含沙条件下无主流型和流动型空蚀损伤机理及其关联性研究

Microparticles can promote the cavitation erosion (CE), and can also restrain it. This provides a new possibility to reduce CE. Few studies are on the vibratory CE mechanism under the sand-water conditions. And the correlations between the vibratory cavitation-silt erosion and the rotating disk cavitation-silt erosion are not well understood. The problem of not able to understand thoroughly cavitation-silt erosion impedes the development of the new materials with high resistance to CE. In this project, the most commonly used SUS304 will be selected as the experimental material. The vibratory CE and the rotating disk CE experiments will be carried out under different water-sand suspension conditions. The mass loss and time methods will be utilized to quantitatively evaluate the variations of CE with the concentrations and the sizes of the sand particles. The analyses of the surface morphologies, residual stress, CE products and the sand geometry changes will be performed through many analytical equipment, such as metalloscope, roughness tester, SEM, AFM and XRD. The mechanism of how sand particles affect the CE process will be explored under different conditions. Comparing with CE in the pure water and pure sand erosion, the component actions of CE and sand erosion will be obtained. Numerical models will be built between the vibratory CE and the rotating disk CE in the entire CE, pure water CE components and the sand synergy action components. This work will study the CE mechanism more perfectly in theory and unify the evaluating system of the materials resistance to CE, which play an important role in being against the CE damage in the engineering fields.

微颗粒既能促进空蚀，又能抑制空蚀，为空蚀防治措施的实施提供了新的思路。但在含沙条件下，振动空蚀损伤机理的研究匮乏，不同类型空蚀方法间的内在关联认识不足，严重阻碍了新型抗空蚀材料的研制。本项目拟在含沙条件下，以SUS304的振动空蚀（无主流型空蚀）和转盘空蚀（流动型空蚀）损伤行为为研究对象，采用失重法和时间法，结合金相显微镜、表面粗糙度测量仪、SEM、AFM、XRD等技术手段，分别研究振动空蚀和转盘空蚀的损伤随沙粒浓度和粒径的变化规律，探索材料表面的损伤微观形貌、残余应力和空蚀产物及沙粒形状尺寸的变化特征及相互关系,揭示沙粒属性对两种类型空蚀损伤的微观作用机制。对比清水空蚀和转盘冲蚀磨损，分别获知纯空蚀分量及冲蚀分量。建立两种类型空蚀总损伤量间、纯空蚀分量间及沙粒协同作用分量间的数值关系模型。该项目对含沙流体空蚀损伤机理的完善，及材料抗空蚀性能评价体系的统一具有一定的理论价值和科学意义。

本项目的主要研究內容和科学意义如下：.（1）研究含沙浓度对SUS304不锈钢振动空蚀的影响机理。.低含砂浓度下（0.5-5 wt%），空蚀10 h的累积失重小于清水空蚀的失重。而在高含砂浓度下（10 wt.%），含砂空蚀10 h的累积失重则高于清水空蚀的失重，含砂浓度对振动空蚀的影响存在临界值（约3 wt%）。含砂浓度的变化对不同种类空泡的形核数量和尺度均有影响，砂粒和空泡的相互作用导致低含砂浓度时，以空蚀为主，而高含砂浓度时以砂粒的抛磨损伤为主。.（2）研究砂粒粒径对SUS304不锈钢材料振动空蚀的影响机理。.研究了20-50目、50-80目、100-200目、200-300目粒径范围内304不锈钢的振动空蚀行为，揭示了粒径的增大对空蚀损伤有正相关作用，且存在临界尺寸的现象（100-200 目），超过该粒径范围，含砂振动空蚀的损伤有所降低。其主要机制是砂粒尺寸、浓度的变化导致其从空泡溃灭获得的能量有所不同，这就造成了砂粒撞击材料表面时的冲击能、冲击频率的变化，最终造成了空蚀损伤程度随砂粒粒径变化的拐点现象。.（3）含沙条件下，振动空蚀与转盘空蚀间的内在关联性研究。.S-6钴基堆焊涂层的抗空蚀性比Ni60激光熔覆涂层的抗空蚀性好，但抗冲蚀效果反之。其主要原因为空蚀条件下触发了钴基堆焊层的相变，极大地降低了空蚀损伤。而在冲蚀条件下，钴基涂层未发生相变，而镍基涂层的硬质相钉扎和遮蔽作用对降低小角度冲刷磨损起到了至关重要的作用，导致其抗冲蚀性的极大提高。.MIG焊马氏体不锈钢涂层在腐蚀溶液中的含砂振动空蚀结果表明，在蒸馏水中的空蚀失重增长最慢，在腐蚀溶液+加砂条件下空蚀失重增长最快。其原因是砂粒的存在增大了空蚀总损伤，其中砂粒的直接磨损分量显著增大，而腐蚀的分量作用被降低，且腐蚀耦合的力学损伤分量同样也显著降低，这说明砂粒的存在对腐蚀过程有一定的抑制作用。.以上研究结果在防治空蚀措施方面提供了新思路，量化了腐蚀条件下含砂振动空蚀中的砂粒的作用份额，为真实地评价不同材料抗含沙空蚀腐蚀性能提供了理论基础。