NiTi形狀記憶合金沖蝕磨損試驗(yàn)方法及性能研究

◇福建船政交通職業(yè)學(xué)院 林小東

對(duì)于泵體與葉片來(lái)說(shuō)沖蝕磨損是不可避免的。由于形狀記憶合金具有形狀記憶、超彈性、高阻尼和良好的耐磨性，因而在本試驗(yàn)中引入了對(duì)這種材料耐沖蝕及其試驗(yàn)方法的研究。本試驗(yàn)?zāi)M水電站渦輪葉片及泵殼的工況條件設(shè)計(jì)了合金的沖蝕磨損試驗(yàn)裝備，開(kāi)發(fā)了一套有效的沖蝕試驗(yàn)方法，并研究了NiTi形狀記憶合金在砂粒沖蝕條件下的耐磨損性能。本試驗(yàn)結(jié)果表明NiTi形狀記憶合金其耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般材料。本試驗(yàn)認(rèn)為NiTi形狀記憶合金的高硬度、高韌性和良好的疲勞性能是其具有良好的耐磨性的主要原因。而應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變、自協(xié)調(diào)機(jī)理又是形成高硬度、高韌性和良好的耐磨性的根本原因。

1 前言

船用的泵殼、葉片以及水力發(fā)電機(jī)葉片在工作過(guò)程中，由于水中夾雜著各種各樣的顆粒，其工作表面受到不同程度的磨粒沖擊和氣蝕作用。這不僅使大量金屬損耗，而且需要頻繁更換零部件，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。NiTi形狀記憶合金除了具有優(yōu)異的形狀記憶、超彈性和高阻尼等獨(dú)特的力學(xué)性能外，還具有高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕等特點(diǎn)[1]。由此特性推斷，該材料具有被廣泛應(yīng)用到工程中的潛力。本試驗(yàn)的基本思想：設(shè)計(jì)一種有效的沖蝕磨損試驗(yàn)方法，能夠有效地模擬電站水輪機(jī)葉片的工況條件，達(dá)到快速評(píng)價(jià)材料及防護(hù)涂層耐沖蝕磨損能力的目標(biāo)；通過(guò)沖蝕磨損試驗(yàn)，根據(jù)磨損失重規(guī)律及磨損試樣表面的形貌變化，進(jìn)一步分析材料的磨損規(guī)律和磨損機(jī)制。

2 沖蝕磨損

磨損是由一對(duì)相互接觸的表面在法向力的作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)械的和化學(xué)的過(guò)程，引起摩擦表面物質(zhì)逐漸損耗或產(chǎn)生殘余變形[2]。磨損是普遍存在的現(xiàn)象，它導(dǎo)致材料和能源的消耗，影響機(jī)器的使用壽命和可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有80%的零件損壞是由于各種形式的磨損造成的。磨損的類(lèi)型有很多種，前面所述的泵殼、葉片以及水力發(fā)電機(jī)葉片等構(gòu)件的磨損可以歸為沖蝕磨損。沖蝕磨損是指流體（包括固體質(zhì)點(diǎn)）以一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。其基本特征是：表面有小凹坑，變形層有微小裂紋，磨屑是小碎片[3]。根據(jù)介質(zhì)的不同，沖蝕磨損可以分為三種基本類(lèi)型：固體顆粒的沖蝕磨損、液滴沖蝕磨損和氣蝕磨損。在本試驗(yàn)中，試樣的磨損主要為固體顆粒的沖蝕磨損和氣蝕磨損。然而由于液體的流速不高，雖然氣蝕磨損不可避免，但可以忽略不計(jì)。因而本文主要探討的是固體顆粒的沖蝕磨損。

3 形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）是一種有形狀記憶效應(yīng)的特殊功能材料。形狀記憶合金的可貴之處，在于它是一種無(wú)疲勞的材料，這種變形與恢復(fù)的過(guò)程可以反復(fù)進(jìn)行500萬(wàn)次而不產(chǎn)生疲勞斷裂，而且它恢復(fù)原狀幾乎可以達(dá)到100%，即和原來(lái)一模一樣[4]。隨著對(duì)形狀記憶合金的認(rèn)識(shí)，最近在電器、電子、汽車(chē)、機(jī)械、能源、醫(yī)療裝置等許多方面正在大力推廣應(yīng)用。從強(qiáng)度等方面來(lái)看，只有NiTi系合金和Cu系合金比較實(shí)用，所以這兩種材料是材料學(xué)的主要研究對(duì)象。

