C/SiC復(fù)合材料噴嘴沖蝕磨損性能及其機理研究

楊曉輝，曹 佩，王 毅，白龍騰

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)是一種兼有金屬材料、陶瓷材料和碳材料綜合優(yōu)勢的新型材料，其中又以碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC)綜合性能最為優(yōu)異[1-3]。C/SiC陶瓷基復(fù)合材料是近年來繼粉末冶金材料和C/C復(fù)合材料之后發(fā)展的一種高性能摩擦材料。與傳統(tǒng)金屬及半金屬摩擦材料相比，其具有密度低、強度高、摩擦性能穩(wěn)定、摩擦量小、耐高溫、使用壽命長、熱震性能優(yōu)異等特點，被認為在摩擦材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4-8]。

在民用工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，存在諸多高溫耐沖蝕環(huán)境構(gòu)件或部件的應(yīng)用需求，如煤化工噴嘴、石油化工的燃燒部件、煤炭清潔燃燒的熱端構(gòu)件等。沖蝕現(xiàn)象廣泛存在于冶金、動力能源、水泥、石油化工、機械加工及航空航天等諸多軍、民用工業(yè)領(lǐng)域，成為引起設(shè)備失效或材料破壞的一個重要原因，其中以固體顆粒為主要介質(zhì)造成各種沖蝕現(xiàn)象在生產(chǎn)過程中最為常見[8-9]。固體顆粒沖蝕現(xiàn)象根據(jù)沖蝕介質(zhì)的不同主要可分為氣固兩相流(噴砂型)和液固兩相流(泥漿型)兩種。氣固沖蝕主要存在于如前所述噴砂嘴、航空發(fā)動機葉片及固體火箭發(fā)動機喉襯材料的服役環(huán)境中，而典型液固沖蝕則廣泛存在于煤炭潔凈燃燒噴嘴、石油化工、大型水力發(fā)電機葉片等裝置的工作環(huán)境中。在這些環(huán)境中噴嘴材料不僅受到固體粒子的沖蝕作用和氣態(tài)、液態(tài)物質(zhì)的化學(xué)侵蝕，還同時受到包括溫度場、應(yīng)力場等多物理場的耦合疊加作用。這就要求噴嘴材料應(yīng)具備優(yōu)異的抗氧化、耐沖蝕性能、優(yōu)異的抗熱沖擊性能等優(yōu)點。

本文主要通過先驅(qū)體浸漬-裂解工藝制備得到C/SiC復(fù)合材料噴嘴試驗件，通過研究噴嘴試驗件在液-固兩相流中模擬環(huán)境的工作特性，獲得了C/SiC復(fù)合材料的沖蝕磨損特性，進一步驗證C/SiC復(fù)合材料在液-固兩相流環(huán)境中的應(yīng)用可行性，并為后期C/SiC復(fù)合材料噴嘴的性能提升與改進提供試驗依據(jù)。

1 材料制備及試驗方法

1.1 C/SiC復(fù)合材料噴嘴制備

以三維針刺氈為碳纖預(yù)制體結(jié)構(gòu)，采用化學(xué)氣相滲透工藝(Chemical Vapor Infiltration, CVI)在預(yù)制體纖維表面制備厚度合適的熱解碳界面層，采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝(Polymer Impregnation Pyrolysis, PIP)經(jīng)過多次浸漬-裂解周期，制備得到C/SiC復(fù)合材料基體，并最終采用化學(xué)氣相沉積工藝(Chemical Vapor Deposition, CVD)在產(chǎn)品表面制備耐磨SiC涂層。其中，在復(fù)合材料噴嘴制備過程中，需要根據(jù)不同的浸漬-裂解周期次數(shù)，對產(chǎn)品的部分外型面及裝配尺寸進行加工。

1.2 試驗考核

為獲得C/SiC復(fù)合材料噴嘴實際工程化應(yīng)用特征，采用如圖1所示的試驗系統(tǒng)對C/SiC復(fù)合材料噴嘴在液-固兩相流中的沖蝕磨損特性進行考核。其中，試驗主要參數(shù)為：液-固兩相流主要由70%左右的黃礦石、石英等許多高硬度雜質(zhì)和30%左右的水組成，噴嘴額定工作壓力為6.5 MPa，經(jīng)計算噴嘴出口處的液-固兩相流速約為25 m/s，同時使用環(huán)境最高溫度約為1 300 ℃。

