陶瓷材料在砂水泥漿中浸蝕機理的試驗研究

工業中一些零件失敗的主要原因之一是，由于水中輸送沙子，零件部落溝受損。油田中機械設備,例如泵、閥門、彎管和輸油管在浸蝕性泥漿中隨承受嚴重撞擊和磨損損傷,而導致零部件材料消耗。工程陶瓷具有優良的可供人們選擇的綜合性質材料,如高硬度、高熔點、抗浸蝕性和抗磨性好,在浸蝕性環境中具有高的化學惰性。近幾年人們對陶瓷材料浸蝕特性和浸蝕機理方面認識有了提高。通常認為陶瓷材料的浸蝕是以徑向和橫向斷裂,環狀開裂和犁削陶瓷表面[2～6]。Stringer和Wright對4種材料在高溫下,12μm顆粒氧化鋁,速度為36m/s和撞擊角為30°進行試驗,他們發現硬度和波長之間可逆性的遞增關系,與Finnie和Kabi意見一致。他們觀察到波紋長度不隨浸蝕劑顆粒尺寸而變化。Kariml和Schmid所進行的試驗表明,不管是脆性材料還是延性材料,波紋的尺寸(波長)都隨時間而增加,最后達到穩定態。在劇烈浸蝕情況下,對于脆性材料,例如金屬陶瓷和陶瓷較延性材料顯示出發作的波紋。試驗研究還發現在水的單獨作用下,而無固體顆粒時也可發現波紋,這表明流體大量流動時形成波紋。從波紋的形成和擴展可推斷出浸蝕機理和材料表面損傷。本文研究目標是探討陶瓷材料波紋產生和提出陶瓷材料在砂水泥漿中撞擊情況下材料遷移機理。為了便于比較,延性金屬鋁也被用作浸蝕試驗。為了確定硬質材料微波形成機理必須用光學顯微鏡和掃描電鏡進行觀察,并且在浸蝕表面測定和研究確定陶瓷材料中的浸蝕率和表面形態特性。雖然目前還沒有提出脆性材料中波紋形成和擴展的定量模型,但本文研究為陶瓷材料波紋的形成和了解浸蝕機理及其機理應用提供了依據。1測試步驟1.1試樣目標和噴射口浸蝕試驗是在砂水泥漿中噴射撞擊試樣,在試驗裝置的不銹鋼T管道中,砂子儲藏在泥漿容器內。水通過環路環流,T管道中泵作抽力,使泥漿噴射到試樣上。撞擊試樣目標以后,砂子后撤到容器再循環。用不銹鋼制作的噴射口和出口噴嘴孔徑為3.7mm。該系統中砂子濃度為5wt%。因為通常所用的管道操作速度為1～10m/s低速,加載壓力為0.14MPa,供水流速為4.6l/s時泵噴射速度為7.3m/s。試樣夾持在砂子容器中,設計的標準撞擊角度、試樣目標和噴射口之間的距離及相對位置應該易調節。本試驗中試樣目標和噴射口之間的距離為15mm。詳細設備構造在其它材料中介紹。1.2陶瓷及理化性質試驗用浸蝕劑為?600～850μm圓形二氧化硅砂。試驗所用4種陶瓷材料,85%氧化鋁,反應粘接的SiC,氮化鋁—氧化鋁—氧化硅陶瓷和氧化鋯。研究所用陶瓷的性質列于表1。為了便于比較起見,延性材料鋁也被用作浸蝕試驗中測試試樣。1.3試樣織物浸蝕試驗檢測撞擊角度相對于試樣基底表面角度為15～90°,所有試樣試驗周期為10分鐘到8小時,研究波紋長度與浸蝕時間相對關系。被浸蝕的氮化鋁—氧化鋁—氧化硅陶瓷和氧化鋯試樣所受撞浸蝕試驗前試樣重量以及由于浸蝕而引起的重量損失可用天平稱重得到,也可以換算成體積損失或單位體積浸蝕劑顆粒的體積損失。試樣表面浸蝕痕跡可用表面光度儀來觀察三維斷面獲得。用光學顯微鏡和掃描電鏡研究浸蝕試樣。2.1材料的浸蝕過程從一種材料到另一種材料波紋形式變化用波紋長度和寬度來表示。泥漿浸蝕劑中被浸蝕的氧化鋯、氧化鋁和氮化鋁—氧化鋁—氧化硅陶瓷在600～850μm=氧化硅、撞擊角為45°,8小時撞擊,泥漿流動速度為7.3m/s,砂子濃度5%。在試驗工作下,僅發現10～50μm波長。肉眼可見到很小波紋。用光學顯微鏡或掃描電鏡測試結果證明試樣表面波紋形成。按此原理硬質陶瓷表面小波紋稱微波紋,然而在觀察上述相同試驗工況的砂水泥漿中被浸蝕SiC試樣波紋和微波紋是不明顯的。從掃描電鏡觀察中可看出被浸蝕的SiC表面呈現出粗糙和崎嶇不平。但在任意選擇的被浸蝕試樣表面弧坑不均布,波紋良好擴展。如表1所示SiC是本文研究材料中最硬的材料。