技术创新59
◊福建船政交通职业学院林小东
1前言
船用的泵壳、叶片以及水力发电机叶片在工作过程中，由于水中夹杂着各种各样的颗粒，其工作表面受到不同程度的磨粒冲击和气蚀作用。这不仅使大量金属损耗，而且需要频繁更换零部件，严重影响生产。NiTi形状记忆合金除了具有优异的形状记忆、超弹性和高阻尼等独特的力学性能外，还具有高强度、耐磨损、耐腐蚀等特点％由此特性推断，该材料具有被广泛应用到工程中的潜力。本试验的基本思想：设计一种有效的冲蚀磨损试验方法，能够有效地模拟电站水轮机叶片的工况条件，达到快速评价材料及防护涂层耐冲蚀磨损能力的目标；通过冲蚀磨损试验，根据磨损失重规律及磨损试样表面的形貌变化，进一步分析材料的磨损规律和磨损机制。 2冲蚀磨损
磨损是由一对相互接触的表面在法向力的作用下发生相对运动时，由于机械的和化学的过程，引起摩擦表面物质逐渐损耗或产生残余变形％磨损是普遍存在的现象，它导致材料和能源的消耗，影响机器的使用寿命和可靠性。据统计，大约有80%的零件损坏是由于各种形式的磨损造成的。磨损的类型有很多种，前面所述的泵壳、叶片以及水力发电机叶片等构件的磨损可以归为冲蚀磨损。冲蚀磨损是指流体（包括固体质点）以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。其基本特征是：表面有小凹坑，变形层有微小裂纹，磨屑是小碎片％根据介质的不同，冲蚀磨损可以分为三种基本类型：固体颗粒的冲蚀磨损、液滴冲蚀磨损和气蚀磨损。在本试验中，试样的磨损主要为固体颗粒的冲蚀磨损和气蚀磨损。然而由于液体的流速不高，虽然气蚀磨损不可避免，但可以忽略不计。因而本文主要探讨的是固体颗粒的冲蚀磨损。
3形状记忆合金
形状记忆合金（SMA）是一种有形状记忆效应的特殊功能材料。形状记忆合金的可贵之处，在于它是一种无疲劳的材料，这种变形与恢复的过程可以反复进行500万次而不产生疲劳断裂，而且它恢复原状几乎可以达到100%，即和原来一模一样旳。随着对形状记忆合金的认识，最近在电器、电子、汽车、机械、能源、医疗装置等许多方面正在大力推广应用。从强度等方面来看，只有NiTi系合金和Cu系合金比较实用，所以这两种材料是材料学的主要研究对象。
形状记忆合金的基本特点：它具有形状记忆效应、自谐调机制、应力诱发马氏体相变、相变伪弹性四个方面的性质。金属材料受力一般有弹性-塑性-破坏的过程，NiTi合金受力时却在弹性-塑性之间表现出非塑性的过程。NiTi除良好的物理、机械性能之外，还具有良好的耐磨性叭耐腐蚀性。本文主要研究NiTi合金的冲蚀磨损性能。
4模拟试验装备和试验方法设计
本试验根据相似准则设计冲蚀磨损试验，选用重量磨损量，针对砂浆泵壳及叶片的工况条件设计模拟试验，这种工况条件可简化为：某一质点以一定的速度冲击到材料的表面，在质点与材料接触的瞬间，材料正对磨料的表面受到的只有法向压应力的作用，而当质点以小于90°方向冲击材料表面时，材料则受到法向和切向应力的作用。
4.1设计和组装冲蚀磨损试验系统
本试验装备均自行设计安装，其结构如图1和图2所示，主要由水箱（800mm x800mm x1000mm）、污水泵、木梁、工程用砂以及管道组成。水箱作为循环用水砂两相混合流体的容器，水泵作为产生高速两相流体的动力，木梁作为固定水泵及流道的辅助工具，所用的建筑工程砂主要取自江河，与本试验的目的相吻合。
安装如上述的模拟磨损试验方法，本试验装备的设计指标是：①产生高速两相流体；②流体中携带足够量的固体颗粒，即含砂量高；③在反复多次及长时间连续运行中，含砂量稳定，不可有大的波动，以便试验结果有可比性；④电器系统安
60为0工科■技2021年.第3期
全可靠，最大限度地降低安全事故及运行故障；⑤试样便于安装，可重复性好。
安装如上指标，经多次改进试样方案，得到了较好的冲蚀磨损试验方法。主要采用了以下三种：
图1第一、二种试验方法舘
设备装配简图
（1）第一种试验方法：见图1，水泵出口处连接塑料螺纹管，长度约800mm，在出口附近（约100mm处）安装试样，为了加快试验进度，每次安装3个试样，角度均布，并保持一定距离约50mm，试样的表面与迎水面成20。角。如图1所示。其中木梁用来控制管子的位置及角度。经约300小时的运行，得到了一批试验结果，但同时发现如下问题：①由于水在管道内螺旋流动，因而产生离心力，使砂粒只在管子的壁上流动，从而减少了试样的冲蚀面积；②管子内壁产生严重的磨粒磨损而很容易被磨漏；③流阻损失很大，流速低，砂粒在试样表面的冲击力不大；④含砂量很低且不稳定，磨损速度
