冲击形式产生的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验研究*

(长沙学院机电工程学院 湖南长沙 410022)

海洋中舰船等运输装备在行驶过程中，其表面将受到含沙水的冲蚀和空蚀，且海水对金属材料有腐蚀作用，因此在海水中舰船表面材料的破坏形式是冲击式的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损。冲蚀、空蚀和腐蚀联合作用将对运输装备表面材料产生严重破坏，大大威胁这些运输装备的运行安全，降低这些运输装备的寿命。

冲蚀是含沙液体对金属材料表面的冲击产生的一种破坏形式。冲蚀试验装置根据工况环境的不同，分为喷射式、旋转式和管道式[1-3]。冲蚀破坏程度与诸多因素有关[4]，主要有冲蚀速度、冲蚀角度、沙粒尺寸、沙粒浓度等。空蚀是液体环境压力突变产生气泡并溃灭对材料产生的一种破坏形式。空蚀试验装置包括振动式、旋转盘式和文丘里管式[5-7]。影响空蚀破坏程度的因素有空化孔的大小和数目等[8]。腐蚀是金属和周围介质接触发生化学或电化学作用引起的一种破坏形式。腐蚀试验装置主要以三电极系统为主[9]。

由于冲蚀、空蚀和腐蚀之间经常两者或三者同时发生，因此研究者们对他们之间的联合磨损展开了研究。冲蚀和空蚀联合磨损试验装置主要是带空蚀源孔的旋转盘式试验台，影响其联合磨损的因素有转盘转速、空蚀源等[10]。冲蚀和腐蚀联合磨损试验装置主要是喷射式三电极系统和旋转式三电极系统，冲蚀速度和冲蚀角度等将会影响其联合磨损的程度[11-12]。空蚀和腐蚀交互磨损试验装置主要是以超声波振动试验台为主[13]。而冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验装置报道较少，GOU等[14]研究了一种磁致伸缩振动式冲蚀、空蚀和腐蚀联合试验台，并研究了沙粒尺寸、沙粒浓度、NaCl浓度等因素对联合磨损的影响。

根据上述文献分析，在主要的3种冲蚀设备中，喷射式设备对冲蚀速度、冲蚀角度、固相颗粒尺寸和浓度等参数具有较好的可控性。旋转式设备可以较好地控制转速，能够模拟水轮机叶片、泵叶轮等的实际工作情况，但是这种设备很难控制环境中沙粒的均匀分布和定量分析沙粒对材料的磨损。而管道式设备成本相对较高，尺寸较大，实验时间较长，它适合模拟管道磨损的实际情况。在主要的3种空蚀设备中，振动式设备没有沙浆冲击的效果，旋转式设备适合旋转类流体机械的模拟，文丘里管式设备适合研究带有变径的管道空蚀磨损。对于腐蚀设备来说，一般都是基于电化学参数可调的三电极系统。

在海洋中，舰船表面的冲蚀磨损类似于高速沙浆的冲击破坏，同时舰船行驶速度的改变将产生压力变化，从而又产生空蚀磨损，加之海水中NaCl的存在，将对舰船表面材料产生腐蚀破坏。因此在海洋中，舰船表面材料的破坏是冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损效应。本文作者设计制造了一种喷射式冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台，实验研究了沙粒浓度(2～6 kg/m3)、沙粒尺寸(0.2～0.5 mm)、含盐浓度(0～5 kg/m3)以及冲蚀速度(8～20 m/s)对45钢试件的联合磨损影响规律，为不同环境下舰船抗磨耐蚀新材料的开发和结构优化设计打下基础。

1 冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台

1.1 冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损室

图1所示为设计的试验台的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损室工作原理图。前端为渐缩管，用于流体的增压加速。射流管为长方体，截面尺寸24 mm×5 mm。实验试件为阶梯圆柱体，磨损面穿过射流管内表面。射流管后端设有挡板，用于产生流体的压力变化；挡板倾角可调，当在挡板上安装试件时，可以研究流体冲蚀角度对金属材料联合磨损的影响。通过电化学工作站，把试件作为工作电极时，可以研究冲蚀、空蚀和电化学腐蚀联合磨损下电化学参数对金属材料的腐蚀特性影响。

