新型B_4C基复合陶瓷喷嘴研究开发及其冲蚀机理研究

【摘要】： 针对纯B_4C陶瓷材料抗弯强度和断裂韧性较低、烧结温度高和难以致密化等问题，本文利用原位热压反应烧结工艺研制成功两种新型B_4C基复合陶瓷喷嘴材料，并对其组分设计、力学性能、微观结构、冲蚀磨损特性和机理等进行了全面系统的研究。 提出了B_4C基复合陶瓷喷嘴材料的设计目标和添加相的选择原则，确定了TiC、Al_2O_3和Mo作为添加相，得出了添加物TiC在B_4C基复合陶瓷喷嘴材料中极限体积含量。探讨了原位热压反应烧结降低烧结温度、提高力学性能的机理。结果表明，添加的TiC能够与B_4C基体发生原位反应，生成TiB_2，X射线衍射分析进一步证实了该反应的发生。 利用原位热压反应烧结工艺，研制成功两种新型B_4C基复合陶瓷喷嘴材料，即：B_4C／TiB_2／Mo(BMT)和B_4C／TiB_2／Al_2O_3(BAT)。在BMT复合陶瓷喷嘴材料中B_4C、Mo和TiB_2能够稳定共存，在BAT复合陶瓷喷嘴材料中B_4C、Al_2O_3和TiB_2能够稳定的共存。BMT复合陶瓷喷嘴材料的最佳力学性能参数为：抗弯强度为525MPa、硬度为24.34 GPa、断裂韧性为4.27 MPa．m~(1／2)；BAT复合陶瓷喷嘴材料的最佳力学性能参数为：抗弯强度为420MPa、硬度为26.27 GPa、断裂韧性为3.95MPa．m~(1╱2)。 研究了添加相TiC含量对BMT和BAT复合陶瓷喷嘴材料力学性能的影响，得出TiC最佳含量为10wt．％。探讨了烧结温度和保温时间对BMT和BAT复合陶瓷喷嘴材料力学性能的影响，得到了BMT和BAT复合陶瓷喷嘴材料的最佳烧结工艺参数，即：烧结温度为1950℃、保温时间为60min，压力35MPa。 研究了BMT和BAT复合陶瓷喷嘴的冲蚀特性，在BMT复合陶瓷喷嘴中，BMT21复合陶瓷喷嘴抗冲蚀性能最佳，体积冲蚀磨损率为0.81×10~(-3)mm~3／g；BMT13复合陶瓷喷嘴抗冲蚀性能最差，体积冲蚀磨损率为2.12×10~(-3)mm~3／g。BMT复合陶瓷喷嘴体积冲蚀磨损率从小到大的顺序为：BMT21＜BMT31＜BMT22＜BMT23＜BMT33＜BMT11＜BMT12＜BMT32＜BMT13。在BAT复合陶瓷喷嘴中，BAT21复合陶瓷喷嘴抗冲蚀性能最佳，体积冲蚀磨损率为0.14×10~(-3)mm~3／g；BAT12复合陶瓷喷嘴抗冲蚀磨损性能最差，体积冲蚀磨损率为1.1×10~(-3)mm~3／g。BAT复合陶瓷喷嘴体积冲蚀磨损率从小到大的顺序为：BAT21＜BAT31＜BAT11＜BAT13＜BAT33＜BAT23＜BAT22＜BAT32＜BAT12。在相同的冲蚀条件下，BAT复合陶瓷喷嘴比BMT复合陶瓷喷嘴具有更好的抗冲蚀性能。 分析了喷嘴硬度和断裂韧性对冲蚀磨损的影响。结果表明：BMT和BAT复合陶瓷喷嘴体积冲蚀磨损率随硬度、断裂韧性的增加而降低。探讨了磨料硬度与喷嘴硬度比值对冲蚀磨损的影响。Al_2O_3磨料造成的冲蚀磨损远远低于SiC磨料。 利用Fluent软件，对磨料在不同入口角度的喷嘴内速度分布进行了仿真。磨料在喷嘴内是一个加速运动，在喷嘴出口处的速度随喷嘴入口角度变化而变化。当喷嘴入口角度为15°时，磨料在出口处的速度达到最大 利用Abaqus软件，对B_4C基复合陶瓷喷嘴的重量损失随磨料的速度和冲蚀角度的变化进行了仿真。喷嘴的重量损失随磨料的速度和冲蚀角度的增加而增加。在冲蚀角度为90°时，B_4C基复合陶瓷喷嘴的重量损失达到最大。冲蚀应力随冲蚀速度和冲蚀角度的增加而增加，这导致了重量损失随冲蚀速度和冲蚀角度的增加而增加。 BMT和BAT复合陶瓷喷嘴入口、出口、中间处的冲蚀磨损机制存在差异。BMT复合陶瓷喷嘴入口处冲蚀磨损机制主要为脆性断裂，出口处的磨损机制为疲劳断裂，中间处的机制为微切削。BAT复合陶瓷喷嘴入口处冲蚀磨损机制主要为疲劳断裂，中间处和出口处的磨损机制为微切削和微抛光。 BAT复合陶瓷喷嘴比BMT复合陶瓷喷嘴具备更高的抗冲蚀性能，因为BAT复合陶瓷喷嘴具备更佳的力学性能，而且，BAT复合陶瓷喷嘴不同部位的应力也远低于BMT复合陶瓷喷嘴。