劉子武，李劍峰，李方義，賈秀杰

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不同熱處理材料在超細(xì)Al2O3顆粒作用下的沖蝕試驗(yàn)研究

劉子武，李劍峰，李方義，賈秀杰

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250061)

利用高速?zèng)_蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，選用超細(xì)Al2O3顆粒作為沖蝕顆粒，研究3種葉片材料不同熱處理方式下的沖蝕行為。通過(guò)探討材料沖蝕率、表面粗糙度、表面硬度等隨沖蝕角度變化的規(guī)律，分析沖蝕特性曲線的異同，解釋顯微組織結(jié)構(gòu)對(duì)沖蝕機(jī)理的影響。研究結(jié)果表明：3種材料沖蝕率都有1個(gè)最高點(diǎn)，材料塑性越好，沖蝕率最高點(diǎn)向低角度方向移動(dòng)；在低角度沖蝕時(shí)，材料以微切削方式被去除，組織越硬抗沖蝕能力越強(qiáng)，其中回火索氏體組織中大尺寸碳化物能夠直接起到抗沖蝕作用；在較高角度沖蝕時(shí)，材料表面首先發(fā)生塑性變形，偏向堆積溝槽末端，后續(xù)的粒子將這部分材料切除或者剪切折斷去除；接近正向沖蝕時(shí)，材料經(jīng)反復(fù)變形后，硬化剝落或剪切折斷去除；表面粗糙度隨沖蝕角度變化呈先增加后降低的趨勢(shì)，且中高角度沖蝕的表面質(zhì)量較差；塑性越好的材料沖蝕硬化越明顯，正向沖蝕下的硬化程度最高。

沖蝕磨損；熱處理；顯微組織；沖蝕機(jī)理；粗糙度；沖蝕硬化

FV520b型不銹鋼及KMN型低合金高強(qiáng)鋼，具有優(yōu)良的耐蝕性能和良好的沖擊性能，常用于離心鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)葉輪的制造[1?2]；45鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，由于經(jīng)熱處理后可獲得良好的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于齒輪、風(fēng)機(jī)及水泵葉片等[3]。其中葉輪作為壓縮機(jī)的主要做功部件，具有很高的旋轉(zhuǎn)速度，極易受到固體顆粒的高速?zèng)_蝕磨損[4]。介質(zhì)雖經(jīng)濾芯進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部，但仍有粒徑為5 μm及以上的固體顆粒進(jìn)入壓縮機(jī)核心部件，對(duì)葉片造成沖蝕磨損。而葉片的導(dǎo)緣只要有極少量材料沖蝕出現(xiàn)，0.05 mm的縫隙便能引起局部失速，甚至引起事故[5?7]。研究材料的沖蝕行為，對(duì)于控制、減少?zèng)_蝕磨損，延長(zhǎng)葉片使用壽命，具有重要的意義。BITTER等[8?15]研究了各種因素對(duì)粒子撞擊磨損的影響，包括有粒子的形狀、粒度、速度、沖擊角度及材料性能等，并依據(jù)各自的試驗(yàn)結(jié)果建立了一些沖蝕理論。但現(xiàn)有的葉片固體粒子沖蝕磨損機(jī)理研究大多集中在20 μm以上的磨料粒徑范圍[16?19]，對(duì)超細(xì)顆粒沖蝕行為與相關(guān)機(jī)理研究鮮見(jiàn)報(bào)道，并對(duì)熱處理因素的影響研究得很少。而材料成分和組織結(jié)構(gòu)的變化、對(duì)材料的耐沖蝕性和沖蝕機(jī)理都有很大的影響。基于此，本文作者以平均粒徑為7 μm的Al2O3顆粒為沖蝕磨料，研究3種葉片材料不同熱處理方式的沖蝕行為，探討材料沖蝕率、表面粗糙度、表面硬度等隨沖蝕角度變化的規(guī)律，分析沖蝕特性曲線的異同，解釋顯微組織結(jié)構(gòu)對(duì)沖蝕機(jī)理的影響。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)材料

沖蝕試樣長(zhǎng)×寬×厚為70 mm×60 mm×5 mm的板材。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分、熱處理方式和力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2和表3，材料的金相組織如圖1(b)~(h)所示。對(duì)試樣先去表面油污，再浸入丙酮進(jìn)行超聲清洗，清洗完畢吹干后放入干燥器中備用。

表1 金屬材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Table 2 Chemical components of materials %

