喷嘴冲蚀磨损的定义、特点和喷嘴冲蚀的种类(精)

喷嘴冲蚀磨损的定义、特点和喷嘴冲蚀的种类
引言
喷嘴是进行各种表面强化、表面喷涂、表面清洗、表面改性和喷射切割等机械设备的关键部件之一，广泛应用于机械、石油、化工、汽车、船舶和冶金等行业。

实际应用过程中，喷嘴的冲蚀磨损相当严重，致使喷嘴工作效率低、寿命短，生产过程中需要频繁地更换喷嘴，不但降低了生产效率，而且增加了生产成本。

针对这一情况，近年国内外已研制出不少耐磨喷嘴，使得喷嘴的质量和使用寿命有了明显改观。

但就生产现状而言，喷嘴的冲蚀磨损现象仍然比较严重，远未达到企业要求。

为此，需进一步开发、设计、研制具耐磨性能、生产效率及寿命更高的新型喷嘴。

一、冲蚀磨损的定义
冲蚀磨损广泛存在于机械、冶金、能源、建材、运输、航空及军工等许多工业部门，成为引起设备失效或材料破坏的一个重要原因，英国科学家eyre认为冲蚀磨损占工业中经常出现的磨损破坏总数百分子八。

据有关资料统计：飞机发动机在多尘埃地区飞行，其寿命可降低至正常寿命的1/10；在所发生事故的锅炉管道中约有1/3是由于冲蚀磨损比至通部分的磨损大约严重50倍；泥浆泵，杂质泵的过流部件损坏约为50％以上是由冲蚀磨损引起的。

冲蚀磨损（crosion wear）是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象。

其定义可以描述为固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动其表面材料所发生的损耗。

携带固体粒子的流体可以是高速气流，也可以是液流，前者产生喷砂型冲蚀，后者则称为泥浆型冲蚀。

造成冲蚀的粒子比被冲蚀的材料硬度大，冲击速度高时，软粒子甚至称为泥浆型冲蚀。

从广义上讲，大自然的风雨对建筑造成的破坏及地形地貌时间的演变都包括有冲蚀作用，这种现象在工程上称为冲蚀，而在自然界则称为水土流失。

冲蚀磨损是现代工业生产中常见的一种他磨损形式，是造成机器设备及其零部件损坏报废的重要原之一。

因此，探讨冲蚀磨损的产生和机理，对改善设备零部件的使用和提高其使用寿命有着重要意义。

二、喷嘴冲蚀的特点
1、冲蚀角。

对材料冲蚀磨损的研究，一般固定某一冲蚀角后研究其冲蚀规律，然后改变冲蚀角得到不同冲蚀角的材料磨损率，但都是在同一时刻材料受相同冲蚀角的情况下进行的，而喷嘴的冲蚀却不同，喷嘴工作时，其入口端面所受冲击的冲蚀角接近90度，属于高角冲蚀，而壁面所承受的是低角冲蚀，喷嘴的不同部位同时受到不同角度冲蚀。

2、冲蚀角度。

与冲蚀角类似，一般在研究冲蚀速度对冲蚀磨损的影响时，同样是将速度固定为某一值，而磨料颗粒在喷嘴内部是一个加速过程，冲蚀速度是变量，这也是喷嘴冲蚀过程独有的特性。

3、速度指数。

同一材料在相同磨料冲蚀下，如果冲蚀速度太小，磨料颗粒冲击喷嘴材料表面时所携带的能量就小，太低的能量不足以引起材料的塑性变形或者产生裂纹，则磨料颗粒不会对喷嘴造成任何磨损。

将此时的冲蚀速度定义为冲蚀的第一临界速度v，冲蚀速度超过v，喷嘴将产生磨损。

将白刚玉，棕刚玉和碳化硅磨料的密度，弹性模量，碳化硅陶瓷喷嘴抗弯强度，弹性模具和泊松比等相关参数带入公式可得相应的冲蚀磨损第一临界速度，其值在0.01-0.13m/s。

本实验所采用的冲蚀磨损速度远大于冲蚀磨损第一临界速度，因此，磨损必然产生。

冲蚀速度越大，磨损颗粒的动能越大，当磨料颗粒和被冲蚀材料表面接触时，材料所受冲击力也越大，相应的冲蚀磨损率增大。

冲蚀速度对冲蚀磨损率的影响可以用公式表示。

速度指数一般在2.0-3.0，说明冲蚀磨损不完全由磨料和被冲蚀材料性能控制，指数不是简单等于2，而是针对不同磨料和被冲蚀材料的性能在一定范围内波动，对于陶瓷材料，冲蚀速度增大到某一定极限值时，冲蚀磨损率的增大会发生突变，这与冲蚀磨损机制的转换关系。

