純鈦空化水射流處理表面空蝕損傷

闞曉陽， 劉鵬濤， 周卯旸，2， 趙秀娟， 陳春煥， 任瑞銘

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116028;2.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連116013)

空化水中大量微小空泡群在金屬表面潰滅時(shí)可產(chǎn)生很高的沖擊波壓力，使金屬發(fā)生塑性變形［1，2］。Vtas 等［3］較詳盡地研究了面心立方金屬的空蝕過程，發(fā)現(xiàn)在空蝕很短的時(shí)間內(nèi)，金屬就開始發(fā)生塑性變形，掃描電鏡下晶界和滑移帶顯現(xiàn)，位錯(cuò)胞尺寸下降;同時(shí)表層硬度提高，微觀應(yīng)變提高，宏觀殘余壓應(yīng)力提高。利用這一現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化，提高表面殘余壓應(yīng)力［4～7］;但空泡不斷潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波和微射流反復(fù)作用，會(huì)破壞固體表面，形成非常有害的空蝕［8～13］。自19 世紀(jì)末在船舶螺旋槳葉片上首次發(fā)現(xiàn)空蝕現(xiàn)象以來，人們已經(jīng)對(duì)空蝕作用機(jī)理展開了大量研究［1，14，15］，但由于涉及流體動(dòng)力學(xué)條件、機(jī)械沖擊、過流部件材料種類與成分，以及材料表面與液體的電化學(xué)交互作用等諸多因素，其損傷機(jī)理非常復(fù)雜［1，2］，對(duì)于不同的材料、不同的實(shí)際場(chǎng)合和條件，往往得到不同的結(jié)論。在空蝕過程的孕育期、上升期、平穩(wěn)期和衰減期四個(gè)階段中［1］，孕育期階段尤為關(guān)鍵，因此，空蝕孕育期內(nèi)的空蝕損傷對(duì)整個(gè)空蝕問題尤為重要。

鈦與鈦合金多用于航空工業(yè)中的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的承力構(gòu)件和緊固件等，我國與國外在鈦合金應(yīng)用相配套的技術(shù)研究方面有一定差距，實(shí)現(xiàn)鈦合金應(yīng)用研究技術(shù)大跨度的發(fā)展是我國航空工業(yè)的迫切需求［16，17］，而空蝕問題也是目前備受關(guān)注的課題之一。本研究選取工業(yè)純鈦為試驗(yàn)材料，對(duì)其進(jìn)行不同規(guī)程的空化水射流處理，通過觀察處理后試樣的表面形貌、粗糙度、橫截面組織和硬度，對(duì)空蝕孕育期內(nèi)的損傷進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選用3mm 厚的工業(yè)純鈦(TA1)板材，其化學(xué)成分見表1，在真空爐中1000℃退火120min，以消除工業(yè)純鈦的殘余應(yīng)力和孿晶。將純鈦板材切成φ20mm 的圓片，經(jīng)過精磨和拋光處理，得到表面粗糙度(Sa)為0.08μm 金相試樣。

采用自行研制的空化水射流設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行不同時(shí)間的空化水射流處理?？栈淞魈幚頃r(shí)試樣和噴嘴均淹沒在水中，水射流呈90°直射試樣表面中心部位。選用的噴嘴直徑為1mm，噴嘴與試樣的距離為80mm，水射流壓力為30MPa。

采用LEICA DCM3D 型三維視頻顯微鏡對(duì)水射流處理后的表面形貌、橫截面組織形貌進(jìn)行顯微組織觀察，并對(duì)表面粗糙度(Sa)進(jìn)行分析。采用ZEISS SUPRA55 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣表面形貌變化，金相試樣浸蝕劑為10% HF +5%HNO3+85%H2O(體積分?jǐn)?shù))。采用FM-700 型維氏硬度計(jì)對(duì)試樣的橫截面硬度進(jìn)行測(cè)試，加載載荷為0.1N，載荷加載時(shí)間為15s，第一個(gè)硬度測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在距試樣表面2.5d(d 為壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度)處，測(cè)量間距不小于4d。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面空蝕損傷

