聚氨酯涂層固體顆粒沖蝕研究進展

孫煒，范金娟

（1.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.中國航空發動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；5.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095）

固體顆粒侵蝕是指固體顆粒以不同的速度和角度撞擊材料表面，引起表面物質損失的動態過程[1-3]。對固體顆粒侵蝕的研究始于20 世紀下半葉，并一直延續至今。相比于其他類型的磨損過程，沖蝕磨損的實際環境和服役條件較為復雜，且破壞的產生是動態的，這更加大了研究的難度[4]。近些年來，固體顆粒沖蝕磨損的研究大多集中在傳統材料上，如金屬和陶瓷基材料，雖然他們具有較高的硬度，可以提供良好的抗侵蝕性，但是它們往往具有脆性，耐沖蝕性能仍然欠缺[5-10]。具有高變形能力和高回彈性能的聚合物材料表現出比金屬和陶瓷基材料更好的抗侵蝕能力，因此，傳統的金屬和陶瓷基抗磨復合材料以及涂層正逐漸被聚合物材料所取代[11-13]。在一系列聚合物中，聚氨酯材料是具有獨特軟硬段結構的嵌段共聚物，通過改變軟硬段比例可以調整其物理化學性能，使其具有優異的抗沖蝕性能和良好的加工性能[14-16]。因此，聚氨酯材料作為防護涂層被廣泛應用于沙塵環境中的風電葉片、高速車輛、導彈部件、雷達罩、直升機旋翼葉片和飛機蒙皮等部位[17-19]。

為了得到抗沖蝕性能更好的聚氨酯涂層以及對適用于不同領域的聚氨酯涂層進行考核篩選，需要充分了解聚氨酯涂層的固體顆粒沖蝕過程以及不同因素對其抗沖蝕性能的影響，研究其沖蝕失效模式與機理，建立并完善相關的考核方法與試驗設備。文中綜述了聚氨酯涂層的固體顆粒沖蝕過程、影響因素以及研究固體顆粒沖蝕的試驗方法，并分析了聚氨酯涂層固體顆粒沖蝕研究中存在的問題，提出了未來的發展研究方向。

1 沖蝕過程

涉及聚氨酯涂層的固體顆粒沖蝕過程主要為彈性沖擊、塑性沖擊和彈塑性沖擊，材料在沖擊過程中會發生切割、變形和疲勞等行為。粒子的撞擊相當于在材料表面施加沖擊力。在碰撞過程中，粒子的初始能量被轉換成不同的能量，對被沖擊材料產生影響[20]。

1.1 彈性沖擊

對于聚氨酯彈性涂層，當顆粒物初始能量較低，如沖擊速度較低或顆粒物質量較輕時，發生的幾乎都是彈性沖擊。當沖擊粒子垂直撞擊到材料表面后，其初始能量會轉化為彈性能，并在回彈階段再次轉化為沖擊粒子的動能。在垂直沖擊下，不會觀察到表面受到沖擊粒子沖蝕磨損的行為。由于聚氨酯會發生熱分解作用，在較長時間的侵蝕后，會表現出沖蝕磨損現象[21]。

1.2 塑性沖擊

聚氨酯涂層作為抗沖蝕涂層，需要其具有一定的彈性，單純的塑性沖蝕在聚氨酯涂層中較為少見。對于聚氨酯涂層的塑性沖蝕過程，一些解釋塑性材料固體顆粒沖蝕過程的經典理論可以借鑒。

Finnie 的微切削理論能夠較好地解釋低角度下塑性材料的沖蝕磨損，當尖銳顆粒低角度沖擊塑性材料表面時，材料會被切削損失[22]。Bitter 提出的變形磨損理論認為，沖蝕顆粒在平行和垂直方向的速度分量都相應地傳遞了材料變形能中所需的能量，在高沖擊角度下塑性材料發生變形磨損，低沖擊角度下發生切削磨損[23]。張永等[24]選用無規則尖角砂粒、8～25 m/s的沖蝕速度，在不同沖擊角度下，對聚氨酯涂層進行了沖蝕試驗。研究表明，在低沖擊角度下，固體顆粒對涂層的破壞主要以切削為主，顆粒物在涂層表面產生的水平方向分力大于垂直方向分力，導致涂層產生裂紋最終剝落。在高沖擊角度下，顆粒物主要對聚氨酯涂層產生擠壓變形，塑性聚氨酯涂層的沖蝕過程符合變形磨損理論。Levy[25]的鍛造擠壓理論認為，顆粒物以一定角度沖擊到塑性材料表面會對材料進行鍛造和擠壓，將部分材料從表面擠出，產生撞擊坑，隨著顆粒物撞擊的不斷進行，最終被擠出的材料成片狀剝落。