圖1 試驗考核系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experimental evaluation system

圖2所示為連續(xù)試驗80天前后C/SiC復(fù)合材料噴嘴試樣件宏觀照片對比情況。從圖2可以看出，該C/SiC復(fù)合材料噴嘴外表面無顯著變化，但發(fā)現(xiàn)其噴嘴出口端出現(xiàn)嚴重的沖蝕磨損現(xiàn)象。

圖2 試驗前后C/SiC復(fù)合材料噴嘴宏觀照片對比情況Fig.2 Picture contrast of C/SiC composites nozzle before and after test

1.3 分析測試

根據(jù)C/SiC復(fù)合材料噴嘴的結(jié)構(gòu)特點，按圖3所示剖切方案將試驗完成的C/SiC復(fù)合材料噴嘴試樣件沿其軸向分為以下4個區(qū)域：入口段(Z1)、中間錐面段(Z2)、出口直線段(Z3)及出口段(Z4)。

圖3 C/SiC復(fù)合材料噴嘴剖切方案示意圖Fig.3 Schematic of C/SiC composite nozzle cutting plan

此外，為獲得該C/SiC復(fù)合材料噴嘴的沖蝕磨損機理，參照阿基米德方法對其密度進行測試；采用JSM-6390A掃描電鏡對C/SiC復(fù)合材料噴嘴試樣件材料的微觀組織結(jié)構(gòu)進行SEM觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 入口段Z1

圖4所示分別為C/SiC復(fù)合材料噴嘴試驗件入口段區(qū)域上、下兩端的掃描電鏡SEM照片。

圖4 試驗件入口段SEM照片F(xiàn)ig.4 The SEM photos of test pieces entrance segment

從圖4可以看出，該區(qū)域整體上幾乎保留了CVD-SiC晶粒典型的 “菜花狀”特征，僅出現(xiàn)少量SiC晶粒受到液-固兩相流的沖蝕磨損痕跡，說明噴嘴入口段區(qū)域在實際工作過程中受到的液-固兩相流沖蝕磨損程度較輕。此外，可發(fā)現(xiàn)該區(qū)域C/SiC復(fù)合材料噴嘴的沖蝕磨損程度隨著遠離喉部而逐漸減弱，微觀上表現(xiàn)為SiC晶粒的完整性逐漸增強。

2.2 中間錐面段Z2

圖5所示分別為C/SiC復(fù)合材料噴嘴試驗件中間錐面段區(qū)域上、下兩端的掃描電鏡SEM照片。從圖5可以看出，中間錐面段區(qū)域C/SiC復(fù)合材料的沖蝕磨損主要停留在表面SiC涂層，未涉及到C/SiC復(fù)合材料內(nèi)部。同時，亦可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域C/SiC復(fù)合材料噴嘴的沖蝕磨損程度隨著不斷遠離喉部區(qū)域逐漸減弱。

圖5 試驗件中間錐面段SEM照片F(xiàn)ig.5 The SEM photos of test pieces cone segment

2.3 出口直線段Z3

圖6所示分別為C/SiC復(fù)合材料噴嘴試驗件出口直線段區(qū)域上、下兩端的掃描電鏡SEM照片。從圖6可以看出，該出口直線段區(qū)域試驗件材料表面SiC涂層已被沖蝕磨損耗盡，且在局部區(qū)域出現(xiàn)大量沖蝕凹坑(如圖6中箭頭所指位置)，而分析認為該沖蝕凹坑的出現(xiàn)主要機理為：因液-固兩相流不斷沖擊，會使其接觸區(qū)域產(chǎn)生強烈的擠壓變形，從而引發(fā)裂紋導(dǎo)致基體SiC的不斷剝落，最終在局部區(qū)域形成沖蝕凹坑。此外，亦可發(fā)現(xiàn)隨著不斷遠離試驗件入口端面，沖蝕凹坑現(xiàn)象更為嚴重，分析認為這主要與沖蝕角和熱應(yīng)力的區(qū)域性變化有關(guān)。