根據(jù)淹沒式空化水射流在水中的流動(dòng)和對(duì)金屬的損傷，可以把損傷斑中心一定范圍內(nèi)的損傷稱為一次水射流損傷區(qū)，即該區(qū)域主要由噴嘴噴出的空化水射流作用;在該區(qū)外圍的環(huán)形損傷區(qū)，是由水射流外圍空化能力較弱的射流與水射流中心射流區(qū)碎裂出的空泡混合作用造成的，可稱為混合射流損傷區(qū)，其示意圖如圖1。由于水射流在水中的流動(dòng)受到水射流形成過程、設(shè)備條件和湍流等因素的影響，一次射流損傷區(qū)和混合射流損傷區(qū)之間并沒有非常嚴(yán)格的界限，實(shí)際損傷表面低倍形貌見圖2。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得，損傷嚴(yán)重的一次水射流損傷區(qū)的尺寸約為1mm 左右，與噴嘴直徑相近。

圖1 淹沒式空化水射流與損傷區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of submerged cavitating water jet and damage zone

2.1.1 一次射流區(qū)的損傷

圖2 空化水射流處理60min 時(shí)試樣的表面形貌和損傷區(qū)示意圖Fig.2 Surface morphology of the test specimen after water cavitation jet in 60 minutes

為清晰觀察空化水射流處理過程中表面形貌變化，所有試樣都先進(jìn)行機(jī)械拋光。在30MPa 下水射流處理不同時(shí)間后樣品的表面形貌如圖3。由圖3可見，水射流處理5min 時(shí)，試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)塑性變形坑、空蝕針孔和孿晶。塑性變形坑的尺寸大小不均勻，最大直徑為20μm，見圖3b;空蝕針孔尺寸基本相同，約1μm，見圖3d。水射流處理20min 時(shí)，損傷明顯加重，塑性變形坑和空蝕針孔有所增加，但尺寸變化不大，而孿晶數(shù)量明顯增加，而且在整個(gè)表面出現(xiàn)了大量的細(xì)小裂紋，甚至在尺寸較大的塑性變形坑內(nèi)也出現(xiàn)了微裂紋，見圖3c，d。水射流處理30min 時(shí)，試樣表面凸凹不平嚴(yán)重，有些原始晶界也開始變得清晰，說明由于塑性變形嚴(yán)重，晶內(nèi)位錯(cuò)移動(dòng)和孿生的結(jié)果，使得晶粒發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，不同晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)方向和程度不同，從而使晶界顯現(xiàn)。高倍數(shù)下觀察發(fā)現(xiàn)，在表面還出現(xiàn)了大量的微裂紋，并伴隨有少量剝落，見圖3e，f。隨著時(shí)間繼續(xù)增加，塑性變形和剝落更加嚴(yán)重，表面粗糙度進(jìn)一步增大，射流處理60min 時(shí)裂紋明顯變粗、變深，發(fā)生大量剝落，但仍可看出裂紋網(wǎng)格的尺寸與水射流處理30min 時(shí)相同，見圖3g。說明這種網(wǎng)格狀裂紋是造成表面剝落的主要原因。

2.1.2 混合射流損傷區(qū)形貌

對(duì)混合射流區(qū)表面形貌隨水射流處理時(shí)間的變化進(jìn)行了細(xì)致觀察，沒有發(fā)現(xiàn)在一次射流損傷區(qū)觀察到的塑性變形坑和空蝕針孔，只有形變孿晶數(shù)量隨水射流處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。這可能主要是由于由噴嘴噴出的空化水受到一次射流區(qū)空泡碎化后濺射的空泡流的干擾，垂直與樣品表面方向的射流強(qiáng)度降低，不足以使試樣表面產(chǎn)生塑性變形坑和空蝕針孔，只能產(chǎn)生一定數(shù)量的孿晶，而當(dāng)塑性變形足夠大時(shí)，首先在孿晶界出現(xiàn)裂紋，如圖4 所示。