表2 材料熱處理方式

表3 材料的力學(xué)性能

(a) 7 μm Al2O3顆粒電子顯微鏡照片；(b) 45鋼200℃回火，回火馬氏體；(c) 45鋼400℃回火，回火屈氏體；(d) 45鋼600℃回火，回火索氏體；(e) FV520b鋼470℃回火，回火索氏體；(f) FV520b鋼615℃回火，回火索氏體；(g) KMN鋼570℃回火，回火索氏體；(h) KMN鋼700℃回火，回火索氏體

圖1 Al2O3顆粒電子SEM形貌及不同材料的金相組織

Fig. 1 Electron microscopic images of Al2O3particles and microstructure observations of different materials

沖蝕料粉為白剛玉砂(Al2O3)，粒度為7 μm，顆粒采用浮選法獲得，主粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%以上。Al2O3顆粒SEM照片如圖1(a)所示。Al2O3顆粒是極難溶于水的白色粉末，無(wú)味，質(zhì)極硬，堆積密度為1.53~ 1.99 g/cm3，真密度為3.9 g/cm3，努譜硬度為2 000~ 2 200 kg/mm2，莫氏硬度為9.0。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用山東大學(xué)可持續(xù)制造中心設(shè)計(jì)的氣流噴砂沖蝕試驗(yàn)機(jī)[20]，進(jìn)行12°~90°角度連續(xù)變化粒子沖蝕試驗(yàn)[1]。圖2所示為試驗(yàn)裝置示意圖，主要由高速氣流單元、螺桿加料單元、沖蝕試驗(yàn)單元和凈化除塵單元4部分組成。通過(guò)調(diào)節(jié)排氣閥和流量計(jì)，能夠在噴槍噴嘴處得到0~200 m/s的氣流沖擊速度。通過(guò)試樣旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，在0°~90°之間改變沖蝕角度。借助螺桿加料器，能保證均勻加料。依靠數(shù)顯電子秤，能實(shí)時(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)沖蝕顆粒的消耗，實(shí)現(xiàn)沖蝕過(guò)程有效控制。廢氣、粉塵經(jīng)過(guò)濾筒式除塵器凈化后再排放，保護(hù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和大氣環(huán)境。

1.3 試驗(yàn)方案及評(píng)價(jià)方法

為研究各材質(zhì)的沖蝕磨損特點(diǎn)和規(guī)律，對(duì)不同材質(zhì)在12°~90°下進(jìn)行對(duì)比沖蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)前、后試樣的質(zhì)量用BS224S型精密電子天平測(cè)量，沖蝕區(qū)域微觀形貌使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，利用金相顯微鏡觀察表層金相組織。表面粗糙度測(cè)量及表面形貌觀察采用Wyko NT9300型白光干涉儀測(cè)量。硬度選用MH?9型維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

1—空氣壓縮機(jī)；2—干燥器；3—壓力表；4—儲(chǔ)氣罐；5—閥門(mén)(a)；6—閥門(mén)(b)；7—閥門(mén)(c)；8—流量計(jì)；9—?dú)饬鞴艿溃?0—吸入式噴槍；11—試樣安裝板；12—試樣旋轉(zhuǎn)臺(tái)；13—觀察窗；14—試驗(yàn)箱；15—工作臺(tái)Ⅰ；16—排氣管；17—除塵器；18—工作臺(tái)Ⅱ；19—電子秤；20—儲(chǔ)料室；21—加料漏斗；22—加料管道；23—螺桿電動(dòng)機(jī)；24—支架；25—加料螺桿；26—調(diào)壓閥門(mén)；27—電子秤顯示屏；28—電機(jī)控制器。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

材料沖蝕能力常用材料質(zhì)量損失與沖蝕顆粒質(zhì)量比較，其定義如下：

式中為質(zhì)量沖蝕率，mg/g；t為靶材質(zhì)量損失，mg；t1為沖蝕前的靶材質(zhì)量，mg；t2為沖蝕后的靶材質(zhì)量，mg；p為沖擊試件的粒子質(zhì)量，g。

2.1 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖3所示為各種材質(zhì)在常溫、粒子粒度為7 μm、顆粒沖擊速度為180 m/s時(shí)[1]，沖蝕率隨沖蝕角度變化的關(guān)系曲線。從圖3可見(jiàn)：

