?脆性陶瓷噴嘴材料的沖蝕理論

   對(duì)脆性陶瓷噴嘴材料沖蝕磨損機(jī)理的研究，一般是將彈塑性力學(xué)應(yīng)用到?jīng)_蝕破壞過(guò)程中，利用顆粒沖擊材料表面后在彈塑性損傷區(qū)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的變化過(guò)程來(lái)分析各種裂紋的形成和擴(kuò)展。沖蝕顆粒作用于脆性陶瓷噴嘴材料，在被沖蝕表面形成壓痕，壓痕周圍產(chǎn)生一定的塑性區(qū)。由于碰撞過(guò)程受環(huán)境以及顆粒和壁面材料等因素的影響，進(jìn)行精1確的理論計(jì)算相當(dāng)困難，且目前尚無(wú)這方面的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨沖擊能量的增大，塑性區(qū)尺寸也將增大，當(dāng)達(dá)到定值時(shí)，首先在應(yīng)力集中1大的塑性區(qū)底部形成圖所示的中央徑向裂紋，隨著沖擊能量的逐漸增大，徑向裂紋逐漸擴(kuò)展。

壓痕應(yīng)力場(chǎng)可以分解為彈性應(yīng)力場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)兩部分，彈性應(yīng)力場(chǎng)隨硬質(zhì)點(diǎn)載荷的去除而去除，而殘余應(yīng)力場(chǎng)是由壓痕塑性區(qū)與其周圍的彈性區(qū)不匹配所造成的。在殘余應(yīng)力場(chǎng)的作用下，質(zhì)點(diǎn)載荷的去除過(guò)程中在壓痕周圍形成輻射狀的橫向裂紋。碳化硅噴嘴是一種新陶瓷材料，具有耐高溫（1380℃）、抗1氧1化、高強(qiáng)度、耐極冷極熱、抗熱震性好、高溫變小、熱傳導(dǎo)性好、耐磨、耐腐蝕等特點(diǎn)。卸載過(guò)程中產(chǎn)生橫向裂紋主要是因?yàn)樵瓉?lái)的壓應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)換為張應(yīng)力場(chǎng)，形成橫向裂紋是材料表面碎裂和導(dǎo)致脆性材料沖蝕發(fā)生的主要原因。

?圓柱形直孔陶瓷噴嘴應(yīng)力分析

（1）網(wǎng)格劃分

圓柱形直孔陶瓷噴嘴的網(wǎng)格劃分示意圖，將噴嘴沿軸線縱剖，在噴嘴網(wǎng)格劃分壁厚與長(zhǎng)度所形成的矩形中(6mm×30mm)劃分6 ×15的網(wǎng)格。

(2)邊界條件

采用尺寸為中20mm×中8mm×30mm的噴嘴，60 目SiC磨料。B4C/(W,TiC)陶瓷噴嘴材料的彈性模量E=410GPa， 泊松比vt=0.2;SiC 磨料的彈性模量ED=475GPa，泊松比vp=0.142，密度為3.150g/cm3；噴嘴的兩個(gè)端面添加約束；在噴嘴入口端面施加均布?jí)毫d荷， 內(nèi)孔施加坡度壓力載荷。載荷的大小按速度的不同由式(5-3) 計(jì)算。圓柱形直孔噴嘴邊界條件施加，X軸表示噴嘴軸線所在的位置，三角符號(hào)表示約束，施加載荷和約束的長(zhǎng)方形表示噴嘴縱剖截面。對(duì)各種材料的噴嘴宏觀特征研究發(fā)現(xiàn)，從噴嘴入口端面至噴砂嘴長(zhǎng)度約1/3處，沖蝕磨損嚴(yán)重,而中間部分磨損較輕，出口處的磨損較中間區(qū)域又有所增加。

?陶瓷噴嘴沖蝕過(guò)程中應(yīng)力的有限元分析

     陶瓷材料的沖蝕磨損機(jī)理一直是許多學(xué)者研究的課題。材料的破壞，歸根結(jié)底取決于其所受的應(yīng)力狀態(tài)。為研究陶瓷噴嘴的沖蝕磨損機(jī)理，對(duì)噴嘴在磨料顆粒沖蝕作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析。

     要建立有限元分析模型，首先要確定合適的單元類型。依據(jù)陶瓷噴嘴在工作時(shí)的受力狀態(tài),為了獲得比較高的計(jì)算精度,本研究采用三維實(shí)體單元進(jìn)行離散分網(wǎng)。選擇對(duì)的噴嘴不僅可以提高工作的效率，還能夠帶來(lái)更多時(shí)間、經(jīng)濟(jì)的節(jié)省。將實(shí)體模型離散成若干個(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元 , 然后進(jìn)行應(yīng)力分析，利用平衡條件和連續(xù)條件，后將各個(gè)單元拼裝成整體結(jié)構(gòu)。

?各種材料的噴嘴沖蝕磨損的比較總結(jié)

    采用不同粒度的白剛玉、棕剛玉和SiC磨料對(duì)B4C陶瓷、B4C/(W,Ti)C陶瓷、Al2O3/(W,Ti)C陶瓷、YG8和YT15硬質(zhì)合金、45#淬火鋼和鑄鐵  (HT15-33)等不同材料的噴嘴進(jìn)行系統(tǒng)的沖蝕磨損試驗(yàn),結(jié)果表明，噴嘴的抗沖蝕磨損的能力由強(qiáng)到弱的順序依次是：B4C陶瓷、B4C/(W,Ti)C 陶瓷、Al2O3/(W,Ti)C陶瓷、YG8和YT15硬質(zhì)合金、鑄鐵(HT1533)、45#淬火鋼。磨料的沖蝕能力由強(qiáng)到弱順序?yàn)镾iC、白剛玉和棕剛玉，這說(shuō)明磨料硬度對(duì)沖蝕磨損率起著重要作用。對(duì)各種材料的噴嘴宏觀特征研究發(fā)現(xiàn)，從噴嘴入口端面至噴砂嘴長(zhǎng)度約1/3處，沖蝕磨損嚴(yán)重,而中間部分磨損較輕，出口處的磨損較中間區(qū)域又有所增加。依據(jù)前述噴砂工作原理，陶瓷噴嘴在工作過(guò)程中，磨料顆粒對(duì)其入口端面和內(nèi)壁都具有沖蝕作用。噴嘴入口和出口磨損表面的形狀存在很大的差異。磨料在進(jìn)入噴嘴前與氣流的混合不均勻是造成入口磨損表面形狀不規(guī)則的主要原因。