·1750. 工程科学学报，第38卷，第12期 表4激波管内气体及固体颗粒运动参数 Table4 Kinematic parameters of gas and solid particles in the shock tube 激波速度/(ms1) 波后气体速度/ 铝膜厚度/mm 马赫数 颗粒速度/(m"s1) 理论值 测量值 (m.s-1) 0.13 1.68 571.5 570.0 307.5 148 0.20 1.79 609.0 613.8 349.1 175 0.30 2.00 680.4 683.9 425.3 200 较多时，由于颗粒与管壁的碰撞、颗粒间的碰撞效 0.15 应☒会导致其冲击速度降低，材料的冲蚀速率减小 经过大量前期试验，发现当单次颗粒加载量为10g左 0.12 右时，磨损率较高且较为稳定.因此，单次试验的标定 0.09 。一30°人射角 加载量标定为10g.根据激波管加速段的长度和内径 ◆-60°人射角 -90人射角 计算可知，颗粒群的体积分数为1.03%，为稀相颗粒. 在煤化工阀门和管线的气一固输送过程中，颗粒体积 006 分数通常在1%以下.因此，试验条件下颗粒浓度与煤 0.03 化工实际设备中气一固两相流较为接近. 在冲蚀磨损过程中，材料的磨损率与冲蚀颗粒质 20 406080100120140160 颗粒质量g 量的关系是相对动态变化的.为获得材料的稳态磨损 图3增量磨损率曲线 率，选用粒径为150m的Si02颗粒，将其加速至175m· Fig.3 Incremental erosion rate curve s,在30°、60°、90°三种角度下对1C9Mo试件进行冲 蚀试验，试验结果如图3所示.由图3可知，当加载颗 型中磨损率最大值对应冲角16.84国，并且与蔡柳溪 粒质量为40g时，磨损率达到峰值.当加载颗粒质量 等回给出的(24±4)°冲击角范围有一定程度的重合. 在40~70g之间时，磨损率逐渐减小.之后，当加载颗 由颗粒冲蚀机理可知，材料最大磨损率对应的冲击角 粒质量达到100g及以上时，磨损率趋于稳定.这是因 度主要取决于试件和颗粒的自身特性，例如试件的硬 为在开始阶段颗粒撞击材料表面，使其产生大量的凹 度、延伸率、屈服强度、颗粒的硬度、形状系数等.蔡柳 坑，凹坑周围存在隆起的片状物，并会在某一时刻从材 溪等所用试件为不同材料牌号的CMo合金，选用冲 料表面剥离.在颗粒的持续冲击下，更多新的凹坑及 蚀颗粒为Fe,O,·从试件屈服强度和抗拉强度来看与 片状物将会产生，并覆盖在先前的凹坑和片状物之上， 本试验所用试件存在不小的差异，且冲蚀颗粒和试验 由于这些新产生的片状物尺寸及隆起高度较小，很难 温度也不相同，因此在磨损率最大值对应的冲击角范 被颗粒冲蚀剥离.同时材料在颗粒的不断冲击下会产 围上也存在一定的区别.并且从图4中可见，随着冲 生硬化，使材料的硬度增加.因此，最后材料的磨损率 击速度的增加，各冲击角下磨损率也会相应提高.在 降低并趋于一个稳定的值.在上述三种冲击角度下， 相同冲蚀条件下，A山，O,和SC颗粒对试件造成的冲蚀 磨损率与颗粒冲蚀质量的关系具有很高的相似性，所 磨损率比SO,颗粒高一个数量级.分析图4可知， 以在后续试验中，采用加载10次颗粒作为冲蚀颗粒质 1C9Mo合金磨损率随冲击角度的变化趋势主要取决 量以获得稳态磨损率 于材料自身的性质，受冲击速度和颗粒类型的影响较 少.这与Singh等采用喷沙式试验装置研究塑性材 3试验结果分析 料的冲击角度与磨损率的关系所得出的规律一致，表 3.1冲击角度的影响 明1C9Mo钢具有典型塑性材料的冲蚀磨损特征. 图4为温度20℃，冲击速度为148、175和200ms1, 采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)分析 SiO,、AL,0,和SiC颗粒冲击1C9Mo试件时，其磨损率 冲蚀磨损后试件表面形貌.图5为当温度为20℃，在 随冲击角度的变化规律.由图4可知，在三种冲击速 冲蚀角为15°和90°，颗粒冲击速度为200m·s时 度下，1C9Mo试件的磨损率随冲击角的变化趋势基本 1C9Mo经SiO,和SiC颗粒冲蚀磨损试验后的形貌.如 一致.在10°~90°的冲击角范围内，随着冲击角度的 图5(a)和(c)所示，在低冲角的情形下，1C9Mo试件 增加，磨损率呈现先增加后减小的趋势，磨损率最大值 主要受到颗粒的沿水平方向的切应力作用，材料表面 出现在15°~25°的冲击角范围.本文获得的塑性材料 呈现出大量被磨损颗粒切削后形成的划痕及犁沟，这 磨损率最大值对应的冲击角范围涵盖了Finnie冲蚀模 些沿冲击方向的划痕经颗粒多次冲击会形成局部堆积工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 表 4 激波管内气体及固体颗粒运动参数 Table 4 Kinematic parameters of gas and solid particles in the shock tube 铝膜厚度/mm 马赫数 激波速度/( m·s － 1 ) 理论值 测量值 波后气体速度/ ( m·s － 1 ) 颗粒速度/( m·s － 1 ) 0. 