1.3 彈塑性沖擊

固體顆粒對聚氨酯彈性涂層的彈塑性沖擊現象最為常見。Arnold 等[21,26-27]認為，關于彈性體的侵蝕磨損，撞擊時吸收的動能要少得多，這取決于彈性體的回彈性。顆粒物垂直入射時，沖擊粒子的初始能量一部分以塑性能量的形式保留給被沖擊材料，另一部分轉化為熱能，這就相應地降低了顆粒物的反彈能。單次撞擊產生的應變不足以導致彈性材料缺失，只有許多沖擊粒子在同一位置反復撞擊，這種連續撞擊可將應變提高到一個等級。當變形超過材料所能承受的強度時，就會導致材料損傷。顆粒物傾斜入射時，材料變形類似于垂直沖擊，但它附加了額外的切削和犁耕，特別是尖銳的顆粒物。顆粒物垂直和平行的速度分量均會對材料產生影響。在侵蝕初期，材料表面會產生垂直于沖擊方向的唇狀凸起。隨著顆粒的反復撞擊，唇狀突起被后續的顆粒沖擊脫落，造成進一步損傷，顆粒物傾斜入射時的沖蝕過程如圖1 所示。

圖1 顆粒物傾斜入射時的沖蝕過程[27]Fig.1 Erosion process of particles at oblique impact[27]

Arena 等[28]通過對7 種工業級熱塑性聚氨酯材料進行不同角度的固體顆粒沖蝕試驗，得出的結果與Arnold 對于彈性體的固體顆粒沖蝕過程相同。在沖蝕的初始階段，一些顆粒會嵌入聚氨酯材料表面，并出現高塑性變形。隨著顆粒物的連續沖擊，變形增大，產生疲勞裂紋，疲勞裂紋擴展交匯，最終導致材料剝落。不同沖擊角度下，顆粒物沖蝕對聚氨酯材料產生的微裂紋和塑性變形形貌相近，在15°下最嚴重。聚氨酯材料沖蝕形貌如圖2 所示。

圖2 聚氨酯材料沖蝕微觀形貌[28]Fig.2 SEM micrographs of erosion in polyurethane materials[28]: a) initial; b) α=15°; c) α=30°; d) α=45°

2 影響因素

固體顆粒侵蝕過程中，材料的損傷取決于許多相互關聯的因素，可以分為內部因素和外部因素。其中，內部因素包括材料本身的性質和結構；外部因素包括沖蝕粒子的特性（尺寸、形狀、硬度、質量）以及沖擊角度、沖擊速度和流量等沖蝕條件。通常這些影響因素在材料的沖蝕過程中同時存在，因此很難完全區分各個參數的影響[29]。下面將分別從內部因素和外部因素對影響聚氨酯涂層固體顆粒沖蝕行為的研究進行歸納和總結。

2.1 內部因素

聚氨酯涂層的結晶度、基本組成成分及比例、分子量、交聯度以及填料等因素是影響其固體顆粒沖蝕性能的關鍵參數。李旭等[30]通過調節聚四氫吠喃二醇和聚醚多元醇的比例來制備抗風沙侵蝕的聚氨酯涂層，并采用粒徑20～150 目的石英砂在15～17 m/s 沖擊速度下測試涂層的耐沖蝕性能。結果表明，聚四氫吠喃二醇和聚醚多元醇的摩爾比會對涂層的交聯度和成膜性產生影響，其摩爾比越高，抗固體顆粒沖蝕性能越好。Dong 等[31]認為，在熱塑性聚氨酯中加入炭黑，可以提高其抗固體顆粒腐蝕性能。

