2]表面的清理和除銹 ,等等。 它適用于硬且脆的材料 , 易延展的金屬，合金和非金屬的材處理。在沙噴的過程中，從噴嘴里出來的高速噴射的精細研磨微粒和載流氣體撞擊目標對象的表面來 沖蝕 該表面 。精細微粒通常由高于幾倍大氣壓的氣流來加速。粒子直接對表面進行處理。當粒子沖擊表面時 , 粒子引起一個小的破碎，氣流會將研磨粒子和已破碎的粒子帶離去。噴嘴是噴沙設備中最緊要關頭的部份。有許多因素影響力噴嘴的磨損如：流量率和沖擊角度， 沖蝕 研磨劑性能，噴嘴的材料和它的幾何形狀，溫度。有高耐磨性的陶瓷有很大的潛力做為沙噴的噴嘴材料。 一些研究已經(jīng)顯示陶瓷噴嘴的進口區(qū)域展現(xiàn)了一個感應去除程序的脆性破碎而中央的區(qū)域顯示出材料切除模態(tài)的耕犁類型。在沙噴中當 沖蝕 的微粒以高的角度 ( 將近 90 176。 ) 沖撞噴嘴進口區(qū)段 (見 到圖 1) ，噴嘴進口區(qū)域遭受形嚴重的研磨沖擊 , 這可能引起大的張應力。最高的張應力位于噴嘴的進口區(qū)域。因此，噴嘴進口區(qū)域的 沖蝕 磨損相對于中心區(qū)域的磨損來說，總是嚴重的。 33 圖 1 沙噴過程中 沖蝕 粒子與噴嘴間的作用示意圖 由不同材料的交替層構成的疊層混合結構能適當?shù)乇辉O計 , 促使對一個表面產(chǎn)生壓縮殘余應力，從而提高了表面的機械性能和耐磨性。殘余應力增大主要是在于熱膨脹系數(shù) (CTE) ，燒結率，相階段和相鄰層的彈性模量之間的搭配 , 并且殘余應力區(qū)域決定于分層的結構幾何形狀和層之間的厚度比率。 Toschi 等人報告 疊層 混合結構能改善氧化鋁的滑動耐磨性。 Portu 等人表明表面區(qū)域受壓縮殘余應力的 疊層 結構組成而得的混合物材料能具備更好的磨擦性能。鄧教授等人證實傾斜的陶瓷噴嘴能展現(xiàn)出比一般位置的陶瓷噴嘴更高的耐磨性。 目前的研究中 , SiC/(W,Ti)C 疊層 結構的陶瓷噴嘴為了要在噴嘴的進出口區(qū)域減少張應力 , 靠熱壓的方式生產(chǎn)。在燒結過程式中 疊層 噴嘴的殘余應力由有限元方法計算而得。 疊層 陶瓷噴嘴 沖蝕 磨損對照于相同的條件下一個不受應力的叁考噴嘴而被考查。 34 2．材料和實驗步驟 . 準備疊層陶瓷 噴嘴材料 SiC /(W,Ti)C 開始的材料是 (W,Ti)C 固溶體粉末，平均顆粒大 約為 m，純度為 % 。 SiC粉 末 的 平 均顆 粒 大 約為 1μ m， 純 度為 % 。六 種 不同 含 量 的 (W,Ti) C(55,57,59,61,63,65 vol.%)被選擇去設計六層結構 SiC /(W,Ti)C 疊層 噴嘴材料。 疊層 陶瓷噴嘴材料的成分分配在圖 2 被顯示。它指出 疊層 噴嘴材料的成分分配在噴嘴軸的方向中改變。如 SiC 的熱導率比 (W,Ti) C 的更高 , 當它的熱膨脹系數(shù)比 (W,Ti) C 的更低時候 , SiC的最高含量的層被提出在進入層和出口層中兩地方 ( 見圖 a) 。相似的無應力的噴嘴沒有成分變化在圖中 2(b) 被顯示。 疊層 陶瓷噴嘴在進入和出口兩區(qū)域叫做 GN3, 無 壓 應力噴嘴叫做 CN2 。 圖 為陶瓷噴嘴在進口和出口區(qū)域（ GN3 ）輾壓的照抄原文 / （ W ， Ti ） C 成 分分配示意圖； b 為相似的無應力噴嘴（ CN2 ） SiC/(W,Ti) C 以六種不同混合比合成的粉末被分別地在酒精中和接合的碳化物球體研磨 80 個小時而成濕球來作準備。在弄干之后，和不 同的混合比的混合物粉末依次被疊壓進入模子之內(nèi)。這時樣品在流動的氮氣中以 30 MPa 壓力 ,1900 ℃溫度熱壓 40 分鐘。 