图1 冲蚀、空蚀和电化学腐蚀联合磨损原理图

1.2 试件、试件座及安装

图2所示是实验试件和试件座。

图2 实验试件和试件座

试件为阶梯圆柱体，磨损面为直径为4 mm的圆平面。试件座一次可以同时安装多个试件。图3所示是试件座和挡板的安装实物图。通过调节装置，可以实现对挡板倾角的适当变化。

图3 试件座和挡板安装图

1.3 冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台组成

图4所示为冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台系统示意图。试验台包括沙液搅拌箱、沙浆泵、联合磨损室、信号处理及控制系统、电化学测试系统、流量计等几大部分，其中电化学测试系统采用型号为CS300的电化学工作站。图5所示是设计制造的海洋环境冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台实物图。该试验台一次可以安装多块试件，完成同一环境下相同或不同材料的冲蚀、空蚀、腐蚀等单一或联合破坏实验。

图4 冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台系统示意图

图5 冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台

搅拌箱中的人造含沙海水经搅拌，从搅拌箱底部被沙浆泵吸入，经沙浆泵增压，通过渐缩管进一步增速，从射流管流入、形成淹没射流到达挡板，进入密闭的联合磨损室，含沙海水再由联合磨损室出口流出，经节流阀回流入搅拌箱，完成一次循环。同时，联合磨损室安装有石墨辅助电极和固态银氯化-银参比电极，将试件作为工作电极时，试件将受到冲蚀、空蚀和电化学腐蚀联合磨损。调节系统中的节流阀可以改变联合磨损室的工作背压。调节系统中安装的电机变频器频率可以改变沙浆泵叶轮转速，从而改变流体冲蚀速度。

1.4 试验参数

实验中，人造海水由自来水、沙粒和盐混合组成。每立方米自来水中，沙粒质量分别为2、3、4、5、6 kg，沙粒粒径范围为0～0.2 mm、0.2～0.3 mm、0.3～0.4 mm、0.4～0.5 mm、0.5～0.6 mm，含盐质量分别为1、2、3、4、5 kg。流体冲蚀速度范围为8.5、13、15、18、20 m/s。试件材料为45钢，每次实验使用4块试件，上下各两块，对称分布。实验时间为4 h，腐蚀方式为人造海水环境下的自然腐蚀，环境压力为0.01 MPa，工作温度为30～50 ℃。

2 实验结果及分析

影响冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损的主要影响因素有：沙粒浓度C1、沙粒尺寸D、含盐浓度C2、冲蚀速度v等。为了便于比较，将每块试件的磨损量定义为单位磨损面上试件磨损质量(mg/cm2)，试件平均磨损量Ml定义为4块试件磨损量的平均值。

2.1 沙粒浓度的影响

图6示出了冲蚀和空蚀联合磨损与冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损时试件磨损量随沙粒浓度变化的曲线。可以看出，试件在冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损时的平均磨损量远大于冲蚀和空蚀联合磨损时的平均磨损量，并且随着沙粒浓度的增大而增大，两者基本都呈线性关系。这说明在沙粒浓度较低的范围内，沙粒浓度越大，金属材料在冲蚀和空蚀联合磨损时的破坏程度加剧；当进一步加入腐蚀剂盐时，金属材料的破坏程度急剧上升。图7所示是同一位置试件冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损时在不同沙粒浓度下磨损面中心点的形貌图。可以看出，随着沙粒浓度的增加，试件表面的冲蚀沟和空蚀孔的磨痕深度和面积都是变大的，即磨损程度是增大的。

图6 45钢在不同形式联合磨损时磨损量与沙粒浓度关系(D=0.2～0.3 mm，v=15 m/s)