1) 除600℃回火45鋼外，力學(xué)性能相似的材料，其沖蝕峰值略有差異，最大沖蝕角也都在相同范圍內(nèi)，沖蝕特性曲線規(guī)律也基本相似。對(duì)于力學(xué)性能不同的材料，沖蝕率隨沖蝕角度有不同的變化規(guī)律。元素成分相同的材料相比，中高溫回火組織在低角度沖蝕率大于高角度的沖蝕率，而200℃回火馬氏體組織則是高角度沖蝕率大于低角度沖蝕率。元素成分不相同材料相比，在未達(dá)到最高沖蝕角之前，含碳量低的鋼(FV520b及KMN)在低角度沖蝕下，硬度越高，其抗沖蝕性能越好；而45鋼400℃回火索氏體鋼硬度雖然高于600℃回火索氏體鋼硬度，但在低角度下的沖蝕率差別不大。在高角度沖蝕下，除了硬度較高的回火馬氏體組織沖蝕率較大外，無(wú)論是中溫還是高溫回火組織，沖蝕率都在較近的范圍內(nèi)。

1—45鋼(200 ℃回火)；2—45鋼(400 ℃回火)；3—45鋼(600 ℃回火)；4—FV520b-I；5—FV520b-S；6—KMN-I；7—KMN-S。

2) 每種材料的沖蝕率都有1個(gè)最高點(diǎn)。FV520b及KMN在相同熱處理方式下有著類似的沖蝕特性曲線。除200℃回火45鋼的沖蝕特性曲線較平緩?fù)?，其余沖蝕特性曲線都較陡峭。力學(xué)性能相似材料的最大沖蝕角度相似，且隨著材料塑性提高，最高沖蝕點(diǎn)向低角度方向移動(dòng)。

3) 在達(dá)到最大沖蝕率之前，硬度較高的材料沖蝕率較低。在硬度較低的材料達(dá)到?jīng)_蝕率峰值后的沖蝕角度時(shí)，其抗沖蝕性能卻沒(méi)有明顯低于硬度較高材料的抗沖蝕性能。例如：在24°沖蝕角下，F(xiàn)V520b及KMN材料在較高溫度回火形成組織的抗沖蝕性能與較低溫度回火形成的組織的抗沖蝕性能相差不大。在36°沖蝕角下，45鋼200℃回火馬氏體組織的沖蝕率要高于其他材料回火溫度的組織的沖蝕率。

2.2 沖蝕機(jī)理的研究

塑性材料不同角度的沖蝕機(jī)理示意圖[21]如圖4所示。如果磨料有棱角，對(duì)塑性材料來(lái)說(shuō)，低角度沖蝕磨損的方式主要以微切削(曲線1)和犁削(曲線2)為主，高角度沖蝕去除機(jī)理主要為變形硬化折斷方式(曲線3)。圖5所示為FV520b-I，KMN-S和200℃回火的45鋼在180 m/s速度沖擊下的SEM形貌圖。

2.2.1 曲線1階段沖蝕磨損機(jī)理的研究

顆粒低角度沖擊材料表面時(shí)，顆粒切向運(yùn)動(dòng)像刀具切削材料，如圖4中曲線1所示，當(dāng)形成有利于切削的角度時(shí)，將產(chǎn)生微切削現(xiàn)象。由圖5(a)和(b)可知：在12°沖擊下，粒子切面較為光滑，由于粒子水平速度大，切削能更有效地轉(zhuǎn)化為材料質(zhì)量損失，切痕為淺而長(zhǎng)的溝槽，寬度為0.2~0.3 μm，長(zhǎng)度約為2 μm，在溝槽兩側(cè)出現(xiàn)有細(xì)小切削唇片，溝槽后部很少出現(xiàn)唇片。可以認(rèn)為在此角度下粒子完成了1次完整的切削過(guò)程，沖蝕率較大。隨角度增大，溝槽變深，顆粒離開(kāi)靶材時(shí)水平速度變小，沖蝕率逐漸增大。當(dāng)顆粒離開(kāi)靶材的水平速度為0時(shí)，顆粒剛剛能完成1次切削，沖蝕率達(dá)到最大值[8]。

圖4 塑性材料不同角度的沖蝕機(jī)理示意圖[21]

(a) FV520b-I，α=12°；(b) KMN-S，α=12°；(c) 200℃回火的45鋼，α=30°；(d) FV520b-I，α=30°；(e) FV520b-I，α=60°；(f) FV520b-I，α=90°