如圖 所示，空氣噴射研磨機床 ( GS6 類型 ) 的示意圖，它由一個空氣壓縮機，一只噴射槍，一個控制閥，粒子供應管，一個過濾器，一個干燥器，一個調(diào)壓閥， 35 灰塵捕捉器，一個研磨漏斗 , 和一個噴嘴。氣流流程率被被壓縮的空氣控制，而且研磨粒子的速度經(jīng)過噴嘴被調(diào)整為 60 米 / 秒。 圖 空氣噴射研磨機床的示意圖（（ 1 ）空氣壓縮機，（ 2 ）控制閥，（ 3 ）過 濾器，（ 4 ）干燥器，（ 5 ）調(diào)壓閥，（ 6 ）吸塵器，（ 7 ）噴槍） （ 8 ）研磨漏斗，（ 9 ）陶瓷噴嘴） 。 被用于這一項研究的 沖蝕 研磨劑是 50– 150μ m 谷粒大小碳化硅粉末。作為干沙噴射的 SiC 粉末的 SEM 顯微圖在圖 4中所示。 圖 沙噴中被用的 SiC 研磨劑的 SEM 顯微圖 36 內(nèi)直徑 8 毫米和長度 30 毫米的噴嘴由 SiC /(W,Ti) C 的疊壓結構 (GN3) 制造而成，無壓應力結構 (CN2) 被熱壓制造而成，如圖 所示。 圖 GN3 疊層 陶瓷噴嘴的照片 磨損的噴嘴損失量被一個精確的電子稱測量。 ( 最小量 毫克 ) 。 所有的測試情況在表一中被列出。噴嘴的 沖蝕 率 (W) 被定義為噴嘴損失量 1m 除以噴嘴密度 d 和沖蝕 研磨粒子 2m 的乘積 : ? ?21 / mdmW ?? W的單位為 gmm/3 。 有限元方法 (FEM) 被做為一種數(shù)字地分析在制造過程中 疊層 陶瓷噴嘴的殘余應力和它 的分布狀態(tài)的方法。為微小損害的觀察和 沖蝕 機制的檢測 , 磨損的噴嘴被軸向地分 37 為區(qū)段。噴嘴的被侵蝕的孔表面由掃描電子顯微鏡檢查。 3．結果和討論 疊層噴嘴材料的顯微結構特征和性能 硬度測量在 GN3 疊層 噴嘴材料的橫截面面的每層上放著維氏壓痕處操縱。壓痕負荷是 200 N ，這時每層的三個壓痕的最小量被測試。每層的維氏硬度 (GPa)靠（ P 是壓痕負荷（ N）， 2是壓痕對線的長度）計算所得。每層 GN3 疊層 噴嘴材料的硬度被列出在表二中。 GN3 疊層 陶瓷的噴嘴材料磨光的每層 SEM顯微 圖如圖 。黑色的區(qū)域被 EDX 分析鑒別為 SiC, 和鮮明的對比白色的區(qū)域是 (W,Ti)C?？梢员豢吹?， SiC 粒子非常勻均地在顯微結構中普遍分布 , 多孔性事實上是不存在的。 圖 GN3 疊層 陶瓷的噴嘴材料磨光的每層 SEM 顯微圖（ a）第一層（進口區(qū)域），（ b）第二層，（ c）第三層，（ d）第四層，（ e）第五層，（ f）第六層 疊層 噴嘴的殘余應力 制造過程中的 疊層 陶瓷噴嘴的殘余應力被假設箱子從燒結溫度 1900℃冷卻到室溫 20℃經(jīng)由有限元方法計算。（ W， Ti） C 和 SiC 的熱機械 性能依下列各項所得 : 38 由于對稱，軸對稱的計算被推薦。假定它是穩(wěn)定狀態(tài)邊界條件，在 GN3 疊層 噴嘴中從燒結溫度冷卻到窒溫過程中軸向的，徑向的 。很明顯，一個額外的壓縮殘余應力在GN3 疊層 噴嘴進口與出口區(qū)域處被形成。 圖 GN3疊層 噴嘴在制造過程中的 (a)軸向的 ( z? )， (b)徑向的 ( r? )， (c)圓周向的( ?? )殘余應力沿噴嘴軸向不同位置的分布 疊層噴嘴 的沖蝕磨損 GN3 疊層 陶瓷噴嘴的 沖蝕 磨損靠在沙噴時和 CN2 無應力陶瓷噴嘴對比來被評定。圖 顯示 GN3和 CN2 噴嘴在沙噴過程中累積的損失量。很明顯累積的損失量隨著操作時間不斷地增加。在相同實驗條件下，與 GN3 疊層 噴嘴比較 ,CN2 無壓應力噴 39 嘴有更高的累積損失量。 圖 a GN3 噴嘴和 CN2 無壓應力噴嘴在沙噴過程中累積的損失量 磨損的陶瓷噴嘴在操作之后在縱向的方向被切斷，出現(xiàn)分析失敗。圖 a 所示為操作 540 分鐘后的 GN3 和 CN2 噴嘴的內(nèi)部孔的輪廓 相片。