很小，试验周期太长。
（2）第二种试验方法：在第一阶段试验的基础上，进行了管道材料的改进，把螺旋管改为胶皮管，其余与第一种试验方法相同。经约60小时的试验，得到一组数据表明，流阻损失比第一种试验方法明显减少，流速增大，水箱中流体的搅拌程度增加，含砂量增多，且比第一种方法稳定。但是这种试验方法仍存在不少问题，例如试样相互之间干扰大，管道流阻仍然很大，流速和含砂量还没有达到预期的效果，磨损速度仍然很低。
（3）第三种试验方法：通过对以上两种试验方法的分析发现，造成流阻损失的主要原因是泵壳排水口处的法兰弯头和管道损失，所以把弯头法兰切掉，试样直接插在泵壳排水口处，如图2所示，这样流体在叶轮的切线方向直接冲击试样表面，从而有效地减少了流阻损失。由于水泵受到水流的反推力增大，需要把泵固定在木梁上。经10小时的试验表明，两相流体速度大大提高，水箱中经高速水流的强烈搅拌，使砂粒悬浮与水中，出水含砂量大大提高，且在多次长时间连续运行中，含砂量稳定，没有大的波动，试样便于安装，可重复性好。这种试验方法存在的唯一问题是不能同时进行多个试样的冲蚀磨损试验，但由于磨损速度大大提高，要获得相近磨损量的试验周期从2创、时减少到1小时左右。
试验过程中，必须考虑砂的投入量（砂水比）和积砂问题。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状，为了增加流动的水中的含砂量，尽可能地增大磨损率，所以在水箱中
尽可能的多放砂，以提高砂水比。试验时还必须考虑水分的蒸发问题。因为水泵的排量为12m7h，箱中的水每小时循环约30次，并伴随强烈的搅动，水泵本身发热，这些都加快了水温的上升和水分的蒸发。水分蒸发使砂水比发生变化，并且水温升高影响了材料的性能，所以适量补充水，经过试验得知控制适当的自来水水阀开度即可实现。
4.2试验材料
试样用切割机切出，表面经300#水砂纸磨光。由于叶片采用不锈钢，因而采用不锈钢作为对比试样，另外还对比了A1合金、CuZnAl及形状记忆合金。
4.3试验程序
根据试验的要求，在水箱中放入一定量的水与砂，进行试样的砂粒冲蚀磨损试验：①试样的制备，用切割机切割好试样，然后用多种型号的水砂纸处理试样的表面；②接着用丙酮把试样擦净，再在Sony CCD显微摄像系统上观察其表面形貌；
③用分析天平（最大载荷200克，最小刻度0.1毫克）称量环试样的质量并记录具体数据；④把试样装在设备中冲蚀规定的时间后取出，用自来水清洗干净，接着用丙酮把试样擦净，放在Sony CCD显微摄像系统上观察其表面形貌，用分析天平称量其质量，记录具体数据。以此类推，分别冲蚀规定的单位时间，测出磨损量并观察各个试样的表面形貌。最后，根据磨损量数据画出磨损量与时间关系图。
5试验结果
（1）第一种试验方法（冲蚀间隔时间为24小时），结果如表1所示。
CuZnAl Al NiTi 24小时磨损量（mg） 1.710.10.4
48小时磨损量（mg） 3.117.50.7
72小时磨损量（mg） 4.727.30.9
96小时磨损量（mg）12.740.8 1.2
120小时磨损量（mg）37.568.3 2.4
表1累积磨损量
因为在冲蚀磨损的过程中没有换试样，所以应该把冲蚀磨损量值加起来得到累积磨损量与磨损时间的关系，如表1及图3所示。可见，经120小时的磨损后，NiTi形状记忆合金的总磨损量约为CuZnAl合金的6.5%,A1合金的3.5%，并且随着冲蚀时间的增加，CuZnAl合金和A1合金的磨损率增加的比NiTi合金明显多的多，磨损曲线明显变陡，特别是冲蚀时间超过72小时后。
（2）第二种试验方法（冲蚀间隔时间为12小时），结果如怂所示。
表2累积磨拯量
试样CuZnAl不锈钢NiTi 12小时磨损量（mg）27.2 6.9 3.4
24小时磨损量（mg）91.815.67.5
36小时磨损量（mg）163.224.511.6