在圖4中曲線1的沖蝕角度下，沖蝕與磨粒磨損的微切削機(jī)制是相似的[8]，如硬的基體能抵抗粒子的侵入?；w越硬，顆粒侵入材料深度越淺，從而導(dǎo)致較硬材料的沖蝕率低于較軟材料的沖蝕率，且出現(xiàn)的沖蝕率峰值也較晚(或最大沖蝕角的角度越高)。由于大部分研究在10°~45°之間沖蝕試驗(yàn)較少(尤其是在20°~30°)，最高沖蝕角度一般被認(rèn)為發(fā)生在30°左右，因此，這些不能作為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從文獻(xiàn)[8]可以看到：在粒徑為250 μm的SiC顆粒沖蝕下，沖蝕峰值角度隨材料硬度增加而增大，特別軟的材質(zhì)(例如純鋁，純銅等)最大沖蝕角低于15°。維氏硬度約為200的SAE-1055鋼(供貨狀態(tài))的最大沖蝕角約為25°，完全淬硬硬度約為600的SAE-1055鋼，其最大沖蝕角約為50°。

除45鋼的600℃回火組織以外，溫度較低的回火組織抗沖蝕性能高于溫度較高的回火組織的抗蝕性能。45鋼的200℃回火金相組織為回火馬氏體，中溫回火金相組織為回火屈氏體，F(xiàn)V520b和KMN的2種熱處理方式以及45鋼的高溫回火金相組織均為回火索氏體，回火屈氏體及回火索氏體均為鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物。一般情況，當(dāng)回火溫度達(dá)到400℃時(shí)，馬氏體組織完全分解，α相保持馬氏體態(tài)，因此，45鋼在400℃回火時(shí)仍具有板條狀特征，隨著回火溫度升高，回火組織析出碳化物相尺寸增大，數(shù)量增多，越來(lái)越密集地分布在鐵素體基體上。而在600℃及以上回火時(shí)，α相發(fā)生再結(jié)晶，形成等軸晶粒，且碳化物聚集并粗化，硬度進(jìn)一步下降。對(duì)于含有較多的Cr與Mo等溶質(zhì)元素的合金鋼FV520b及KMN，這些元素阻礙位錯(cuò)和晶界運(yùn)動(dòng)，不利于再結(jié)晶形成等軸晶粒，即使在高溫下，顯微組織的馬氏體位向依舊明顯，這也保證了這些組織仍具有良好的力學(xué)性能，F(xiàn)V520b-I及KMN-I即使回火溫度較高，其強(qiáng)度及抗沖蝕性能也與45鋼400℃回火組織的相差不大。

而45鋼的600℃回火組織雖然較軟，但是在曲線1角度下的沖蝕率很低。組織中碳化物的尺寸對(duì)磨損過(guò)程的影響如圖6所示。

圖6 45鋼的600℃回火組織中碳化物TEM照片

從圖6可知：45鋼600°C回火索氏體組織的碳化物高溫回火后碳化物聚集成較大顆粒，能夠達(dá)到0.15~0.30 μm，幾乎可與切削溝槽寬度相比，而且硬度都大于磨料硬度的0.8倍[22]，相對(duì)Al2O3是硬的材料，能使粒子棱角變鈍[23]。能夠直接起到抗沖蝕作用，所以，耐沖蝕明顯提髙。而FV520b及KMN回火材料由于含碳量低，導(dǎo)致大部分碳化物沒(méi)有充分長(zhǎng)大，從而回火析出碳化物數(shù)量很少，尺寸也小，很容易被挖出而起不到抗沖蝕作用。

2.2.2 曲線2階段沖蝕磨損機(jī)理的研究

如圖4中曲線2所示，粒子不能完成1次切削時(shí)，則不會(huì)對(duì)表面直接切削去除，只是將材料擠出，在劃痕的兩側(cè)和末端形成堆積唇，類似于犁耕切削，而由后續(xù)的粒子將這部分材料切除或者剪切折斷去除。

