双连续Si3N4/1Cr18Ni9Ti复合材料的制备与冲蚀性能研究

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冲蚀磨损是指流动介质中的液滴或固体颗粒对材料表面的反复冲击并最终造成材料损失的磨损现象。水利机械、泥浆泵、杂质泵、火电厂脱硫管道等的过流部位都存在固液双相流以一定流速和攻角对材料表面进行冲击致使材料表面破坏的液固冲蚀磨损现象。这不仅缩短了相应部位的使用寿命,还会造成不可估量的经济损失。利用双连续相结构中两相物质间很强的相互约束作用研制耐液固冲蚀磨损材料是提高材料耐冲蚀性能的有效手段。  本文以凝胶注模的方法制备Si3N4泡沫陶瓷增强体,以1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢为基体材料,采用压力铸造的方法制备具有双连续结构且界面结合良好的Si3N4/1Cr18Ni9Ti复合材料。  采用转盘-回路式固液冲蚀实验装置分别测试了1Cr18Ni9Ti不锈钢基体和双连续Si3N4/1Cr18Ni9Ti复合材料的冲蚀率与攻角、流速、含沙量和冲蚀时间的关系,并分别探讨了它们的磨损机理。  1Cr18Ni9Ti不锈钢基体的冲蚀率随攻角的增加而先增加后下降,最大冲蚀率(3 g·m-2·h-1)对应的攻角为15°,不锈钢基体的显微硬度随着攻角的增大而增加。攻角为0°时,材料以犁削的方式磨损;攻角为15°时,材料以切削的方式磨损,伴随有少量的犁削;攻角为30°时,材料的磨损方式从切削向坑蚀过渡;攻角为45°时,材料的磨损方式为坑蚀;攻角为60°时,材料表面不仅含有大量小而深的蚀坑,同时还有部分固体颗粒嵌入材料表面。1Cr18Ni9Ti不锈钢基体的冲蚀率与流速呈线性关系。随流速的增加,材料表面硬度略有增加,但是磨损方式不变。1Cr18Ni9Ti不锈钢基体的冲蚀率与含沙量和冲蚀时间都呈线性关系,含沙量和冲蚀时间的增加既不改变材料的磨损方式也不改变材料的表面硬度。  与1Cr18Ni9Ti不锈钢基体相比,双连续Si3N4/1Cr18Ni9Ti复合材料具有更优秀的耐冲蚀性能。其冲蚀率随攻角的变化幅度较小,最大冲蚀率(1.87 g·m-2·h-1)对应的攻角为30°;其冲蚀率与流速呈指数关系(E∝V0.67);其冲蚀率与含沙量呈线性关系;其冲蚀率随冲蚀时间的延长而先降低后趋于稳定,经冲蚀40 h后的冲蚀率稳定于约0.5 g·m-2·h-1。复合材料耐冲蚀性能提高的主要原因是泡沫陶瓷增强体对不锈钢基体的阴影保护作用,同时泡沫陶瓷增强体的三维连续网络骨架之间的强约束作用使其从未发生从基体剥落的现象。
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