形狀記憶合金的基本特點(diǎn)：它具有形狀記憶效應(yīng)、自諧調(diào)機(jī)制、應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變、相變偽彈性四個(gè)方面的性質(zhì)。金屬材料受力一般有彈性－塑性－破壞的過(guò)程，NiTi合金受力時(shí)卻在彈性－塑性之間表現(xiàn)出非塑性的過(guò)程。NiTi除良好的物理、機(jī)械性能之外，還具有良好的耐磨性[5]、耐腐蝕性。本文主要研究NiTi合金的沖蝕磨損性能。

4 模擬試驗(yàn)裝備和試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)根據(jù)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)沖蝕磨損試驗(yàn)，選用重量磨損量，針對(duì)砂漿泵殼及葉片的工況條件設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)，這種工況條件可簡(jiǎn)化為：某一質(zhì)點(diǎn)以一定的速度沖擊到材料的表面，在質(zhì)點(diǎn)與材料接觸的瞬間，材料正對(duì)磨料的表面受到的只有法向壓應(yīng)力的作用，而當(dāng)質(zhì)點(diǎn)以小于90°方向沖擊材料表面時(shí)，材料則受到法向和切向應(yīng)力的作用。

4.1 設(shè)計(jì)和組裝沖蝕磨損試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)裝備均自行設(shè)計(jì)安裝，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，主要由水箱（800 mm×800 mm×1000 mm）、污水泵、木梁、工程用砂以及管道組成。水箱作為循環(huán)用水砂兩相混合流體的容器，水泵作為產(chǎn)生高速兩相流體的動(dòng)力，木梁作為固定水泵及流道的輔助工具，所用的建筑工程砂主要取自江河，與本試驗(yàn)的目的相吻合。

安裝如上述的模擬磨損試驗(yàn)方法，本試驗(yàn)裝備的設(shè)計(jì)指標(biāo)是：①產(chǎn)生高速兩相流體；②流體中攜帶足夠量的固體顆粒，即含砂量高；③在反復(fù)多次及長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行中，含砂量穩(wěn)定，不可有大的波動(dòng)，以便試驗(yàn)結(jié)果有可比性；④電器系統(tǒng)安全可靠，最大限度地降低安全事故及運(yùn)行故障；⑤試樣便于安裝，可重復(fù)性好。

安裝如上指標(biāo)，經(jīng)多次改進(jìn)試樣方案，得到了較好的沖蝕磨損試驗(yàn)方法。主要采用了以下三種：

圖1 第一、二種試驗(yàn)方法的設(shè)備裝配簡(jiǎn)圖

圖2 第三種試驗(yàn)方法的設(shè)備裝配圖

（1）第一種試驗(yàn)方法：見(jiàn)圖1，水泵出口處連接塑料螺紋管，長(zhǎng)度約800 mm，在出口附近（約100 mm處）安裝試樣，為了加快試驗(yàn)進(jìn)度，每次安裝3個(gè)試樣，角度均布，并保持一定距離約50 mm，試樣的表面與迎水面成20°角。如圖1所示。其中木梁用來(lái)控制管子的位置及角度。經(jīng)約300小時(shí)的運(yùn)行，得到了一批試驗(yàn)結(jié)果，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：①由于水在管道內(nèi)螺旋流動(dòng)，因而產(chǎn)生離心力，使砂粒只在管子的壁上流動(dòng)，從而減少了試樣的沖蝕面積；②管子內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損而很容易被磨漏；③流阻損失很大，流速低，砂粒在試樣表面的沖擊力不大；④含砂量很低且不穩(wěn)定，磨損速度很小，試驗(yàn)周期太長(zhǎng)。

（2）第二種試驗(yàn)方法：在第一階段試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了管道材料的改進(jìn)，把螺旋管改為膠皮管，其余與第一種試驗(yàn)方法相同。經(jīng)約60小時(shí)的試驗(yàn)，得到一組數(shù)據(jù)表明，流阻損失比第一種試驗(yàn)方法明顯減少，流速增大，水箱中流體的攪拌程度增加，含砂量增多，且比第一種方法穩(wěn)定。但是這種試驗(yàn)方法仍存在不少問(wèn)題，例如試樣相互之間干擾大，管道流阻仍然很大，流速和含砂量還沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，磨損速度仍然很低。

（3）第三種試驗(yàn)方法：通過(guò)對(duì)以上兩種試驗(yàn)方法的分析發(fā)現(xiàn)，造成流阻損失的主要原因是泵殼排水口處的法蘭彎頭和管道損失，所以把彎頭法蘭切掉，試樣直接插在泵殼排水口處，如圖2所示，這樣流體在葉輪的切線方向直接沖擊試樣表面，從而有效地減少了流阻損失。由于水泵受到水流的反推力增大，需要把泵固定在木梁上。經(jīng)10小時(shí)的試驗(yàn)表明，兩相流體速度大大提高，水箱中經(jīng)高速水流的強(qiáng)烈攪拌，使砂粒懸浮與水中，出水含砂量大大提高，且在多次長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行中，含砂量穩(wěn)定，沒(méi)有大的波動(dòng)，試樣便于安裝，可重復(fù)性好。這種試驗(yàn)方法存在的唯一問(wèn)題是不能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)試樣的沖蝕磨損試驗(yàn)，但由于磨損速度大大提高，要獲得相近磨損量的試驗(yàn)周期從24小時(shí)減少到1小時(shí)左右。

