NiTi形狀記憶合金沖蝕磨損試驗方法及性能研究

◇福建船政交通職業學院 林小東

對于泵體與葉片來說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，因而在本試驗中引入了對這種材料耐沖蝕及其試驗方法的研究。本試驗模擬水電站渦輪葉片及泵殼的工況條件設計了合金的沖蝕磨損試驗裝備，開發了一套有效的沖蝕試驗方法，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。本試驗結果表明NiTi形狀記憶合金其耐磨性遠遠高于一般材料。本試驗認為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。而應力誘發馬氏體相變、自協調機理又是形成高硬度、高韌性和良好的耐磨性的根本原因。

1 前言

船用的泵殼、葉片以及水力發電機葉片在工作過程中，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，嚴重影響生產。NiTi形狀記憶合金除了具有優異的形狀記憶、超彈性和高阻尼等獨特的力學性能外，還具有高強度、耐磨損、耐腐蝕等特點[1]。由此特性推斷，該材料具有被廣泛應用到工程中的潛力。本試驗的基本思想：設計一種有效的沖蝕磨損試驗方法，能夠有效地模擬電站水輪機葉片的工況條件，達到快速評價材料及防護涂層耐沖蝕磨損能力的目標；通過沖蝕磨損試驗，根據磨損失重規律及磨損試樣表面的形貌變化，進一步分析材料的磨損規律和磨損機制。

2 沖蝕磨損

磨損是由一對相互接觸的表面在法向力的作用下發生相對運動時，由于機械的和化學的過程，引起摩擦表面物質逐漸損耗或產生殘余變形[2]。磨損是普遍存在的現象，它導致材料和能源的消耗，影響機器的使用壽命和可靠性。據統計，大約有80%的零件損壞是由于各種形式的磨損造成的。磨損的類型有很多種，前面所述的泵殼、葉片以及水力發電機葉片等構件的磨損可以歸為沖蝕磨損。沖蝕磨損是指流體（包括固體質點）以一定的速度和角度對材料表面進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]。根據介質的不同，沖蝕磨損可以分為三種基本類型：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。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，在于它是一種無疲勞的材料，這種變形與恢復的過程可以反復進行500萬次而不產生疲勞斷裂，而且它恢復原狀幾乎可以達到100%，即和原來一模一樣[4]。隨著對形狀記憶合金的認識，最近在電器、電子、汽車、機械、能源、醫療裝置等許多方面正在大力推廣應用。從強度等方面來看，只有NiTi系合金和Cu系合金比較實用，所以這兩種材料是材料學的主要研究對象。

形狀記憶合金的基本特點：它具有形狀記憶效應、自諧調機制、應力誘發馬氏體相變、相變偽彈性四個方面的性質。金屬材料受力一般有彈性－塑性－破壞的過程，NiTi合金受力時卻在彈性－塑性之間表現出非塑性的過程。NiTi除良好的物理、機械性能之外，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 模擬試驗裝備和試驗方法設計

本試驗根據相似準則設計沖蝕磨損試驗，選用重量磨損量，針對砂漿泵殼及葉片的工況條件設計模擬試驗，這種工況條件可簡化為：某一質點以一定的速度沖擊到材料的表面，在質點與材料接觸的瞬間，材料正對磨料的表面受到的只有法向壓應力的作用，而當質點以小于90°方向沖擊材料表面時，材料則受到法向和切向應力的作用。

4.1 設計和組裝沖蝕磨損試驗系統

本試驗裝備均自行設計安裝，其結構如圖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。水箱作為循環用水砂兩相混合流體的容器，水泵作為產生高速兩相流體的動力，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，與本試驗的目的相吻合。

安裝如上述的模擬磨損試驗方法，本試驗裝備的設計指標是：①產生高速兩相流體；②流體中攜帶足夠量的固體顆粒，即含砂量高；③在反復多次及長時間連續運行中，含砂量穩定，不可有大的波動，以便試驗結果有可比性；④電器系統安全可靠，最大限度地降低安全事故及運行故障；⑤試樣便于安裝，可重復性好。

安裝如上指標，經多次改進試樣方案，得到了較好的沖蝕磨損試驗方法。主要采用了以下三種：

圖1 第一、二種試驗方法的設備裝配簡圖

圖2 第三種試驗方法的設備裝配圖

（1）第一種試驗方法：見圖1，水泵出口處連接塑料螺紋管，長度約800 mm，在出口附近（約100 mm處）安裝試樣，為了加快試驗進度，每次安裝3個試樣，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。其中木梁用來控制管子的位置及角度。經約300小時的運行，得到了一批試驗結果，但同時發現如下問題：①由于水在管道內螺旋流動，因而產生離心力，使砂粒只在管子的壁上流動，從而減少了試樣的沖蝕面積；②管子內壁產生嚴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含砂量很低且不穩定，磨損速度很小，試驗周期太長。

（2）第二種試驗方法：在第一階段試驗的基礎上，進行了管道材料的改進，把螺旋管改為膠皮管，其余與第一種試驗方法相同。經約60小時的試驗，得到一組數據表明，流阻損失比第一種試驗方法明顯減少，流速增大，水箱中流體的攪拌程度增加，含砂量增多，且比第一種方法穩定。但是這種試驗方法仍存在不少問題，例如試樣相互之間干擾大，管道流阻仍然很大，流速和含砂量還沒有達到預期的效果，磨損速度仍然很低。