圖3 水射流處理過程中一次射流區(qū)形貌Fig.3 Microstructure of the direct cavitating water jet damage zone (a)0min;(b)5min;(c)20min;(d)20min;(e)30min;(f)30min;(g)60min

圖4 不同時(shí)間混合射流損傷區(qū)形貌Fig.4 Microstructure of the mixed cavitating water jet damage zone (a)10min;(b)20min;(c)30min;(d)30min

2.2 表層組織

純鈦是密排六方晶體，塑性變形方式主要為位錯(cuò)和孿晶。由于樣品在空化水射流處理前經(jīng)過高溫退火，基本上消除了孿晶，因此金相組織中觀察到的孿晶都是空化水射流造成的。圖5 所示是水射流處理60min 后一次射流區(qū)和混合射流區(qū)的橫截面組織。由圖5 可見，空化水射流處理后試樣表層晶粒沒有明顯變化，只在橫截面組織中出現(xiàn)了一定數(shù)量的孿晶，甚至在一個(gè)原始晶粒內(nèi)還出現(xiàn)孿晶交割，這與前面所述的水射流處理表面形貌一致(見圖3、圖4);但在一次射流區(qū)試樣表面有較多的裂紋和金屬剝落，最表層幾個(gè)微米范圍內(nèi)塑性變形比較嚴(yán)重，原始晶粒特征開始消失(見圖5a)?；旌仙淞鲄^(qū)金屬剝落較少，但孿晶層的深度明顯大于一次射流區(qū)(圖5b)。一次射流區(qū)孿晶層厚度大約為100μm，而混合射流區(qū)孿晶層厚度達(dá)到約350μm;這可能是由于這種塑性變形過程是一個(gè)積累的過程，時(shí)間越長(zhǎng)，孿晶層越深，但由于一次射流損傷區(qū)在射流處理很短時(shí)間內(nèi)就開始出現(xiàn)裂紋、微孔等缺陷，在一定程度上松弛了塑性變形造成的應(yīng)變，降低了表面塑性變形對(duì)次表層的影響，使累計(jì)的塑性變形影響區(qū)較淺，這也和一次射流損傷區(qū)表層晶粒塑性變形嚴(yán)重的結(jié)果相吻合。另外也可能與空化水射流方向與樣品表面角度有關(guān)，或者與空化水射流空蝕時(shí)發(fā)生的微射流和沖擊波在不同區(qū)域的作用機(jī)理有關(guān)［18］。

圖5 水射流處理60min 后橫截面形貌 (a)一次射流區(qū)橫截面形貌;(b)混合射流區(qū)橫截面形貌Fig.5 Cross-section morphology of WCJ in 60 minutes (a)cross-section morphology of the direct cavitating water jet damage zone;(b)cross-section morphology of the mixed cavitating water jet damage zone

對(duì)空化水射流處理60min 時(shí)的試樣的橫截面硬度分布進(jìn)行了測(cè)試，一次射流區(qū)的硬化層厚度為130μm，混合射流區(qū)硬化層厚度為230μm，見圖6。此外，在橫截面距表面30μm(硬度測(cè)量時(shí)菱形壓痕對(duì)角線d≈12μm，第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)取距表面2.5d 處)處一次射流區(qū)為211HV，混合射流區(qū)為173HV。由測(cè)試結(jié)果得出，一次射流區(qū)最高硬度比混合射流區(qū)高，但硬化層厚度比混合射流區(qū)薄。硬化層厚度不同的原因與孿晶層厚度不同的機(jī)理相同，即一次射流區(qū)的塑性變形影響區(qū)較淺。橫截面上一次射流區(qū)最高硬度比混合射流區(qū)高，是因?yàn)橐淮嗡淞鲾y帶的氣泡在試樣表面潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊力比混合射流區(qū)強(qiáng)。