這種觀察結果證明硬質材料陶瓷表面在開始和形成波紋時起重要作用。硬質材料承受更劇烈的浸蝕。這個結論與其它研究工作者一致。本文研究延性材料的浸蝕機理主要是切削、擦傷和犁削,在被浸蝕材料表面伴隨著塑性變形后,然后研究脆性材料表面浸蝕機理是斷裂和犁削。這意味著波紋的形成和擴展有兩種不同機理。Zu提出延性材料波紋波長λ的經驗式λ=Kt1/2/HV(1)式中:K是各種延性材料的特性常數;t是浸蝕時間;HV是金屬靶標硬度。使用此方程式可推斷出波紋特征和材料性質之間的關系。對于脆性材料相對有較高硬度,其它一些材料性質如斷裂韌性,脆性材料較延性材料在控制浸蝕和波紋形成起更大作用。如果把HV/Kc稱為脆性Bs,對于脆性材料波紋波長λ經驗式可寫成λ=K·Kc·t1/n/HV=Kt1/n/Bs(2)式中:n為浸蝕時間指標數目,取決于靶標材料性質和試驗工況。脆性材料在撞擊角45°、撞擊8小時后波紋形成和波長之間關系如表2所示。在試驗工況下所獲得波紋或波長順序為ZrO2>Al2O3>氮化鋁—氧化鋁—氧化硅陶瓷>SiC,與材料脆性順序一致,如表2所示。脆性為2.4的氧化鋯波紋波長大于氧化鋁。然而在相同試驗工況下,SiC表現出無明顯波紋。此處所提出的在一定試驗工況下波紋形成的λ～Bs關系是陶瓷材料的極限脆性。超出臨界脆性范圍后,可確定波紋沒有很大擴展。用掃描電鏡觀察鋁試樣在泥漿中被浸蝕的時間從10分鐘到5小時,與上述浸蝕情況相同時波紋形成和擴展方式,通過掃描電鏡觀察可以發現鋁表面波紋尺寸(波紋長度和尺寸)隨浸蝕時間增加而增加。任意選擇的被浸蝕的SiC弧坑表面沒有明顯微波形成。被浸蝕的氧化鋯表面微波形成是受到45°撞擊50小時浸蝕試驗得到。氧化鋯試樣浸蝕8小時后表明微波尺寸沒有很大變化,而氧化鋁表面波紋長度和尺寸隨浸蝕時間而增加,表明陶瓷材料波紋的形成和擴展方式隨浸蝕時間而變化。首先被浸蝕的陶瓷表面波紋長度和尺寸隨浸蝕時間增加,然后進入穩定的平衡狀態。2.2試驗工作原理及方法陶瓷表面在砂水泥漿中浸蝕磨損是一個復雜現象,它反映不同因素的影響,例如水的流速,撞擊角度,砂子直徑、形狀和硬度以及被浸蝕陶瓷的機械性質。本試驗過程中泥漿內二氧化硅砂尺寸、砂子濃度和泥漿流速可在一定的水流速和水壓范圍內調節。通過浸蝕試驗揭示撞擊角和浸蝕時間對波紋形成的影響。試驗結果表明陶瓷表面微波的形成在很大程度上受撞擊角及浸蝕時間的影響。在大的撞擊角(最大撞擊角為90°)試驗8小時后,試樣上沒有微波跡象。相反,在小的撞擊角(45°、30°、15°)試樣表面微波容易檢測到。在很短的浸蝕時間(0～5h)內,浸蝕不嚴重,因此沒有看到微波。試驗工作揭示浸蝕率和撞擊角之間關系。4種材料在標準撞擊角為90°時,表現出最大浸蝕率,顯示出典型的脆性特征。相反,作為延性材料的鋁在撞擊角15°～20°時,表現出最大浸蝕率,隨撞擊角增加,則浸蝕率降低。由此可見脆性材料和延性材料兩種不同浸蝕機理。2.3被浸蝕表面變化機理用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察氧化鋯試樣在不同浸蝕時間的表面形態和被浸蝕表面變化過程。首先,表面浸蝕損傷為隨機分布以及主要的浸蝕機理是犁削和斷裂造成顆粒遷移,然后表示典型的塑性變形模式犁削或切削痕跡。同時還可以看到氧化鋯表面經8小時浸蝕后產生明顯的微波紋。2.4陶瓷表面粗糙度及厚度在泥漿穩定流動過程中,我們可以觀察到波紋形成為均勻的,而且在平坦的陶瓷表面被浸蝕時不會馬上形成波紋。在一定的工況下波紋逐漸變化,單一的浸蝕過程決定粗糙表面,而波紋擴展得到控制。在這種發展過程中,表面粗糙起一定作用,微波開始形成一定尺寸。這反映浸蝕開始10分鐘時表面粗糙以及波紋聚結。在泥漿浸蝕損傷情況下,粗糙陶瓷表面較平坦而且陶瓷平面劇烈的損失。根據材料的浸蝕磨損情況通常把材料分為兩大類。第一類材料是塑性變形起主要作用,通常稱為延性材料