（3）第三種試驗方法：通過對以上兩種試驗方法的分析發現，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10小時的試驗表明，兩相流體速度大大提高，水箱中經高速水流的強烈攪拌，使砂粒懸浮與水中，出水含砂量大大提高，且在多次長時間連續運行中，含砂量穩定，沒有大的波動，試樣便于安裝，可重復性好。這種試驗方法存在的唯一問題是不能同時進行多個試樣的沖蝕磨損試驗，但由于磨損速度大大提高，要獲得相近磨損量的試驗周期從24小時減少到1小時左右。

試驗過程中，必須考慮砂的投入量（砂水比）和積砂問題。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。試驗時還必須考慮水分的蒸發問題。因為水泵的排量為12 m2/h，箱中的水每小時循環約30次，并伴隨強烈的攪動，水泵本身發熱，這些都加快了水溫的上升和水分的蒸發。水分蒸發使砂水比發生變化，并且水溫升高影響了材料的性能，所以適量補充水，經過試驗得知控制適當的自來水水閥開度即可實現。

4.2 試驗材料

試樣用切割機切出，表面經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比試樣，另外還對比了Al合金、CuZnAl及形狀記憶合金。

4.3 試驗程序

根據試驗的要求，在水箱中放入一定量的水與砂，進行試樣的砂粒沖蝕磨損試驗：①試樣的制備，用切割機切割好試樣，然后用多種型號的水砂紙處理試樣的表面；②接著用丙酮把試樣擦凈，再在Sony CCD顯微攝像系統上觀察其表面形貌；③用分析天平（最大載荷200克，最小刻度0.1毫克）稱量各個試樣的質量并記錄具體數據；④把試樣裝在設備中沖蝕規定的時間后取出，用自來水清洗干凈，接著用丙酮把試樣擦凈，放在Sony CCD顯微攝像系統上觀察其表面形貌，用分析天平稱量其質量，記錄具體數據。以此類推，分別沖蝕規定的單位時間，測出磨損量并觀察各個試樣的表面形貌。最后，根據磨損量數據畫出磨損量與時間關系圖。

5 試驗結果

（1）第一種試驗方法（沖蝕間隔時間為24小時），結果如表1所示。

表1 累積磨損量

因為在沖蝕磨損的過程中沒有換試樣，所以應該把沖蝕磨損量值加起來得到累積磨損量與磨損時間的關系，如表1及圖3所示。可見，經120小時的磨損后，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，特別是沖蝕時間超過72小時后。

圖3 磨損量與時間關系圖

（2）第二種試驗方法（沖蝕間隔時間為12小時），結果如表2所示。

表2 累積磨損量

同樣在沖蝕磨損的過程中沒有換試樣，得到累積磨損量與時間的關系，如表2和圖4。可見經過近60小時的磨損后，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。其磨損量和磨損規律與第一種試驗方法相近，但變化趨勢不同。

圖4 磨損量與時間關系圖

（3）第三種試驗方法（沖蝕間隔時間為1小時），結果如表3所示。

表3 累積磨損量

表3為累積磨損量與時間的關系，如圖5所示。可見經6小時的磨損后，NiTi形狀記憶合金的總磨損量約為不銹鋼的31.1%，與前兩種試驗方法得到的規律相近，但NiTi合金的相對磨損量提高，而且盡管磨損時間大大縮短，但磨損量明顯增大，說明采用這種試驗方法能夠對材料的耐沖蝕磨損特性進行快速有效的評價。

圖5 磨損量與時間關系圖

綜合以上三組試驗結果，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 試驗方法的探索

（1）在試驗過程中，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重，它的磨損對試驗過程中流體的速度有很大的影響，所以在試驗前必須對它們進行表面處理。在試驗過程中，必須隨時觀察泵殼，以防被沖漏而影響試驗的結果。

（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，否則就會造成大量的積砂，使流體中的含砂量不能達到很大值，且使試驗條件不穩定。

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

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

6.2 NiTi合金耐磨性問題的分析與討論

由以上的試驗結果可以看出，NiTi合金在沖蝕條件下有良好的耐磨性。

（1）一般說來，材料的硬度越高，耐磨性越好。但是，硬度和耐磨性沒有確定的一一對應的關系[6]。耐磨性還與材料的韌性和抗疲勞性能有關。由于NiTi合金具有自協調的性質，自協調機制使得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材料表面產生劇烈的變形，形成鑿坑，經過多次塑性變形而導致斷裂和剝落；而韌性低的材料在同樣條件下，更容易斷裂和剝落[3]。

一般金屬的彈性應變值只有0.2%左右，而處于“超彈態”的NiTi合金的極限應變值可達10%～20%，比一般的金屬高1～2個數量級。一般金屬受力屈服有彈性塑性屈服的過程，而NiTi合金受力屈服卻是彈性非塑性塑性屈服的過程，非塑性變形表現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，本試驗認為彈性沖擊對磨損不產生作用，從而提高了NiTi合金的耐磨性。

7 結論

（1）試驗表明第三種試驗方法是評價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中。

（2）NiTi合金在沖蝕條件下具有良好的耐磨性。

（3）應力誘發馬氏體相變、自協調機制、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。