Fig 6 Relationship between mass loss of 45 steel and sand concentration under different wear combinations

(D=0.2～0.3 mm，v=15 m/s)

图7 不同沙粒浓度下试件磨损面中心点的形貌图(D=0.2～0.3 mm，C2=3 kg/m3，v=15 m/s)

2.2 沙粒尺寸及冲蚀速度的影响

图8所示是不同沙粒尺寸、不同沙粒浓度、不同含盐浓度的流体环境下，试件多磨损形式时的平均磨损量与冲蚀速度的关系曲线。不论冲蚀和空蚀交互磨损，还是冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损条件下，当沙粒尺寸增大时，试件的平均磨损量也相应增大；同时，试件在冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损时的磨损量明显高于在自来水中的冲蚀和空蚀交互磨损量。这说明冲蚀、空蚀和腐蚀联合作用对金属材料的破坏程度远大于冲蚀和空蚀联合作用。

由图8还可以看出，当冲蚀速度增大时，冲蚀、空蚀和腐蚀单一或联合磨损的磨损量都随之增大，材料磨损加剧。

图8 不同流体环境下45钢冲蚀、空蚀和腐蚀 联合磨损量与冲蚀速度关系

图9和图10所示是不同冲蚀速度下同一位置试件在自来水和人造海水中磨损面中心点的形貌图。在自来水中，随着冲蚀速度的增大，试件表面产生的冲蚀沟和空蚀孔痕迹明显增多，材料表面破坏加剧。在人造海水中，试件表面不仅存在冲蚀沟和空蚀孔，还产生了腐蚀坑；随着冲蚀速度的增大，试件表面各种形状磨痕区域变大，深度更深，材料表面破坏加剧。

图9 不同冲蚀速度下自来水中试件磨损面中心点的形貌图(D=0.2～0.3 mm，C1=4 kg/m3，C2=0)

图10 不同冲蚀速度下人造海水中试件磨损面中心点的形貌图(D=0.4～0.5 mm，C1=3 kg/m3，C2=3 kg/m3)

2.3 含盐浓度的影响

图11所示是冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损下试件平均磨损量与含盐浓度的关系曲线。可以看出，45钢试件在人造海水中的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损量明显高于纯腐蚀时的磨损量，且在低盐浓度范围内，当含盐浓度增大时，试件在2种磨损形式下的磨损量都随之增大，材料表面破坏加剧。综合图8和图11，金属材料在冲蚀、空蚀和腐蚀联合作用下的破坏程度均强于单纯的冲蚀和空蚀磨损或腐蚀磨损。

图12是同一位置试件在不同含盐浓度下磨损面中心点的形貌图。可以看出，随着含盐浓度的增加，试件表面腐蚀坑的数目、广度和深度都随之变大，即材料表面磨损程度加剧，材料流失更严重。

图11 45钢冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损量与含盐浓度关系

图12 不同含盐浓度下试件磨损面中心点的形貌图(D=0～0.2 mm，C1=3 kg/m3，v=15 m/s)

3 结论

(1)设计制造的冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损试验台可以同时进行同一或不同材料的冲击形式的冲蚀和空蚀磨损试验，并且具备电化学腐蚀功能，可以定量研究材料在多种环境下的腐蚀、冲蚀、空蚀及其联合作用的失效行为。

(2)冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损程度强于冲蚀和空蚀交互磨损或单纯腐蚀磨损，在较低的沙粒浓度和较低的含盐浓度条件下，金属材料冲蚀、空蚀和腐蚀联合磨损失重量与沙粒浓度、沙粒尺寸、含盐浓度和冲蚀速度均成正比关系。

(3)磨损面形貌分析表明：随着沙粒浓度、冲蚀速度、含盐浓度的增加，试件表面的冲蚀沟和空蚀孔的磨痕深度和面积增大，而在人造海水中，试件表面不仅存在冲蚀沟和空蚀孔，还产生了腐蚀坑。