三種不銹鋼材料抗固體顆粒沖蝕性能研究

吳小梅， 商曉宇

（北京航空材料研究院，北京 100095）

不銹鋼材料由于性能好、成本低廉而廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中，我國(guó)在研究在役先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片大部分采用不銹鋼材料，在實(shí)際服役過(guò)程中會(huì)發(fā)生腐蝕，同時(shí)壓氣機(jī)部件在運(yùn)行過(guò)程中，特別是直升機(jī)，空氣中的塵埃和沙粒等在高速氣流的作用下將對(duì)壓氣機(jī)葉片造成沖蝕，沖蝕腐蝕的交互作用，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行［1～6］。因此，了解壓氣機(jī)葉片用不銹鋼材料的沖蝕性能，對(duì)抗沖蝕涂層的研制及壓氣機(jī)葉片的可靠選材具有重要的意義。

本試驗(yàn)采用增壓固體顆粒沖蝕試驗(yàn)裝置及方法評(píng)價(jià)三種不銹鋼材料的抗沖蝕性能，沖蝕角度選用90°和30°。90°考查材料的韌性和硬度，壓氣機(jī)葉片在使用過(guò)程中30°角度遭受沖蝕最為嚴(yán)重，所以選用30°考查材料的抗沖蝕性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析不同沖蝕角度對(duì)材料抗沖蝕性能的影響及不同材料間抗沖蝕性能的差異，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片防護(hù)涂層研制及選材提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為1Cr11Ni2W2Mo2V，1Cr12Ni2WMoVNb，1Cr17Ni2三種不銹鋼，熱處理制度:1Cr11Ni2W2MoV鋼采用1010℃油淬+560℃回火;1Cr17Ni2鋼采用1040℃油淬+530℃回火;1Cr12Ni2W2MoVNb鋼采用1050℃油淬+580℃回火。三種材料的硬度分別為658HV，425 HV和497 HV。試樣尺寸為30mm×30mm×2.5mm。

1.2 試驗(yàn)方法

目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)材料抗沖蝕性能的標(biāo)準(zhǔn)，我們參照ASTMG76-04標(biāo)準(zhǔn)自建了固體顆粒加氣沖蝕試驗(yàn)裝置［7］，可以比較真實(shí)的反映出材料的抗沖蝕性能。沖蝕試驗(yàn)條件:沖蝕氣流壓力為0.20MPa，固體顆粒沖蝕速率約為0.7 g/s，噴嘴距試樣表面距離L=3 cm，噴嘴直徑r=1.0 mm，沖蝕角度 α =30°，90°，固體顆粒為 125 ～150 μm 的有棱角的石英砂。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

2.1 30°和90°沖蝕時(shí)三種不銹鋼材料的抗沖蝕性能

三種不銹鋼材料30°沖蝕時(shí)的沖蝕速率與沖蝕砂量圖見(jiàn)圖1。在相同沖蝕條件下，三種不銹鋼材料在20g固體顆粒沖蝕時(shí)達(dá)到最大沖蝕速率，在達(dá)到最大沖蝕速率后，隨著固體沖蝕顆粒的增加，三種不銹鋼材料的沖蝕速率逐漸下降，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在40g固體顆粒沖蝕后基本達(dá)到穩(wěn)定沖蝕階段，穩(wěn)定沖蝕速率:1Cr11Ni2W2MoV ＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr17Ni2，即抗沖蝕性能 1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV。三種不銹鋼材料90°沖蝕時(shí)的沖蝕速率與沖蝕砂量關(guān)系圖見(jiàn)圖2。在90°沖蝕條件下，1Cr12Ni2W2MoVNb在10g固體顆粒沖蝕時(shí)達(dá)到最大沖蝕速率，1Cr17Ni2和1Cr11Ni2W2MoV在20g固體顆粒沖蝕時(shí)達(dá)到最大沖蝕速率，在達(dá)到最大沖蝕速率后，隨著固體沖蝕顆粒的增加，三種不銹鋼材料的沖蝕速率逐漸下降，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在50g固體顆粒沖蝕后基本達(dá)到穩(wěn)定沖蝕階段，穩(wěn)定沖蝕速率:1Cr11Ni2W2MoV＞1Cr17Ni2和 1Cr12Ni2W2MoVNb，1Cr17Ni2 和1Cr12Ni2W2MoVNb穩(wěn)定沖蝕速率差不多，即抗沖蝕性能1Cr17Ni2和1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV。