圖6 橫截面硬度測(cè)試結(jié)果Fig.6 Cross-section microhardness

表面粗糙度隨空化水射流處理時(shí)間的增加而增加，粗糙度的增加和空蝕損傷過程有關(guān)。水射流處理的5min 到30min 是粗糙度上升速率最快的階段，這個(gè)階段一次射流區(qū)的空蝕損傷速度最快，混合射流區(qū)的孿晶數(shù)量增加最多，見圖3 和圖4。水射流處理30min 以后，試樣表面一次射流區(qū)的粗糙度上升速度明顯減小，這是由于試樣表層得到了加工硬化，新的空蝕損傷形成更加困難導(dǎo)致的?；旌仙淞鲄^(qū)的損傷主要是孿晶的形成和長(zhǎng)大，孿晶的生成規(guī)律是先形成一次孿晶，后形成次生孿晶和孿晶交割?？栈淞魈幚?0min 以后，孿晶的增加主要以次生孿晶和孿晶交割為主，而這兩種孿晶的形成方式需要的能量更大，因此，混合射流區(qū)粗糙度的上升速度明顯減小。試樣表面粗糙度隨時(shí)間的變化見圖7。

圖7 表面粗糙度隨時(shí)間的變化Fig.7 Surface roughness changes with time

2.3 空蝕損傷過程分析

由上述實(shí)驗(yàn)可以看出，空化水射流處理過程中，純鈦試樣空蝕損傷嚴(yán)重的一次射流區(qū)出現(xiàn)了塑性變形坑、空蝕針孔、形變孿晶，裂紋形成和材料剝落，其損傷過程示意圖如圖8 所示。在第一階段，試樣表面空泡潰滅次數(shù)有限，氣泡潰滅產(chǎn)生的微射流和沖擊波使純鈦表面產(chǎn)生少量塑性變形坑、空蝕針孔和孿晶，孿晶之間沒有相互交割的現(xiàn)象，如圖8 a。隨著空泡在試樣表面潰滅次數(shù)的增加，塑性變形坑和空蝕針孔的數(shù)量增加，孿晶的數(shù)量大量增加，次生孿晶和孿晶附近的裂紋開始萌生，塑性變形坑內(nèi)部也出現(xiàn)裂紋，如圖8b 所示，此時(shí)表面粗糙度的變化因晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)、裂紋的出現(xiàn)而增大。當(dāng)表面孿晶和裂紋數(shù)量繼續(xù)增加，孿晶之間有交割的現(xiàn)象發(fā)生，有次生孿晶形成，裂紋數(shù)量增加到一定程度后和達(dá)到一定深度開始橫向擴(kuò)展，逐漸引起材料損失時(shí)，才開始了第三階段(圖8c)。

圖8 表面空蝕損傷過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of the cavitation damage process (a)the first stage;(b)the second stage;(c)the third stage

3 結(jié)論

(1)根據(jù)空化水射流處理后空蝕損傷程度和淹沒式水射流的流動(dòng)特性，表面損傷區(qū)可分為中心區(qū)域的一次射流損傷區(qū)和周邊的混合射流損傷區(qū)。

(2)空化水射流處理5min 時(shí)，在一次射流區(qū)表面就存在塑性變形坑、空蝕針孔和形變孿晶等損傷。隨著水射流處理時(shí)間的延長(zhǎng)(20 ～30min)，在孿晶界等區(qū)域發(fā)現(xiàn)裂紋萌生并擴(kuò)展，處理60min 時(shí)表面已出現(xiàn)金屬大量剝落?；旌仙淞鲄^(qū)的損傷主要是形成孿晶，損傷速度明顯低于一次射流區(qū)。

(3)空化水射流處理60min 時(shí)，一次射流區(qū)和混合射流區(qū)表層最高硬度分別為211HV 和173HV，均高于基體的150HV;但兩個(gè)區(qū)的硬化層厚度和孿晶層厚度與硬度的變化規(guī)律不同，一次射流區(qū)硬化層厚度和孿晶層厚度均比混合射流區(qū)的小。

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