13 1. 68 571. 5 570. 0 307. 5 148 0. 20 1. 79 609. 0 613. 8 349. 1 175 0. 30 2. 00 680. 4 683. 9 425. 3 200 较多时，由 于 颗 粒 与 管 壁 的 碰 撞、颗粒间的碰撞效 应［12］会导致其冲击速度降低，材料的冲蚀速率减小． 经过大量前期试验，发现当单次颗粒加载量为 10 g 左 右时，磨损率较高且较为稳定． 因此，单次试验的标定 加载量标定为 10 g． 根据激波管加速段的长度和内径 计算可知，颗粒群的体积分数为 1. 03% ，为稀相颗粒． 在煤化工阀门和管线的气--固输送过程中，颗粒体积 分数通常在 1% 以下． 因此，试验条件下颗粒浓度与煤 化工实际设备中气--固两相流较为接近． 在冲蚀磨损过程中，材料的磨损率与冲蚀颗粒质 量的关系是相对动态变化的． 为获得材料的稳态磨损 率，选用粒径为 150 μm 的 SiO2颗粒，将其加速至 175 m· s － 1 ，在 30°、60°、90°三种角度下对 1Cr9Mo 试件进行冲 蚀试验，试验结果如图 3 所示． 由图 3 可知，当加载颗 粒质量为 40 g 时，磨损率达到峰值． 当加载颗粒质量 在 40 ～ 70 g 之间时，磨损率逐渐减小． 之后，当加载颗 粒质量达到 100 g 及以上时，磨损率趋于稳定． 这是因 为在开始阶段颗粒撞击材料表面，使其产生大量的凹 坑，凹坑周围存在隆起的片状物，并会在某一时刻从材 料表面剥离． 在颗粒的持续冲击下，更多新的凹坑及 片状物将会产生，并覆盖在先前的凹坑和片状物之上， 由于这些新产生的片状物尺寸及隆起高度较小，很难 被颗粒冲蚀剥离． 同时材料在颗粒的不断冲击下会产 生硬化，使材料的硬度增加． 因此，最后材料的磨损率 降低并趋于一个稳定的值． 在上述三种冲击角度下， 磨损率与颗粒冲蚀质量的关系具有很高的相似性，所 以在后续试验中，采用加载 10 次颗粒作为冲蚀颗粒质 量以获得稳态磨损率． 3 试验结果分析 3. 1 冲击角度的影响 图4 为温度20 ℃，冲击速度为148、175 和200 m·s －1 ， SiO2、Al2O3和 SiC 颗粒冲击 1Cr9Mo 试件时，其磨损率 随冲击角度的变化规律． 由图 4 可知，在三种冲击速 度下，1Cr9Mo 试件的磨损率随冲击角的变化趋势基本 一致． 在 10° ～ 90°的冲击角范围内，随着冲击角度的 增加，磨损率呈现先增加后减小的趋势，磨损率最大值 出现在 15° ～ 25°的冲击角范围． 本文获得的塑性材料 磨损率最大值对应的冲击角范围涵盖了 Finnie 冲蚀模 图 3 增量磨损率曲线 Fig． 3 Incremental erosion rate curve 型中磨损率最大值对应冲角 16. 84° ［13］，并且与蔡柳溪 等［6］给出的( 24 ± 4) °冲击角范围有一定程度的重合． 由颗粒冲蚀机理可知，材料最大磨损率对应的冲击角 度主要取决于试件和颗粒的自身特性，例如试件的硬 度、延伸率、屈服强度、颗粒的硬度、形状系数等． 蔡柳 溪等所用试件为不同材料牌号的 CrMo 合金，选用冲 蚀颗粒为 Fe2O3 ． 从试件屈服强度和抗拉强度来看与 本试验所用试件存在不小的差异，且冲蚀颗粒和试验 温度也不相同，因此在磨损率最大值对应的冲击角范 围上也存在一定的区别． 并且从图 4 中可见，随着冲 击速度的增加，各冲击角下磨损率也会相应提高． 在 相同冲蚀条件下，Al2O3和 SiC 颗粒对试件造成的冲蚀 磨损率比 SiO2 颗 粒 高 一 个 数 量 级． 分 析 图 4 可 知， 1Cr9Mo 合金磨损率随冲击角度的变化趋势主要取决 于材料自身的性质，受冲击速度和颗粒类型的影响较 少． 这与 Singh 等［14］采用喷沙式试验装置研究塑性材 料的冲击角度与磨损率的关系所得出的规律一致，表 明 1Cr9Mo 钢具有典型塑性材料的冲蚀磨损特征． 采用 JSM--5610LV 型扫描电子显微镜( SEM) 分析 冲蚀磨损后试件表面形貌． 图 5 为当温度为 20 ℃，在 冲蚀角 为 15° 和 90°，颗粒冲击速度为 200 m·s － 1 时 1Cr9Mo 经 SiO2和 SiC 颗粒冲蚀磨损试验后的形貌． 如 图 5( a) 和( c) 所示，在低冲角的情形下，1Cr9Mo 试件 主要受到颗粒的沿水平方向的切应力作用，材料表面 呈现出大量被磨损颗粒切削后形成的划痕及犁沟，这 些沿冲击方向的划痕经颗粒多次冲击会形成局部堆积 ·1750·