冲蚀实验平台的研究进展

王彦淞 朱聪聪

（徐州工程学院机电工程学院 江苏徐州 221018）

材料受高速粒子流以一定的角度撞击而产生的损伤现象被称为冲蚀磨损[1-2]。冲蚀磨损随着粒子和载体种类的不同发生在各种场合，容易引起严重的材料破坏，导致巨大的经济损失[3-4]。当载体为气体时，根据粒子分别为固体颗粒和小液滴可将冲蚀分为气固型喷砂冲蚀和气液水蚀，此两类冲蚀损伤常见于涡轮叶片、火力发电站煤锅炉和高速飞行器、导弹、蒸汽机等场合，气固型喷砂冲蚀常应用于喷砂除锈等场合；当载体为液体时，根据粒子分别为固体颗粒和小气泡可将冲蚀分为液固型泥浆冲蚀和气蚀，此两类冲蚀损伤常见于建筑设备、矿山设备、石油钻探使用的水轮机叶片、输送物料弯管和螺旋桨、水泵机叶轮、输送液体管线阀门等场合，泥浆型冲蚀常用于磨料水射流加工。冲蚀种类较多，但气固型喷砂冲蚀发生的场合较多，所以本文主要综述气固型冲蚀试验机的研究进展，旨在为后续研究提供一定的借鉴。

一、冲蚀试验设备的研究进展

气固型冲蚀试验机主要有喷射式、悬臂式和真空自由落体式冲蚀试验机等种类。

（一）喷射式冲蚀试验机

喷射式冲蚀试验机主要依赖高速气流产生的负压使粒子高速运动撞击到材料表面，造成材料损伤，此种情形为实际工况中常见的设备损伤情形。该类冲蚀试验机主要通过控制冲蚀角度、冲蚀距离和冲砂量来研究各参数对材料冲蚀损伤的影响。该设备原理、结构简单，且容易控制工艺参数，粒子运动速度可完全由气体压强控制。但粒子速度未知，且粒子速度对材料冲蚀损伤较大，所以需要专用设备（如高速摄像机）和处理技术对粒子的运动状态进行检测和分析。由于粒子运动速度较大快，所以对该类冲蚀设备的安全性能要求较高，在设计、制作该设备时，需考虑到设备结构和材料强度是否达到安全要求。如图1 所示，马松林[5]等人设计了一套喷射式冲蚀实验设备，通过喷嘴（拉瓦尔管）的结构设计使得粒子加速至300m/s 以上，改进了丝杠的螺旋传动使得供砂量精确连续可控。通过高速摄像机获得了冲蚀过程中粒子的运动轨迹，便于分析粒子速度进而改进喷嘴结构，最终达到试验要求。并对粒子速度和供砂量进行标定，结果表明粒子速度和供砂量符合实验要求。

图1 冲蚀系统实物图

图2 弹射装置及角形颗粒

上述设备适用于研究大量粒子的冲蚀磨损实验，但若需研究单个粒子运动状态及冲蚀机理，如用高速摄像机进行拍摄，大量粒子运动必会造成干扰。所以需要一种专门用于研究单粒子冲蚀的设备。如图2 所示，李增亮等人[6-8]研制了一套用于研究单粒子冲蚀的实验设备，利用杆件的弹性变形加速粒子，研究了粒子速度和冲蚀角度及方位角对材料冲蚀损伤的影响，较全面揭示了单个角形粒子的冲蚀机理。该设备可实现粒子速度的自由控制，且可通过高速摄像机拍摄粒子的动态冲蚀过程。

综上可知，喷射式冲蚀试验设备结构简单，且容易控制试验参数，对多粒子和单个粒子冲蚀实验，已有专门的设备被制作并应用于试验研究。且该类设备有较大的改进空间，如加入温度控制和监测模块，可研究环境温度对材料抗冲蚀性能的影响；加入磨料过滤、回收模块，可对磨料进行循环利用；加入电控模块，可实现对冲蚀参数的自动化控制和检测等。

（二）悬臂式冲蚀试验机

悬臂式冲蚀试验机主要通过悬臂旋转带动粒子运动达到加速目的，即粒子运动速度由悬臂长度和角速度控制。试样随转盘转动，可同时对多个试样进行试验，通过控制转盘转速控制试样的冲蚀时间。若对该装置进行真空处理，则可消除重力加速度的影响，对粒子的浓度控制更加方便。该装置适合旋转类机械的冲蚀磨损研究，如叶片、叶轮等。较方便控制冲蚀角度、冲蚀距离和冲蚀速度。但由于悬臂长度的限制，若要粒子达到较高速度，则需对悬臂角速度有较高要求，因此对于该类设备的强度和安全性能应特别注意。

（三）真空自由落体式冲蚀试验机

由上述对三种冲蚀实验设备的综述可知，喷射式冲蚀试验机的原理、结构简单，且容易控制较多的冲蚀参数，改进空间较大。悬臂式和真空自由落体式结构简单，容易测得粒子速度，但不如喷射式灵活，所以人们大都采用喷射式试验装置。但由于存在系统误差，通过计算得到的粒子速度仍需要专业设备进行测量，所以喷射式冲蚀试验机常常搭配高速摄像机使用。

二、结束语

本文分别综述了喷射式冲蚀试验机、悬臂式冲蚀试验机和真空自由落体式冲蚀试验机的原理、结构和优缺点，喷射式冲蚀试验机可以较容易控制冲蚀角度、冲蚀距离和冲砂量等试验参数，但需要其他设备进行粒子速度的监测；悬臂式冲蚀试验机和真空自由落体式冲蚀试验机容易控制粒子速度，但若使粒子高速运动，对设备的结构要求较高。由此可知，喷射式冲蚀试验机的应用范围较广。

除了针对研究上述实验参数而研发的冲蚀试验机外，对于研究温度、酸碱度等因素对材料抗冲蚀性能的影响的冲蚀试验机的报道较少。因此可对常见的冲蚀试验机进行改进，如加入温控模块和温度检测模块，可研究发动机叶片在高温环境下的冲蚀磨损，进一步接近实际工况；加入进水口，可研究三相流环境下的冲蚀情况；研究腐蚀-冲蚀综合作用下材料的损伤。