三、冲蚀磨损的种类
冲蚀磨损是由多相流动介质冲击材料表面而造成的一类磨损。

根据流动介质的不同，可将冲蚀磨损分为两大类：气流喷砂型冲蚀及液流或水滴型冲蚀。

流动介质中携带的第二相可以是固体粒子、液滴或气泡，它们有的直接冲击材料表面，有的
则在表面上泯灭从而对材料表面施加机械力。

如果按流动介质及第二相排列组合，则可把冲蚀分为如下4种类型。

1、喷砂型喷嘴冲蚀：气流携带固体粒子冲击固体表面产生的冲蚀。

这类冲蚀现象在工程中最常见，如入侵到直升机发动机的尘埃和沙粒对发动机的冲蚀。

气流运输物料对管路弯头的冲蚀，火力发电厂粉煤锅炉燃烧尾气对换热器管路的冲蚀等。

2、泥浆喷嘴冲蚀：油液体介质携带固体粒子冲击到材料表面产生的冲蚀。

这类冲蚀表现在水轮机叶片在多泥沙河流中受到的冲蚀，建筑行业，石油钻探、煤矿开采、冶金矿山选矿场中及火力发电站中使用的泥浆泵，杂质泵的过流部件受到的冲蚀，以及在煤的气化、液化（煤油漿、煤水浆的制备）、输送及燃烧中有关输送管道、设备受到的冲蚀等。

3、雨蚀、水滴冲蚀：高速液滴冲击造成材料的表面损坏。

如飞行器，导弹穿过大气层及雨区时，迎风面上受到高速的单颗粒液滴冲击出现的漆层剥落和蚀坑，在高温过热蒸汽中高速运行的蒸汽轮机叶片备受到水滴冲击而出现小的冲蚀等。

4、气蚀性喷嘴冲蚀：由低压流动液体中溶解的气体或蒸发的气泡形成和泯灭时造成的冲蚀。

这类冲蚀主要出现在水利机械上，如船用螺旋桨，水泵叶轮、输送液体的管线阀门，以及才有机汽缸套外壁与冷却水接触部位过窄的流道等。

人们对气蚀的注意是在19世纪末期，航海事业发展要求研发高速舰船以后，因为因为一艘新船的推进螺旋桨使用两三个月便出现深大50-70mm的气蚀坑。

今年在核电站中，也发现液体金属工作介质对反应堆及换热器部件的气蚀。

因此除了水力机械外，流动介质工作系统中也出现气蚀破坏。

四、喷嘴冲蚀磨损研究史
历史上对材料冲蚀磨蚀的研究已有近两百年，人们对冲蚀现象的注意起对喷砂工艺的研究。

早在1807年young（杨氏模量的提出者）就开始谈论喷砂问题，1873年著名科学家reynold讨论了喷砂对硬质材料的切削作用。

1876年修建纽约
brooklyn大桥因施工中出现泥沙冲蚀而影响顺利进行，最后roebling用花岗岩石代替水下吸泥沙设备中的金属发射板而降低了材料的冲蚀。

1946年wahl和hartslein 在合著文集《射流磨损》中，第一次系统地讨论了冲蚀问题，介绍了某些参数对冲蚀磨损影响以及解决实际冲蚀问题的办法，但对粒子冲击到材料表面造成的破坏过程即冲蚀机理涉及不多。

1958年，美国加州大学berkeley分校的finnie提出了冲蚀微切削（microcutting）模型，谈论了刚性粒子对塑性金属表面造成冲蚀的机理。

1970年tilly提出了二次冲蚀理论，对微切削模型中的脆性粒子冲蚀作了较好的修正。

1972年，sheldon对垂直入射粒子冲蚀做了类似于压痕发的数学模型。

1978年，levy通过对高攻角冲蚀塑性材料的磨痕及磨削的sem观察，提出了塑性材料的挤压锻造模型。

1979年 Hutchings用高速摄像机观察了高速单颗粒冲击靶面时的运动轨迹，提出了黎削型冲蚀和切削型冲蚀。

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