從熱力學的角度來看，熱導率和玻璃化轉變溫度是聚合物固體顆粒侵蝕的重要控制參數，同樣也會對聚氨酯涂層產生重要影響。Doyle 等[32]認為，固體顆粒對目標材料侵蝕所引起的局部變形和高應變在絕熱條件下可能會產生高溫。高溫可能會使聚氨酯涂層暫時軟化，產生一個熱應力場，它會與變形的機械應力場疊加，影響聚氨酯涂層的擠壓和斷裂，這些損傷模式最終會導致聚氨酯涂層的降解和缺失。關于玻璃化溫度對聚合物耐沖蝕性能的影響，Friedrich 等的研究表明[33]，玻璃化轉變溫度高于室溫的聚合物比玻璃化轉變溫度低于室溫的聚合物沖蝕率更高。當聚合物的玻璃化轉變溫度低于室溫時，磨損率隨實驗溫度與玻璃化轉變溫度差值的增大而減小。

聚氨酯材料的硬度、拉伸強度、彈性模量、斷裂強度、屈服應力/應變、摩擦系數等均會影響其耐沖蝕性能，對于聚氨酯彈性體撕裂強度，也是決定其抗沖蝕性能的重要參數[34]。Oka 等[35]認為，雖然被沖蝕材料硬度的增加對其抗沖蝕能力起著重要作用，但是對于彈性體材料在較低硬度值下通常表現出更好的抗沖蝕性。

2.2 外部因素

2.2.1 沖蝕速度與沖蝕角度

劉仁等[36]研究了粒子速度（50～100 m/s）、入射角度（15°～90°）、直徑為100 μm 的固體顆粒對用于動車組表面聚氨酯涂層沖蝕磨損的影響。研究表明，沖擊速度越高，沖蝕率越高。顆粒物在低角度入射時，沖蝕率逐漸增高，在30°達到最大，然后逐漸下降，并趨于穩定，沖擊速度和沖擊角度與沖蝕率的變化關系如圖3 所示。

圖3 沖擊速度和沖擊角度與沖蝕率的變化關系[36]Fig.3 Relationship between impact velocity and impact angle and erosion rate[36]: a) impact velocity; b) impact angle

Acierno 等[37]研究了石英砂顆粒在不同沖擊角度、160 m/s 沖蝕速度下對幾種熱塑性聚氨酯彈性涂層的影響。研究表明，沖蝕角度在15°時的侵蝕速率最大，沖擊角度大于45°時，對侵蝕速率的影響不大。沖蝕率隨沖擊角度的變化規律如圖4 所示。聚醚基熱塑性聚氨酯材料侵蝕速率最低，聚酯基熱塑性聚氨酯材料次之，聚碳酸酯體系的熱塑性聚氨酯彈性體侵蝕速率最高。

圖4 熱塑性聚氨酯彈性涂層與鋼沖蝕率的比較[37]Fig.4 Comparison between erosion rate of TPU and steel[37]

Dong 等[38]制備了不同碳納米管含量的熱塑性聚氨酯納米復合材料，并系統地研究了沖擊參數對固體顆粒侵蝕行為的影響。研究表明，作為彈性納米復合材料，其沖蝕率的最大值和最小值分別出現在沖擊角度為30°和90°。當沖擊速度為10 m/s 時，沖蝕率相對較小。在20～30 m/s 時，沖蝕率迅速增大。

2.2.2 沖擊粒子的流量

沖擊粒子的流量（即單位面積和單位時間下顆粒物的質量）是固體顆粒侵蝕磨損的一個控制參數。Anand 等[39]認為，當流量達到一定的閾值時，侵蝕磨損率與流量成正比。這個閾值被認為是顆粒物撞擊材料表面的反彈粒子和到達材料表面粒子之間相互干擾的結果，反彈粒子會阻擋入射粒子的撞擊，超過閾值后，沖蝕率又會下降。Arnold 等[40]認為，對于彈性體材料，固體顆粒撞擊可能會導致局部升溫，材料表面會發生化學變化，這使得顆粒物更容易嵌入材料表面，從而導致材料的損傷。隨著沖擊粒子流量的增大，撞擊表面的時間間隔會減小，聚合物降解反應在下一次撞擊前發生的時間就會減少，從而導致降解的程度和侵蝕量減少。

