偶国富等：1C9Mo钢高速气-固两相流冲蚀磨损 ·1749· 的影响主要取决于颗粒的粒径、硬度、密度、形状系数 (2)将试件安装于台架上，先后调节试件角度以 等，而与颗粒的化学成分关系不大.颗粒的形状系数 及试件中心与激波管出口的距离：选取相应厚度的铝 为与物体相同体积的球体表面积和物体的表面积之 膜嵌装在激波管中，并加载固体颗粒 比，采用型号为QICPIC-RODOS/L的动态颗粒图像分 (3)开启温控装置，设定试验所需温度，通过电加 析仪测试所得.本文选择煤渣中含量较高的Si02、 热板对试件进行加热.当电加热板温度达到初始设定 AL,0,颗粒以及硬度较高的SiC颗粒作为冲蚀粒子研 值时，停止加热：当温度低于初始设定值时，恢复加热 究1C9Mo钢的磨损性能.分别用90目和100目的国 (4)开启动态测试分析仪，依次打开高速摄影仪 际标准筛对试验所用的颗粒先后进行两次筛分，获得 和高压气瓶针阀.采用高速摄影仪捕捉颗粒的运动轨 平均粒径为150μm的颗粒.三种冲蚀颗粒的物理性 迹：采用动态压力传感器、电荷放大器、动态测试分析 能见表2,1C9Mo钢的力学性能参数见表3. 仪等测量激波速度 表1煤渣成分（质量分数） (5)冲蚀试验完成后，对试件进行冷却、超声波清 Table 1 Chemical composition of the coal cinder 洗和干燥，对冲蚀后的试件进行五次称重，根据下式计 SiO2Al203Fc203Ca0Mg0K20Na20其他 算其冲蚀磨损率 49.3%27.8%2.8%2.78%1.6%1.1%2.0%12.6% k =Am (1) m。 式中：R为冲蚀磨损率，mg‘g;△m,为材料的质量损 失，mgm,为单次冲击颗粒的质量，g 2关键参数的确定 2.1激波和颗粒群的测速 高速摄像仪捕捉记录其运动轨迹，通过处理其运 动轨迹图像可确定颗粒的速度，为 △l ",=nf (2) 50 100 150 200 式中：t,为颗粒的速度，m·s;△1为相间颗粒群距离； 煤粉粒径um △n为间隔帧数f为拍摄频率. 图2煤粉粒径分布图 试验中，分别选择厚度为0.13、0.2和0.3mm的 Fig.2 Particle size distribution of the pulverized coal 铝膜进行冲蚀试验.采用高速摄影技术获得三种膜片 表2冲蚀粒子的物理性能 厚度下的激波速度、波后空气速度以及颗粒速度，见表 Table 2 Physical properties of the erodent particles 4.颗粒单次冲击试件的时间约为13.5ms.采用在激 硬度， 密度/尺寸范围/平均尺寸/形状 颗粒 波管低压段两个测压点的阶跃信号存在的时间差△： Hv (g”cm-3)μm μm 系数 和测点距离△L计算激波速度：采用理论公式计算波 Si0 1100 2.63140-175 150 0.55 后空气速度：利用高速摄影仪拍摄的颗粒连拍图像计 Al203 1800 3.94 135-170 150 0.57 算颗粒速度，具体计算方法详见文献1]. SiC 2500 3.21 140-170 150 0.54 在颗粒冲击过程中，在由激波驱动产生的“颗粒 流”中绝大部分颗粒经加速后速度基本一致，将该段 表31C9Mo钢的力学性能 Table 3 Mechanical properties of IC9Mo steel 颗粒称为均布颗粒群段.因此，将该段颗粒运动的 密度，/抗拉强度，屈服强度，布氏硬延伸率，断面收缩 速度可代表“颗粒流”整体速度.本文所测得的颗粒速 (gcm)/MPa o.MP度，HB6/%率，b1% 度是颗粒冲出激波管口撞击试件的速度，为冲蚀区域 7.60 431 207 23022 65 的均布颗粒段的平均速度.大量高速冲蚀试验数据表 明，加速段出口颗粒群速度测试结果偏差小于3%，认 1.3试验步骤和方法 为颗粒群测速方法可靠. (1)试件尺寸为100mm×80mm×1mm,用1000 2.2颗粒加载量及冲击次数的确定 的砂纸对试件表面进行抛光，对试件表面进行超声波 试验装置为脉冲式试验装置，在冲蚀试验过程中 清洗，并用热空气风干：采用精度为0.1mg的电子天 需多次加载颗粒.其中，颗粒的单次加载量是试验过 平（上海上平，FA1004)对试件进行五次称重，取平 程中的关键参数.这是由于单次加载颗粒量较少时， 均值. 颗粒对材料表面的冲蚀作用较小：单次加载颗粒数量偶国富等: 1Cr9Mo 钢高速气--固两相流冲蚀磨损 的影响主要取决于颗粒的粒径、硬度、密度、形状系数 等，而与颗粒的化学成分关系不大． 颗粒的形状系数 为与物体相同体积的球体表面积和物体的表面积之 比，采用型号为 QICPIC--ＲODOS /L 的动态颗粒图像分 析仪测 试 所 得． 