在30°和90°沖蝕時(shí)，1Cr17Ni2材料的抗沖蝕性能均最佳，這是因?yàn)樵谙嗤瑳_蝕條件下，材料的沖蝕性能主要取決于材料的硬度和韌性。1Cr11Ni2W2Mo2V，1Cr12Ni2WMoVNb，1Cr17Ni2 硬度分別為658HV，425 HV和497 HV，三種不銹鋼材料均為塑性材料，對(duì)于塑性材料，90°沖蝕時(shí)材料沖蝕性能主要與材料本身的硬度有關(guān)，其抗沖蝕性能隨材料硬度增加而降低，1Cr12Ni2WMoVNb，1Cr17Ni2硬度差不多，所以表現(xiàn)為抗沖蝕性能1Cr17Ni2和1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV。而 30°沖蝕時(shí)材料沖蝕性能除于本身硬度有關(guān)外，還與材料的韌性有關(guān)，在三種材料中，1Cr17Ni2材料硬度和韌性適中，所以在30°沖蝕時(shí)表現(xiàn)為抗沖蝕性能1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV。

2.2 沖蝕試驗(yàn)后試樣表面宏觀形貌

由圖3可見(jiàn)，三種不銹鋼材料在10g石英砂沖蝕試驗(yàn)（第一次沖蝕試驗(yàn)）后，表面出現(xiàn)三個(gè)區(qū)域:光環(huán)外未遭受破壞的基體區(qū)（Ⅲ區(qū)），為光亮的原始表面色;光環(huán)內(nèi)沖蝕所致的嚴(yán)重破壞區(qū)（Ⅰ區(qū)），為深色;沖蝕破壞輕微的光環(huán)區(qū)（Ⅱ區(qū)），為亮白色。30°沖蝕試驗(yàn)后沖蝕斑類似于橢圓形狀，90°沖蝕試驗(yàn)后沖蝕斑類似于圓形狀。理論上90°沖蝕時(shí)，試樣表面沖蝕斑應(yīng)為圓形狀，但在實(shí)際沖蝕試驗(yàn)中，由于沖蝕試樣平面與噴槍噴嘴平面很難保持為完全平行，即沖蝕角度很難保持為剛好90°，所以沖蝕斑為不規(guī)則的圓形狀。隨著沖蝕砂量的增加，沖蝕區(qū)域逐漸變大，在100g石英砂沖蝕試驗(yàn)后，在Ⅰ區(qū)出現(xiàn)一較深的沖蝕坑。這是由于試驗(yàn)是從右至左方向進(jìn)行沖蝕，從右至左，噴嘴距試樣的距離逐漸增加，顆粒對(duì)試樣的沖擊力逐漸變小，而沖擊力越大，試樣所遭受的沖蝕破壞也越嚴(yán)重，所以，在Ⅰ區(qū)出現(xiàn)一較深的沖蝕坑。三種不銹鋼材料在整個(gè)沖蝕試驗(yàn)完成后，表面沖蝕坑的深淺程度不同，30°沖 蝕 試 驗(yàn) 后，表 面 沖 蝕 坑 深 度:1Cr11Ni2W2MoV＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr17Ni2，即抗沖蝕性能1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV，這與三種不銹鋼在30°沖蝕時(shí)的沖蝕速率與沖蝕砂量關(guān)系圖所得結(jié)果一致。90°沖蝕試驗(yàn)后，1Cr17Ni2表面也出現(xiàn)很深的沖蝕坑，這與30°沖蝕試驗(yàn)后的結(jié)果不同，30°沖蝕試驗(yàn)結(jié)束后，1Cr17Ni2表面沖蝕坑很淺。