2.2.3 顆粒物

影響聚氨酯涂層固體顆粒沖蝕的另一個關鍵因素是固體顆粒物的特性。顆粒物形狀、硬度或大小的變化可能會導致沖蝕機制的轉變。通常，有棱角的顆粒比球狀顆粒對材料造成的損傷大[41]。如果顆粒物呈鈍態或球形，則更容易產生塑性變形；如果顆粒物具有鋒利的邊緣，則更容易發生切削。鈍態顆粒的表面多為近似球形的曲面，而具有鋒利的邊緣粒子則是由許多小半徑角連接的平面組成，這些角對沖蝕過程至關重要。對于顆粒物硬度的影響，人們通常認為，硬顆粒比軟顆粒的磨損率高，但不能將硬度與顆粒物的其他特征（如形狀）完全分開。即使顆粒物很硬，但相對比較鈍，也不太可能造成嚴重的沖蝕磨損[42]。對于顆粒大小的影響，方梅等[43]采用150 μm 和700 μm兩種粒徑的碳化硅顆粒在30°下對不同厚度聚氨酯彈性涂層進行實驗，研究其沖蝕過程。研究表明，聚氨酯涂層具有最佳厚度，太厚或者太薄都會降低其耐沖蝕性能，且最佳厚度不受顆粒物粒徑的影響，顆粒物粒徑較小時涂層受到的沖蝕更嚴重。

3 固體顆粒沖蝕試驗方法

聚氨酯涂層通常是構件在沙塵環境中的防護材料，氣固沖蝕為主要沖蝕磨損形式。為了對聚氨酯涂層固體顆粒沖蝕行為及機理進行深入的研究，以便研制耐沖蝕性能更佳的聚氨酯涂層，或選擇適用于不同環境的涂層，模擬實際工況的試驗裝置及相關實驗方法及標準必不可少。文中針對氣固沖蝕的模擬試驗裝置及試驗標準進行了總結。

3.1 試驗裝置

目前，氣固沖蝕試驗模擬裝置主要有三種：落砂試驗裝置、離心機加速試驗裝置、鼓風式試驗裝置，如圖5 所示。落砂試驗裝置是通過試驗器導管將特定磨料從一定高度自由落下，對試樣表面進行沖刷；離心機加速試驗裝置是通過離心力的作用來加速顆粒物，固體顆粒物被送入旋轉圓盤的中心，通過徑向陶瓷管加速并噴射到圓盤周圍的樣品上；鼓風式試驗裝置是目前最常用的固體顆粒沖蝕裝置，該裝置主要由顆粒物進給裝置、測試工作腔、樣品臺和噴嘴組成，通過一個通常由硬質合金等抗侵蝕材料構成的噴嘴，加壓空氣加速粒子向樣品表面噴射。此外，顆粒物沖擊速度和供料速度需要在測試之前或測試期間進行測量和控制[44]。

圖5 三種主要的固體顆粒沖蝕設備[44]Fig.5 Three main types of solid particle erosion testers[44]:a) falling sand abrasion tester; b) centrifugal-accelerator; c)gas-blast tester

在對固體顆粒沖蝕試驗的多項研究表明，在試驗過程中，噴嘴出口與樣品表面的距離（WD）及供料速度（fr）等設備參數會通過顆粒物間的相互作用產生干涉效應，從而對材料的侵蝕率（ER）產生顯著影響[45-47]。Shipway 和Hutchings[48]的研究結果表明，顆粒間的相互作用一般不發生在噴嘴內部，而是發生在噴嘴出口與樣品表面之間。此時顆粒會在樣品表面反彈，阻擋入射顆粒物，且供料速度是顆粒干涉效應的一個決定性因素。Ghobeity 等[49]認為，隨著噴嘴到試樣表面距離的增大，顆粒間的碰撞概率增大，侵蝕率隨之減小。Bousser 等[50]通過一系列測試研究表明，噴嘴到試樣距離增加1 倍，可以減少30%的侵蝕率，而通過增加供料速度，最多可減少多達50%的侵蝕率，實驗結果如圖6 所示。因此，在對固體顆粒沖蝕試驗方法及設備參數的優化設計中，應該確保所測侵蝕率僅與材料有關，不受設備參數的影響。

圖6 固體顆粒沖蝕實驗的干涉效應[50]Fig.6 Interference effects in solid particle erosion testing[50]:a) effect of WD on measured ER of c-Si;b) effect of feeding rate on the ER of c-Si and SLG

3.2 試驗標準

目前，國內外氣固沖蝕試驗標準參數對比見表1。

表1 固體顆粒沖蝕試驗標準參數對比[51-56]Tab.1 Comparison of standard parameters of solid particle erosion test[51-56]