從圖5(d)可見(jiàn)：FV520b-I在沖擊角為30°時(shí)，沖蝕形貌為較深而短的切削溝槽，寬度為0.3~0.4 μm，長(zhǎng)度約為1.5 μm，沖蝕在溝槽兩側(cè)出現(xiàn)有較大切削唇片，溝槽后部出現(xiàn)大量唇片，一些唇片被后續(xù)粒子沖擊剪切，沖蝕率開(kāi)始下降。當(dāng)沖擊角為60°時(shí)(如圖5(e)所示)，不但在溝槽兩側(cè)及后部有大量的唇片，而且開(kāi)始出現(xiàn)了大量的韌窩。但對(duì)于塑性較差的200℃回火的45鋼，在30°沖蝕下粒子切削面仍比較光滑，且溝槽后基本沒(méi)有唇片出現(xiàn)(如圖5(c)所示)，仍能完成1次切削，沖蝕率繼續(xù)上升，這也是硬(塑性差)材料出現(xiàn)最大沖蝕角度較高的原因。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)：在36°沖蝕下，較軟材質(zhì)FV520b-I去除方式為犁耕切削，不能1次去除材料，從而導(dǎo)致在此角度下，沖蝕率開(kāi)始高于較硬的200℃回火45鋼的沖蝕率。

2.2.3 曲線3階段沖蝕磨損機(jī)理的研究

如圖4中曲線3所示，顆粒的法向運(yùn)動(dòng)像錘子一樣錘擊靶材表面，使得顆粒壓入材料表面，形成沖擊凹坑，如圖5(f)所示。從圖5(f)可知：90°沖蝕表面全部是深淺不一、麻點(diǎn)狀的凹坑，在凹坑的周圍有材料隆起和材料唇片，這些隆起和唇片在后續(xù)顆粒的不斷錘擊下，經(jīng)過(guò)反復(fù)塑性變形，硬化剝落或剪切折斷，而從靶材表面流失。

硬化剝落或剪切折斷都是斷裂的一種形式。材料越硬，表面引起的接觸應(yīng)力越大；材料越軟，產(chǎn)生的塑性變形越大，接觸應(yīng)力越松弛，材料形成的隆起和唇片就不易剝落或者折斷。沖擊時(shí)應(yīng)力幅度以及材料的塑性變形能力又與組織有關(guān)，一般塑性變形在基體相進(jìn)行，回火馬氏體為單相組織，強(qiáng)度和硬度髙，而塑性和沖擊韌性低，沖擊形成的材料隆起和唇片容易發(fā)生硬化剝落或剪切折斷。根據(jù)金屬學(xué)理論[24]，一種硬相分布在塑性的基體相時(shí)，塑性變形只在基體相進(jìn)行，若把連續(xù)分布的脆性相變成不連續(xù)分布，則可大大減弱它的脆性，回火屈氏體及回火索氏體中碳化物呈細(xì)粒狀分布在塑性好的鐵素體中，有利于塑性變形。松弛粒子沖擊時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力，基體越軟，抗沖蝕性能 越好。

2.3 沖蝕前后表面粗糙度分析

表面粗糙度是影響材料疲勞及腐蝕等行為的重要因素。為了說(shuō)明不同沖擊角度下，沖蝕表面粗糙度差別較大的原因，測(cè)試FV520b-I，KMN-S及200℃回火45鋼在不同角度沖蝕后表面粗糙度并進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

1—FV520b-I；2—KMN-S；3—45鋼(200℃回火)。

在低沖擊角度下，沖蝕以微切削為主。在沖蝕初期，表面形貌為平行于沖蝕方向的淺而長(zhǎng)的切削溝槽，溝槽兩側(cè)出現(xiàn)有細(xì)小切削唇片，后部出現(xiàn)極少唇片。在后續(xù)沖蝕時(shí)，雖然顆粒的實(shí)際沖擊角度會(huì)有所變化，但是不明顯。材料的去除仍以微切削為主，粗糙度較低。隨角度增大，微切削溝槽逐漸變深變短，粗糙度越來(lái)越大。從圖5(a)~(d)可以看出：材料硬，表面變形小，沖蝕微切削溝槽越淺。這說(shuō)明材料表面的硬度影響著沖蝕形貌，表面硬度越小，塑性變形越嚴(yán)重，粗糙度越高。