試驗(yàn)過(guò)程中，必須考慮砂的投入量（砂水比）和積砂問(wèn)題。由于水箱底部不可避免的有大量的沉砂，并在水箱的底部成一定的形狀，為了增加流動(dòng)的水中的含砂量，盡可能地增大磨損率，所以在水箱中盡可能的多放砂，以提高砂水比。試驗(yàn)時(shí)還必須考慮水分的蒸發(fā)問(wèn)題。因?yàn)樗玫呐帕繛?2 m2/h，箱中的水每小時(shí)循環(huán)約30次，并伴隨強(qiáng)烈的攪動(dòng)，水泵本身發(fā)熱，這些都加快了水溫的上升和水分的蒸發(fā)。水分蒸發(fā)使砂水比發(fā)生變化，并且水溫升高影響了材料的性能，所以適量補(bǔ)充水，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知控制適當(dāng)?shù)淖詠?lái)水水閥開(kāi)度即可實(shí)現(xiàn)。

4.2 試驗(yàn)材料

試樣用切割機(jī)切出，表面經(jīng)300#水砂紙磨光。由于葉片采用不銹鋼，因而采用不銹鋼作為對(duì)比試樣，另外還對(duì)比了Al合金、CuZnAl及形狀記憶合金。

4.3 試驗(yàn)程序

根據(jù)試驗(yàn)的要求，在水箱中放入一定量的水與砂，進(jìn)行試樣的砂粒沖蝕磨損試驗(yàn)：①試樣的制備，用切割機(jī)切割好試樣，然后用多種型號(hào)的水砂紙?zhí)幚碓嚇拥谋砻?；②接著用丙酮把試樣擦凈，再在Sony CCD顯微攝像系統(tǒng)上觀察其表面形貌；③用分析天平（最大載荷200克，最小刻度0.1毫克）稱(chēng)量各個(gè)試樣的質(zhì)量并記錄具體數(shù)據(jù)；④把試樣裝在設(shè)備中沖蝕規(guī)定的時(shí)間后取出，用自來(lái)水清洗干凈，接著用丙酮把試樣擦凈，放在Sony CCD顯微攝像系統(tǒng)上觀察其表面形貌，用分析天平稱(chēng)量其質(zhì)量，記錄具體數(shù)據(jù)。以此類(lèi)推，分別沖蝕規(guī)定的單位時(shí)間，測(cè)出磨損量并觀察各個(gè)試樣的表面形貌。最后，根據(jù)磨損量數(shù)據(jù)畫(huà)出磨損量與時(shí)間關(guān)系圖。

5 試驗(yàn)結(jié)果

（1）第一種試驗(yàn)方法（沖蝕間隔時(shí)間為24小時(shí)），結(jié)果如表1所示。

表1 累積磨損量

因?yàn)樵跊_蝕磨損的過(guò)程中沒(méi)有換試樣，所以應(yīng)該把沖蝕磨損量值加起來(lái)得到累積磨損量與磨損時(shí)間的關(guān)系，如表1及圖3所示?？梢?jiàn)，經(jīng)120小時(shí)的磨損后，NiTi形狀記憶合金的總磨損量約為CuZnAl合金的6.5%，Al合金的3.5%，并且隨著沖蝕時(shí)間的增加，CuZnAl合金和Al合金的磨損率增加的比NiTi合金明顯多的多，磨損曲線明顯變陡，特別是沖蝕時(shí)間超過(guò)72小時(shí)后。

圖3 磨損量與時(shí)間關(guān)系圖

（2）第二種試驗(yàn)方法（沖蝕間隔時(shí)間為12小時(shí)），結(jié)果如表2所示。

表2 累積磨損量

同樣在沖蝕磨損的過(guò)程中沒(méi)有換試樣，得到累積磨損量與時(shí)間的關(guān)系，如表2和圖4?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)近60小時(shí)的磨損后，NiTi形狀記憶合金的總磨損量約為CuZnAl合金的6.2%、不銹鋼的47.2%。CuZnAl合金的磨損率最大，不銹鋼的磨損率次之，NiTi合金的磨損率最低，并且隨著時(shí)間的增加，CuZnAl合金與不銹鋼合金都加速磨損。其磨損量和磨損規(guī)律與第一種試驗(yàn)方法相近，但變化趨勢(shì)不同。