48小时磨损量（mg）230.832.515.2
60小时磨损量（mg）297.939.2
18.5
技术创新61
同样在冲蚀磨损的过程中没有换试样，得到累积磨损量与时间的关系，如表2和图4。可见经过近60小时的磨损后，NiTi形状记忆合金的总磨损量约为CuZnAl合金的6.2%、不锈钢的47.2%。CuZnAl合金的磨损率最大，不锈钢的磨损率次之，NiTi合金的磨损率最低，并且随着时间的增加，CuZnAl合金与不锈钢合金都加速磨损。其磨损量和磨损规律与第一种试验方法相近，但变化趋势不同。
（3）第三种试验方法（冲蚀间隔时间为1小时），结果如表3所示。
NiTi不锈钢
1小时磨损量（mg）57.9185.5
2小时磨损量（mg）101.8327.1
3小时磨损量（mg）148.3477.4
4小时磨损量（mg）191.7612.4
5小时磨损量（mg）240.7763.8
6小时磨损量（mg）275.4884.9
表3累积磨损量
表3为累积磨损量与时间的关系，如图5所示。可见经6小时的磨损后，NiTi形状记忆合金的总磨损量约为不锈钢的31.1%，与前两种试验方法得到的规律相近，但NiTi合金的相对磨损量提高，而且尽管磨损时间大大缩短，但磨损量明显增大，说明采用这种试验方法能够对材料的耐冲蚀磨损特性进行快速有效的Wo
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图5磨损量与时间关系图
综合以上三组试验结果，在冲蚀磨损条件下，A1合金的磨损量最大，CuZnA洽金次之，接着是不锈钢，NiTi形状记忆合金的磨损率最低，即NiTi形状记忆合金的耐磨性均比其它几种材料的好。
6分析与讨论
6.1试验方法的探索
（1）在试验过程中，由于泵壳的材料为铸铁，它的磨损速度明显高于其它的材料，其中叶片的磨损最严重，它的磨损对试验过程中流体的速度有很大的影响，所以在试验前必须对它们进行表面处理。在试验过程中，必须随时观察泵壳，以防被冲漏而影响试验的结果。
（2）水箱必须有一定的倾斜角度且最好箱底与水流形状相符合，否则就会造成大量的积砂，使流体中的含砂量不能达到很大值，且使輕条件不稳定。
（3）要在电路控制系统中加入时间和液位控制器，时间控制器能精确地控制试验中试样的冲蚀时间，液位控制器能非常精确地控制水量，从而使砂水比稳定。
（4）要在水箱中装备THS温器，以防在冲蚀磨损试验中流体的温度变化而影响试样的性质。
6.2NiTi合金耐磨性问题的分析与讨论
由以上的试验结果可以看出，NiTi合金在冲蚀条件下有良好的耐磨性。
（1）一般说来，材料的硬度越高，耐磨性越好。但是，硬度和耐磨性没有确定的一一对应的关系呦。耐磨性还与材料的韧性和抗疲劳性能有关。由于NiTi合金具有自协调的性质，自协调机制使得NiTi合金的弹性极限大大提高。NiTi合金的硬度高于其它合金的硬度，有良好的抗疲劳性能。
（2）韧性高的组织受磨粒撞击时材料表面产生剧烈的变形，形成凿坑，经过多次塑性变形而导致断裂和剥落；而韧性
低的材料在同样条件下，更容易断裂和剥落％
一般金属的弹性应变值只有0.2%左右，而处于"超弹态”的NiTi合金的极限应变值可达10%~20%，比一般的金属高1~2个数量级。一般金属受力屈服有弹性塑性屈服的过程，而NiTi合金受力屈服却是弹性非塑性塑性屈服的过程，非塑性变形表现为形状记忆合金的超弹性。由于超弹性的存在，在理想条件下，本试验认为弾性冲击对磨损不产生作用，从而提高了NiTi合金的耐磨性。
7结论
（1）试验表明第三种试验方法是评价材料冲蚀磨损性能的一种有效快速的方法，可以很好的用于以后的冲蚀磨损试验中。多功能制水机
（2）NiTi合金在冲蚀条件下具有良好的耐磨性。
（3）应力诱发马氏体相变、自协调机制、超弹性以及NiTi 合金本身具有的硬度和韧性、耐疲劳性，是NiTi合金具有良好的耐磨性的主要原因。
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作者简介：林小东（1963-），副教授，福建福州市人，研究方向：金属材料
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