圖6 試驗件出口直線段SEM照片F(xiàn)ig.6 The SEM photos of test pieces export line segment

2.4 出口段Z4

圖7所示分別為C/SiC復(fù)合材料噴嘴試驗件出口段區(qū)域上、下兩端的掃描電鏡SEM照片。從圖7可以看出，該區(qū)域試驗件材料表面出現(xiàn)了大量沖蝕凹坑(如圖7中箭頭所指位置)，其沖蝕凹坑大小和數(shù)量均大于出口直線段區(qū)域。

此外，從圖7(a)中還可以發(fā)現(xiàn)，C/SiC復(fù)合材料噴嘴試驗件出口段附近(圖中圓圈區(qū)域)出現(xiàn)明顯的“崩塊”現(xiàn)象。這主要是由于出口端受到高溫爐膛強烈的熱輻射使得表面溫度很高，而噴嘴內(nèi)部則是室溫狀態(tài)的液-固兩相流，使得噴嘴出口段內(nèi)外表面產(chǎn)生較大的溫度梯度，進而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，加之該區(qū)域受到液-固兩相流更為強烈的沖擊作用，從而導(dǎo)致該區(qū)域局部位置出現(xiàn)了“崩塊”現(xiàn)象。

圖7 試驗件出口段SEM照片F(xiàn)ig.7 The SEM photos of test pieces export segments

圖8所示為該C/SiC復(fù)合材料噴嘴試樣件出口段區(qū)域的宏觀照片。

圖8 C/SiC復(fù)合材料噴嘴出口段沖蝕磨損后宏觀照片F(xiàn)ig.8 Photo of C/SiC composites nozzle after erosion wear

從圖8可以看到，該出口段區(qū)域出現(xiàn)明顯的“偏磨”現(xiàn)象，即出口端試驗件的環(huán)向壁厚并不均勻。為分析“偏磨”現(xiàn)象機理，探討其是否與材料本身存在關(guān)聯(lián)，將出口段沿環(huán)向均勻分割成12個試樣，并依次標記為1#～12#。同時，采用合適量具對每個試樣出口區(qū)域壁厚進行測量，進而表征試樣的沖蝕磨損程度；采用阿基米德方法對每個試樣的密度進行測量，進而表征試樣的材料致密性特征。

圖9所示為不同區(qū)域試樣壁厚與密度之間的對應(yīng)關(guān)系，其中虛線代表每個試樣原始壁厚為7 mm。從密度變化曲線可以看出，C/SiC復(fù)合材料噴嘴出口段密度位于1.79～1.83 g/cm3范圍內(nèi)，環(huán)向密度分散性較小，說明環(huán)向密度并不是引發(fā)“偏磨”現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。此外，從圖9中噴嘴出口壁厚與體積密度的對應(yīng)情況來看，其密度大小與壁厚亦不存在對應(yīng)關(guān)系，說明“偏磨”現(xiàn)象不是由材料本身引起的。

3 C/SiC復(fù)合材料噴嘴沖蝕磨損機理

從上述試驗結(jié)果來看，C/SiC復(fù)合材料噴嘴不同部位表現(xiàn)出的沖蝕磨損情況存在較大差異，分析認為這主要與C/SiC復(fù)合材料噴嘴在液-固兩相流中的運動狀態(tài)和運動特性有較大關(guān)系。圖10所示為C/SiC復(fù)合材料噴嘴在液-固兩相流環(huán)境中沖蝕磨損狀態(tài)演變示意圖。

圖9 C/SiC復(fù)合材料噴嘴出口段環(huán)向密度與壁厚分布情況Fig.9 Ring density and thickness distribution of C/SiC composites nozzle export segment

圖10 C/SiC復(fù)合材料噴嘴沖蝕磨損情況示意圖Fig.10 Schematic of C/SiC composites nozzle erosion wear