圖4 磨損量與時(shí)間關(guān)系圖

（3）第三種試驗(yàn)方法（沖蝕間隔時(shí)間為1小時(shí)），結(jié)果如表3所示。

表3 累積磨損量

表3為累積磨損量與時(shí)間的關(guān)系，如圖5所示?？梢?jiàn)經(jīng)6小時(shí)的磨損后，NiTi形狀記憶合金的總磨損量約為不銹鋼的31.1%，與前兩種試驗(yàn)方法得到的規(guī)律相近，但NiTi合金的相對(duì)磨損量提高，而且盡管磨損時(shí)間大大縮短，但磨損量明顯增大，說(shuō)明采用這種試驗(yàn)方法能夠?qū)Σ牧系哪蜎_蝕磨損特性進(jìn)行快速有效的評(píng)價(jià)。

圖5 磨損量與時(shí)間關(guān)系圖

綜合以上三組試驗(yàn)結(jié)果，在沖蝕磨損條件下，Al合金的磨損量最大，CuZnAl合金次之，接著是不銹鋼，NiTi形狀記憶合金的磨損率最低，即NiTi形狀記憶合金的耐磨性均比其它幾種材料的好。

6 分析與討論

6.1 試驗(yàn)方法的探索

（1）在試驗(yàn)過(guò)程中，由于泵殼的材料為鑄鐵，它的磨損速度明顯高于其它的材料，其中葉片的磨損最嚴(yán)重，它的磨損對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中流體的速度有很大的影響，所以在試驗(yàn)前必須對(duì)它們進(jìn)行表面處理。在試驗(yàn)過(guò)程中，必須隨時(shí)觀察泵殼，以防被沖漏而影響試驗(yàn)的結(jié)果。

（2）水箱必須有一定的傾斜角度且最好箱底與水流形狀相符合，否則就會(huì)造成大量的積砂，使流體中的含砂量不能達(dá)到很大值，且使試驗(yàn)條件不穩(wěn)定。

（3）要在電路控制系統(tǒng)中加入時(shí)間和液位控制器，時(shí)間控制器能精確地控制試驗(yàn)中試樣的沖蝕時(shí)間，液位控制器能非常精確地控制水量，從而使砂水比穩(wěn)定。

（4）要在水箱中裝備一個(gè)恒溫器，以防在沖蝕磨損試驗(yàn)中流體的溫度變化而影響試樣的性質(zhì)。

6.2 NiTi合金耐磨性問(wèn)題的分析與討論

由以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，NiTi合金在沖蝕條件下有良好的耐磨性。

（1）一般說(shuō)來(lái)，材料的硬度越高，耐磨性越好。但是，硬度和耐磨性沒(méi)有確定的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系[6]。耐磨性還與材料的韌性和抗疲勞性能有關(guān)。由于NiTi合金具有自協(xié)調(diào)的性質(zhì)，自協(xié)調(diào)機(jī)制使得NiTi合金的彈性極限大大提高。NiTi合金的硬度高于其它合金的硬度，有良好的抗疲勞性能。

（2）韌性高的組織受磨粒撞擊時(shí)材料表面產(chǎn)生劇烈的變形，形成鑿坑，經(jīng)過(guò)多次塑性變形而導(dǎo)致斷裂和剝落；而韌性低的材料在同樣條件下，更容易斷裂和剝落[3]。

一般金屬的彈性應(yīng)變值只有0.2%左右，而處于“超彈態(tài)”的NiTi合金的極限應(yīng)變值可達(dá)10%～20%，比一般的金屬高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。一般金屬受力屈服有彈性塑性屈服的過(guò)程，而NiTi合金受力屈服卻是彈性非塑性塑性屈服的過(guò)程，非塑性變形表現(xiàn)為形狀記憶合金的超彈性。由于超彈性的存在，在理想條件下，本試驗(yàn)認(rèn)為彈性沖擊對(duì)磨損不產(chǎn)生作用，從而提高了NiTi合金的耐磨性。

7 結(jié)論

（1）試驗(yàn)表明第三種試驗(yàn)方法是評(píng)價(jià)材料沖蝕磨損性能的一種有效快速的方法，可以很好的用于以后的沖蝕磨損試驗(yàn)中。

（2）NiTi合金在沖蝕條件下具有良好的耐磨性。

（3）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變、自協(xié)調(diào)機(jī)制、超彈性以及NiTi合金本身具有的硬度和韌性、耐疲勞性，是NiTi合金具有良好的耐磨性的主要原因。