在較高沖蝕角度下，在沖蝕初期，顆粒將材料犁耕鏟削擠出，溝槽在劃痕兩側(cè)和末端形成大量鏟削唇片；進(jìn)一步?jīng)_蝕，粒子的實(shí)際沖擊角度將會(huì)因表面形貌的變化而發(fā)生變化。鏟削溝槽及兩邊的唇片實(shí)際沖蝕角度變化不明顯，顆粒沖蝕仍以鏟削擠出為主，而鏟削溝槽末端形成的初始唇片與顆粒的實(shí)際沖擊角度將增大，主要以鍛打擠壓為主，難以去除唇片，導(dǎo)致該區(qū)域沖蝕率降低。初始形成唇片前方的材料在后續(xù)顆粒沖蝕下，鏟削形成唇片被擠壓到初始唇片前端，造成唇片堆積。隨沖蝕角度升高，鏟削溝槽逐漸變深，形成唇片也越大、越厚，并且鏟削溝槽末端堆積唇片與顆粒逐漸接近正向沖蝕，更加難以去除，從而導(dǎo)致表面粗糙度增大。對(duì)于塑性差而硬的材料，由于堆積唇片易被鍛打剝落或剪切折斷，從而其表面粗糙度比軟而塑性好的材料低。

在接近正向沖蝕角度下，顆粒沖蝕塑性靶材以以擠壓變形為主。初期沖蝕時(shí)，在表面形成凹坑并在凹坑的周圍形成擠壓唇片。進(jìn)一步?jīng)_蝕時(shí)，顆粒沖擊初期形成的凹坑及早期唇片上。由于沖蝕角度較高，顆粒擠壓材料形成的唇片水平位移極小，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)唇片堆積。后續(xù)顆粒沖擊在初期唇片上，形成新凹坑及更細(xì)的唇片，同時(shí)由于早期唇片受顆粒下壓而高度變低，導(dǎo)致表面粗糙度不高。

2.4 沖蝕前后表面硬度對(duì)比分析

在沖蝕過(guò)程中，材料處于高壓、大應(yīng)變及大應(yīng)變率的狀態(tài)，這些作用會(huì)引起材料晶粒細(xì)化、位錯(cuò)增多，亞晶界增多，形成高位錯(cuò)密度的加工硬化層。RICHARDSON[22]在討論磨粒磨損問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)材料相對(duì)耐磨性與加工硬化后(磨損后)的硬度關(guān)系比未經(jīng)變形的材料硬度的關(guān)系更直接。測(cè)試各材料在不同角度沖蝕后表面下3 μm的顯微硬度，結(jié)果如表4所示。選取FV520b-I材料在12°，30°，60°及90°沖蝕后試樣每隔3 μm測(cè)量1次硬度，測(cè)試深度為18 μm，結(jié)果如圖8所示。

對(duì)于FV520b-I，在不同角度下沖蝕硬化層深度測(cè)試結(jié)果如下：在12°及30°，硬化深度并不明顯，為3~6 μm；在60°沖蝕時(shí)，硬化層深度為9~12 μm；在90°沖蝕時(shí)，硬化層深度約為15 μm。這是因?yàn)殡S著沖擊角度增大，顆粒法向速度增加，沖擊深度增大，使得更深層材料強(qiáng)度和顯微硬度提高。一般認(rèn)為，材料在彈性變形階段是可恢復(fù)的，而達(dá)到塑性變形后是不可恢復(fù)的。塑性變形是引起材料位錯(cuò)密度增大及應(yīng)變強(qiáng)化的根本原因。研究沖蝕磨損后硬化層深度可以預(yù)測(cè)顆粒沖蝕的應(yīng)力影響深度。

表4 材料沖蝕后亞表層的顯微硬度

α/(°)：1—12；2—30；3—60；4—90。

對(duì)于塑性材料，在各沖蝕角度下，顆粒沖擊均會(huì)在淺表層產(chǎn)生硬化層。對(duì)于噴丸強(qiáng)化，隨著顆粒沖擊角度增大，相應(yīng)的法向動(dòng)能減小，對(duì)材料表面深度影響增大，從而表面及亞表面的強(qiáng)化效果會(huì)增強(qiáng)。但是，本試驗(yàn)的硬度并不隨沖擊角度增加而增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在低角度沖蝕時(shí)，基體都會(huì)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，隨沖蝕率增加會(huì)有一個(gè)衰落的過(guò)程，當(dāng)衰落達(dá)到一定程度時(shí)，開(kāi)始回升。塑性好的材料其硬化會(huì)有大幅度提高，甚至維氏硬度增加30以上；對(duì)于塑性差的材料(200℃回火的45鋼)，因其變形程度低，硬化程度也較低，硬度增加量低于10。