根據(jù)微切削理論，粒子沖蝕速率與沖蝕角度對材料沖蝕率的影響規(guī)律可表示為[10-11]：

(1)

式中：W為材料的沖蝕失重量；M為粒子質(zhì)量；p為粒子與靶材間的彈性流動壓力；V為粒子沖擊速率；c為粒子分數(shù)；f(a)為與沖蝕角度有關(guān)的常數(shù)；n為常數(shù)。從該公式中可以看到，材料的沖蝕磨損程度與粒子沖蝕速率和沖蝕角度函數(shù)均呈正比例關(guān)系。由于隨著C/SiC復(fù)合材料試驗件入口段的不斷深入，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征可知液-固兩相流粒子的沖蝕速度和沖蝕角度均逐漸增大從而導(dǎo)致了C/SiC復(fù)合材料噴嘴不同區(qū)域差異化沖蝕磨損結(jié)果的出現(xiàn)。

具體分析，可以認為在試驗考核初始階段，C/SiC復(fù)合材料噴嘴喉部與液-固兩相流顆粒之間的沖蝕角較大，因此會對C/SiC復(fù)合材料噴嘴喉部造成嚴重的沖蝕磨損，使得喉部發(fā)生嚴重變形。同時，由于C/SiC復(fù)合材料噴嘴在喉部存在明顯的收縮結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致液-固兩相流顆粒在該位置處的沖蝕速度顯著提高，進一步加劇喉部區(qū)域的沖蝕磨損。而在C/SiC復(fù)合材料噴嘴直線段及出口段區(qū)域，由于液-固兩相流沖蝕介質(zhì)的運動方向與噴嘴型面基本保持平行，導(dǎo)致其沖蝕角度也不會很大。因而，可以判斷C/SiC復(fù)合材料噴嘴沖蝕磨損破壞首先發(fā)生在試驗件喉部區(qū)域，進而逐漸向上下兩端不斷擴展。據(jù)此可推斷C/SiC復(fù)合材料噴嘴“偏磨”特征產(chǎn)生過程應(yīng)為：當高速液-固兩相流顆粒不斷沖蝕C/SiC復(fù)合材料噴嘴表面時，液-固兩相流在C/SiC復(fù)合材料噴嘴環(huán)向位置沖蝕參數(shù)的不均勻性導(dǎo)致了其表面環(huán)向SiC涂層沖蝕程度的差異，并引發(fā)陶瓷噴嘴在某一區(qū)域環(huán)向局部的SiC涂層率先被沖蝕磨損耗盡，然而由于SiC涂層的抗沖蝕能力要明顯強于C/SiC復(fù)合材料本身，因而使得被率先沖蝕磨損耗盡SiC涂層區(qū)域的抗沖蝕能力要差于環(huán)向其他區(qū)域，進而導(dǎo)致此位置水煤漿的沖蝕作用引發(fā)的沖蝕凹坑數(shù)量和大小逐漸增加直至大片SiC基體脫落，此過程又促進了該區(qū)域的沖蝕角度增大，而沖蝕角度的增大又會再次加劇沖蝕磨損程度，最終導(dǎo)致C/SiC陶瓷噴嘴 “偏磨”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1)從試驗件入口段至出口段，C/SiC復(fù)合材料噴嘴在液-固兩相流環(huán)境中表現(xiàn)出的沖蝕磨損程度逐漸加劇。

2)C/SiC復(fù)合材料噴嘴在液-固兩相流環(huán)境中的主要沖蝕磨損方式為沖蝕凹坑和熱應(yīng)力“崩塊”兩種。其中，沖蝕凹坑產(chǎn)生本質(zhì)是C/SiC復(fù)合材料本身孔洞缺陷和各向異性所致，而熱應(yīng)力“崩塊”產(chǎn)生原因是試驗件內(nèi)外環(huán)境溫度差異引起的熱應(yīng)力所致。

3)C/SiC復(fù)合材料噴嘴出現(xiàn)明顯的“偏磨”現(xiàn)象，與材料本身密度變化無關(guān)，主要原因為C/SiC復(fù)合材料各向異性和液-固兩相流的不均勻性。