固體顆粒沖蝕試驗的環境適應性標準主要有MIL-STD-810G（美國軍用環境試驗標準），我國的GJB 150 12A 就是主要參照其制定的。該標準主要用于評價可能暴露于干燥的吹砂、吹塵或降塵條件下裝備的適應能力。其中小顆粒沙塵用于評價裝備對可能阻塞開口和縫隙及接頭處沙塵的抵御能力。吹砂實驗的目的在于考核裝備能否在吹砂條件下貯存及工作，這些試驗均在較慢的砂粒沖擊速度下進行，不適用于設備在飛行過程中的磨蝕問題，也不是針對材料級別的測試標準[51-52]。

針對有機涂層的固體顆粒沖蝕材料標準有ASTM D968（落砂法測定有機涂層的耐磨性試驗方法），我國的GB/T 23988（涂料耐磨性測試：落沙法）與其基本相同。標準中規定將石英砂加入一個可調節流量的漏斗，使砂粒自由下落沖擊到試樣表面。該標準中砂粒沖蝕速度低，且只能通過調節漏斗到試樣的距離來改變沖蝕速率，可控性差，不適用于模擬惡劣的沙塵環境[53-54]。

ASTM G76 和MIL-STD-3033 均是采用鼓風式沖蝕設備的材料級試驗標準，暫時我國還沒有該類型的標準。ASTM G76（氣體噴射式固體顆粒沖蝕試驗標準）中規定使用鼓風式沖蝕設備將夾帶固體顆粒的氣流噴射到試樣表面來造成材料損失[55]。該標準通過試樣磨損體積或質量與影響表面的顆粒總質量之比來得到樣品的侵蝕率，可用于在實驗室中測量不同材料的固體顆粒侵蝕速率，還能作為模擬環境中材料遭受固體顆粒侵蝕的分級篩選試驗。

美國陸軍試驗室開展了關于直升機槳葉及其防護材料耐固體顆粒物沖蝕性能的研究，并通過積累大量實驗數據，制定了美軍標MIL-STD-3033（旋翼槳葉防護材料固體顆粒沖蝕試驗標準），用于模擬直升機旋翼在惡劣沙漠環境中的工況條件。在此之前還沒有作為評估固體顆粒撞擊對航空航天材料沖蝕影響的試驗方法。美國陸軍實驗室的沖蝕試驗裝置如圖7所示。目前，該標準可評估的基礎材料包括但不限于塑料（包括增強塑料和復合材料）、金屬（包括金屬基復合材料）、陶瓷和涂層，適用面更廣[56-57]。

圖7 固體顆粒沖蝕設備示意圖[57]Fig.7 Solid particle erosion testers: a) dust erosion chamber;b) pressurized feeder dust plenum

4 結語

綜述了聚氨酯涂層的固體顆粒沖蝕過程及影響參數，并總結了研究固體顆粒沖蝕的設備及相關方法標準。目前，雖然聚氨酯涂層的固體顆粒沖蝕磨損已經得到了一些研究，但仍有許多問題需要解決。針對聚氨酯彈性涂層的沖蝕過程及損傷機理研究較少，聚氨酯材料本身的性能與抗沖蝕性能之間缺乏相關性。不同因素對聚氨酯涂層耐固體顆粒沖蝕性能的影響，大多集中在單影響因素，但是聚氨酯涂層的固體顆粒侵蝕過程取決于許多相互關聯的因素，對所涉及的各種參數所起的協同作用并未研究。因此，需要進行更為系統全面的試驗及研究，建立數據庫，發展各種方法和理論模型來預測聚氨酯涂層的沖蝕行為及損傷機理，完善對固體顆粒沖蝕影響因素之間的關聯性以及聚氨酯涂層與自身性能的相關性研究。為今后在不同領域固體顆粒沖蝕環境中聚氨酯涂層的選材、性能改進以及預測壽命提供數據基礎與理論依據。

對聚氨酯涂層固體顆粒沖蝕進行研究，需要規范測試方法，才能充分了解所有測試參數的影響。目前，在評估沖蝕率時，現有的實驗方法缺乏精確性和一致性，實驗方法不同，所得的實驗結果也會有很大差異，且沖蝕設備的差異也會影響實驗結果的可靠性，這使得實驗得出的研究數據大多無法進行比較。相比國外，國內針對固體顆粒沖蝕試驗方法及標準的相關研究較為缺乏，需要規范沖蝕設備，建立相關標準，完善試驗方法，才能對聚氨酯涂層的固體顆粒沖蝕行為進行更深入的研究。