本 文 选 择 煤 渣 中 含 量 较 高 的 SiO2、 Al2O3颗粒以及硬度较高的 SiC 颗粒作为冲蚀粒子研 究 1Cr9Mo 钢的磨损性能． 分别用 90 目和 100 目的国 际标准筛对试验所用的颗粒先后进行两次筛分，获得 平均粒径为 150 μm 的颗粒． 三种冲蚀颗粒的物理性 能见表 2，1Cr9Mo 钢的力学性能参数见表 3． 表 1 煤渣成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the coal cinder % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O 其他 49. 3% 27. 8% 2. 8% 2. 78% 1. 6% 1. 1% 2. 0% 12. 6% 图 2 煤粉粒径分布图 Fig． 2 Particle size distribution of the pulverized coal 表 2 冲蚀粒子的物理性能 Table 2 Physical properties of the erodent particles 颗粒 硬度， Hv 密度/ ( g·cm － 3 ) 尺寸范围/ μm 平均尺寸/ μm 形状 系数 SiO2 1100 2. 63 140 ～ 175 150 0. 55 Al2O3 1800 3. 94 135 ～ 170 150 0. 57 SiC 2500 3. 21 140 ～ 170 150 0. 54 表 3 1Cr9Mo 钢的力学性能 Table 3 Mechanical properties of 1Cr9Mo steel 密度，ρ / ( g·cm － 3 ) 抗拉强度， σb /MPa 屈服强度， σs /MPa 布氏硬 度，HB 延伸率， δ /% 断面收缩 率，ψ/% 7. 60 431 207 230 22 65 1. 3 试验步骤和方法 ( 1) 试件尺寸为 100 mm × 80 mm × 1 mm，用 1000# 的砂纸对试件表面进行抛光，对试件表面进行超声波 清洗，并用热空气风干; 采用精度为 0. 1 mg 的电子天 平( 上 海 上 平，FA1004) 对试件进行五次称重，取 平 均值． ( 2) 将试件安装于台架上，先后调节试件角度以 及试件中心与激波管出口的距离; 选取相应厚度的铝 膜嵌装在激波管中，并加载固体颗粒． ( 3) 开启温控装置，设定试验所需温度，通过电加 热板对试件进行加热． 当电加热板温度达到初始设定 值时，停止加热; 当温度低于初始设定值时，恢复加热． ( 4) 开启动态测试分析仪，依次打开高速摄影仪 和高压气瓶针阀． 采用高速摄影仪捕捉颗粒的运动轨 迹; 采用动态压力传感器、电荷放大器、动态测试分析 仪等测量激波速度． ( 5) 冲蚀试验完成后，对试件进行冷却、超声波清 洗和干燥，对冲蚀后的试件进行五次称重，根据下式计 算其冲蚀磨损率． ＲE = Δmt mp ． ( 1) 式中: ＲE为冲蚀磨损率，mg·g － 1 ; Δmt为材料的质量损 失，mg; mp为单次冲击颗粒的质量，g． 2 关键参数的确定 2. 1 激波和颗粒群的测速 高速摄像仪捕捉记录其运动轨迹，通过处理其运 动轨迹图像可确定颗粒的速度 vp为 vp = Δl Δn /f ． ( 2) 式中: vp为颗粒的速度，m·s － 1 ; Δl 为相间颗粒群距离; Δn 为间隔帧数; f 为拍摄频率． 试验中，分别选择厚度为 0. 13、0. 2 和 0. 3 mm 的 铝膜进行冲蚀试验． 采用高速摄影技术获得三种膜片 厚度下的激波速度、波后空气速度以及颗粒速度，见表 4． 颗粒单次冲击试件的时间约为 13. 5 ms． 采用在激 波管低压段两个测压点的阶跃信号存在的时间差 Δt 和测点距离 ΔL 计算激波速度; 采用理论公式计算波 后空气速度; 利用高速摄影仪拍摄的颗粒连拍图像计 算颗粒速度，具体计算方法详见文献［11］． 在颗粒冲击过程中，在由激波驱动产生的“颗粒 流”中绝大部分颗粒经加速后速度基本一致，将该段 颗粒称为均布颗粒群段［11］． 因此，将该段颗粒运动的 速度可代表“颗粒流”整体速度． 本文所测得的颗粒速 度是颗粒冲出激波管口撞击试件的速度，为冲蚀区域 的均布颗粒段的平均速度． 大量高速冲蚀试验数据表 明，加速段出口颗粒群速度测试结果偏差小于 3% ，认 为颗粒群测速方法可靠． 2. 2 颗粒加载量及冲击次数的确定 试验装置为脉冲式试验装置，在冲蚀试验过程中 需多次加载颗粒． 其中，颗粒的单次加载量是试验过 程中的关键参数． 这是由于单次加载颗粒量较少时， 颗粒对材料表面的冲蚀作用较小; 单次加载颗粒数量 ·1749·