2.3 不同沖蝕角沖蝕試驗(yàn)后試樣表面微觀形貌

不同沖蝕試驗(yàn)后試樣表面微觀形如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，在30°沖蝕時(shí)，試樣表面形貌主要表現(xiàn)為一條條明顯的犁溝、擠壓片及微裂紋，擠壓片是重復(fù)沖蝕后犁溝互相重疊而致。在90°沖蝕時(shí)，試樣表面形貌主要表現(xiàn)為擠壓坑、碎塊、微裂紋。在沖蝕過(guò)程中，固體沖蝕顆粒對(duì)材料的沖擊力可分解為平行于表面的切向力和垂直于表面的法向力，切向力對(duì)材料產(chǎn)生切削作用，沿著切向力的方向使材料表面出現(xiàn)犁溝，法向力對(duì)材料產(chǎn)生鑿壓作用，使材料表面出現(xiàn)擠壓坑。在高角度沖蝕時(shí)，切向力基本消失，材料僅受正面沖擊，材料表面不斷發(fā)生彈塑性變形，形成沖擊凹坑，在其邊緣有變形過(guò)程中擠壓出來(lái)的材料堆積物，他們?cè)陬w粒的不斷沖擊下，因反復(fù)擠壓而剝落或因剪切而斷裂。三種材料30°沖蝕磨損主要是由顯微切削引起，90°沖蝕磨損主要是以擠壓成片為機(jī)理。

2.4 三種不銹鋼材料抗沖蝕性能比較

從表1可見(jiàn)，90°沖蝕時(shí)，三種不銹鋼材料的穩(wěn)定沖蝕速率都比30°沖蝕時(shí)的穩(wěn)定沖蝕速率小。這是因?yàn)闆_蝕與沖蝕粒子大小、粒子速率、沖蝕角及基體材料有關(guān)，塑性材料沖蝕速率在沖蝕角度為20～30°左右時(shí)沖蝕速率最大［8～11］，三種不銹鋼材料均為塑性材料，遵循塑性材料沖蝕規(guī)律，所以基體材料90°穩(wěn)定沖蝕速率都比30°穩(wěn)定沖蝕速率小。

表1 三種不銹鋼材料不同角度沖蝕下的穩(wěn)定沖蝕速率Table 1 Steady erosion rate of three stainless steels at different Impact angle

30°和90°下1Cr17Ni2的穩(wěn)定沖蝕速率最小，即1Cr17Ni2的抗沖蝕性能最好，從圖3中三種不銹鋼沖蝕后試樣表面宏觀形貌可見(jiàn)，沖蝕試驗(yàn)后1Cr17Ni2試樣表面沖蝕坑最淺，表明1Cr17Ni2的抗沖蝕性能最好。結(jié)合沖蝕曲線圖（見(jiàn)圖1和圖2）、沖蝕形貌圖（圖3）可知，三種不銹鋼材料的抗沖蝕性能1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb ＞1Cr11Ni2W2MoV。Levy［12］較系統(tǒng)的研究了碳化物含量對(duì)塑性材料抗沖蝕性能的影響，研究結(jié)果表明，碳化物含量增加，材料的抗沖蝕性能下降。本實(shí)驗(yàn)中，1Cr17Ni2材料組織結(jié)構(gòu)為M23C6型碳化物和部分回火索氏體，1Cr12Ni2W2MoVNb材料組織結(jié)構(gòu)為M23C6型碳化物，1Cr11Ni2W2MoV材料組織結(jié)構(gòu)為M23C6型和M2X型碳化物，按照Levy研究結(jié)果抗沖蝕性能1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb和1Cr11Ni2W2MoV，這與本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

（1）三種不銹鋼材料在砂粒沖擊下均發(fā)生沖蝕磨損，30°沖蝕速率大于90°沖蝕速率。

（2）在相同沖蝕條件下，三種不銹鋼材料抗沖蝕性能:1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV，即1Cr17Ni2不銹鋼抗沖蝕性能最好，1Cr17Ni2不銹鋼表面遭受的沖蝕損壞最小。

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