沖蝕表面及亞表面硬化是因?yàn)轭w粒動(dòng)能被靶材吸收轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃文?，隨著后續(xù)顆粒的沖擊，亞表層材料塑性變形積累，位錯(cuò)密度增大，并產(chǎn)生交互作用，變形抗力增加，亞表層材料強(qiáng)度和顯微硬度提高。隨角度、沖蝕率增大，硬化下降，是由于沖蝕率高，導(dǎo)致材料還沒(méi)充分硬化就已經(jīng)被顆粒沖蝕。當(dāng)角度繼續(xù)增大時(shí)，顆粒沖擊深度增大，并且沖蝕率下降，使得材料塑性變形充分積累，材料硬化程度提高。

3 結(jié)論

1) 各熱處理材料均呈現(xiàn)出典型的塑性材料沖蝕特性。沖蝕率隨著沖擊角度的增大先增大后減小，且隨著材料塑性的提高，最高沖蝕點(diǎn)向低角度方向移動(dòng)。在30°左右低角度沖蝕時(shí)，較硬材料沒(méi)有表現(xiàn)出更好的抗沖蝕性能。

2) 低角度粒子沖蝕磨損的機(jī)制是微切削，耐沖蝕性基本隨硬度的增加而提高；當(dāng)含碳量足以形成抗沖蝕碳化物尺寸時(shí)，材料的抗沖蝕性能提高；回火馬氏體組織比回火索氏體組織抗沖蝕。高角度粒子沖蝕時(shí)，塑性材料經(jīng)反復(fù)塑性變形后硬化剝落或折斷去除；耐磨性一般隨硬度的增加而下降，回火索氏體組織比回火馬氏體組織耐沖蝕。

3) 較高的粗糙度會(huì)促進(jìn)表面腐蝕和表面疲勞損傷，而沖蝕硬化則抑制表面腐蝕和表面疲勞損傷，因此，沖蝕粗糙度和沖蝕硬化是葉片損傷必須考慮的問(wèn)題。在低角度沖蝕下，表面光滑且沖蝕硬化層較淺；在中高角度沖蝕下，表面粗糙度較高，沖蝕硬化層變深；接近正向沖蝕，表面質(zhì)量較好，沖蝕率較低，且在表面會(huì)形成較深的沖蝕硬化層。

4) 機(jī)械性能影響沖蝕特性曲線及沖蝕表面特性，因此，葉片損傷部位的修復(fù)應(yīng)建立修復(fù)材料與耐沖蝕性能、沖蝕表面特性、沖擊角度之間的映射關(guān)系，從而選擇合適材料。

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Experimental study on erosion of materials with different heat treatment by ultrafine Al2O3particles impacting

LIU Ziwu, LI Jianfeng, LI Fangyi, JIA Xiujie

(School of Mechanical Engineering & Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture,Shandong University, Jinan 250061, China)

The erosion behaviors of three materials under different heat-treatment conditions impacted by ultrafine Al2O3particles on the erosion test equipment were studied. The variation laws of erosion rates, surface roughness, erosion hardening with impacting-angles were studied systematically. Differences and similarities among the characteristic curve of erosion were analyzed and the effect of microscopic structures on erosion mechanism was also explained. The results show that there is the peak value for three plastic materials, and with increasing the plasticity, the erosion peak will move towards the low angles. At low impact angles, the erosion is dominated by micro-cutting, and the harder the microscopic structure of material is, the stronger erosion-resisting becomes. Therein, large size carbides in the tempered sorbite will play an important role in anti-erosion directly. At higher impact angle, deformation dominates the erosion surface, and materials bias stack the end of the grooves, which will be cut down or broken off by subsequent particles. Close to the positive erosion, materials will be hardened and peeled off after repeated deformation. The surface roughness increases initially and then decreases, and the surface has poor quality at the middle impact angle. The better the ductility of material is, the stronger the erosion hardening becomes, and the degree of erosion hardening is the highest at the impact angle of 90°.

erosion; thermal treatment; microstructure; erosion mechanism; roughness; erosion hardening

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.009

TB31；TH452

A

1672?7207(2018)07?1634?09

2017?07?09；

2017?09?18

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB013401)；山東省泰山學(xué)者建設(shè)工程項(xiàng)目(20130925) (Project(2011CB013401) supported by the National Key Basic Research Program (973 Program) of China; Project(20130925) supported by the Taishan Scholars Construction Engineering of Shandong Province)

李劍峰，博士，教授，泰山學(xué)者，從事機(jī)械加工工藝、綠色設(shè)計(jì)制造與再制造研究；E-mail: ljf@sdu.edu.cn

(編輯 楊幼平)