它被表明沿著噴嘴縱向的方向磨損的 CN2 噴嘴的內(nèi)部孔的直徑是比磨損的 GN3 疊層 噴嘴更大 , 尤其在噴嘴進口區(qū)域。 圖 b 操作 540 分鐘后的 GN3和 CN2噴嘴的內(nèi)部孔的輪廓相片 GN3 和 CN2 噴嘴進口孔直徑隨著 沖蝕 時間而變化的結果如圖 b 所示。它被指出 CN2 無壓應力噴嘴進口孔的直徑隨操作運行時間而擴大得很快。然而 GN3 疊層噴嘴進口孔直徑慢慢地隨操作運行時間增大。圖 d表示沙噴過程中 GN3 和 CN2 噴嘴的 沖蝕 率對比。顯而可見，無壓應力噴嘴的 沖蝕 率比 疊層 噴嘴的 沖蝕 率更高。因此，很顯然在相同測試條件下 GN3 疊層 噴嘴比起 GN2 無壓應力噴嘴展現(xiàn)了較高的 沖蝕 耐 40 磨性。 圖 c GN3 和 CN2噴嘴進口孔直徑隨著 沖蝕 時間而變化 圖 d 沙噴過程中 GN3 和 CN2 噴嘴的 沖蝕 率對比 圖 e 表明受磨損的 CN2 無壓應力噴嘴的進口孔的表面 SEM 顯微像。從這些 SEM 顯微像 , 噴嘴的不同形態(tài)學和破碎模態(tài)能被清楚地看見。 CN2 無壓應力噴嘴在進口區(qū)域處以非常脆的方式中失敗 , 而且展現(xiàn)了一個促使去除處理的 脆性破碎。位于噴嘴孔表面上有許多明顯的凹坑，該表面表示脆性破碎發(fā)生的表面。呈現(xiàn)在 GN3 疊層 陶瓷噴嘴被侵蝕的進口孔表面的典型 SEM 圖 如圖 f 所示。顯而可見， 疊層 噴嘴受侵蝕的區(qū)域的出現(xiàn)表示與無壓應力噴嘴受侵蝕的區(qū)域相比，它有一個相對平滑的表面。 41 圖 e 受磨損的 CN2 無壓應力噴嘴的進口孔的表面 SEM 顯微像 圖 f 受磨損的 GN3 疊層 陶瓷噴嘴的進口孔表面的 SEM 圖 因 沖蝕 磨損而失敗的陶瓷噴嘴通常由在噴嘴進口區(qū)域受大的張應力的破碎所引起的 [1115]。因為噴嘴進口區(qū)域遭受嚴 重的研磨沖擊 , 而且產(chǎn)生大的張應力 ,這可能引起表面下的側部裂縫而且促進了材料碎片的去除 .因此，噴嘴在進口區(qū)域處的 沖蝕 磨損依賴于壓應力的分布。一旦最大的張應力超過噴嘴材料的極限強度，將會發(fā)生破碎。 在進口區(qū)域和出口區(qū)域根據(jù)壓縮殘余應力的形成而分析， GN3 疊層 噴嘴比 CN2 無壓應力噴嘴具有較高的 沖蝕 耐磨性。當計算以上數(shù)據(jù)之時 ,在從燒結溫度到室溫的制造過程中， GN3 疊層 噴嘴的進口區(qū)域和出口區(qū)域處將形成受壓的殘余應力，它可能會部份地與產(chǎn)生外部負載的噴嘴的進出區(qū)段處的的張應力相抵消。這影響可能導致增加對破碎的抵制 , 因此增加了 疊層 噴嘴的 沖蝕 耐磨性。 4．結論 42 SiC/(W,Ti)C疊層 陶瓷噴嘴通過熱壓而制造。目的是在沙噴過程間減少噴嘴在進口和出口的區(qū)域的張應力。特別注意的是 疊層 陶瓷噴嘴的 沖蝕 磨損。結果表示了相對于類似的無壓應力陶瓷噴嘴， 疊層 陶瓷噴嘴有上好的 沖蝕 耐磨性?？煽康臋C制被解釋作為在制造過程中 疊層 陶瓷噴嘴進口和出口兩區(qū)域壓縮殘余應力的形成，它可能會部份地與產(chǎn)生外部負載的張應力相抵消。 疊層 結構在陶瓷噴嘴中是一種有效的改善無壓應力陶瓷噴嘴的 沖蝕 耐磨性的方法。 鳴謝 該研究受到了“中國 (50475133) 的國家自然科學基金”“高等教育 (20210422105) 的博士計劃專門研究基金”，“山東省 (Y2021F08) 自然科學基金”和“大學（ NCET040622）新世紀杰出人才計劃”的大力支持。 參考文獻 [1]李國英，曲面工程，北京，機械工業(yè)出版社， 1998 [2]鄧建新，改良的機器制造陶瓷合成物表面完整性和可靠性的技術，曲面工程 2021； 16(5):