C/SiC復合材料噴嘴沖蝕磨損性能及其機理研究

楊曉輝，曹 佩，王 毅，白龍騰

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

連續纖維增韌陶瓷基復合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)是一種兼有金屬材料、陶瓷材料和碳材料綜合優勢的新型材料，其中又以碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料(C/SiC)綜合性能最為優異[1-3]。C/SiC陶瓷基復合材料是近年來繼粉末冶金材料和C/C復合材料之后發展的一種高性能摩擦材料。與傳統金屬及半金屬摩擦材料相比，其具有密度低、強度高、摩擦性能穩定、摩擦量小、耐高溫、使用壽命長、熱震性能優異等特點，被認為在摩擦材料領域具有廣闊的應用前景[4-8]。

在民用工業生產領域，存在諸多高溫耐沖蝕環境構件或部件的應用需求，如煤化工噴嘴、石油化工的燃燒部件、煤炭清潔燃燒的熱端構件等。沖蝕現象廣泛存在于冶金、動力能源、水泥、石油化工、機械加工及航空航天等諸多軍、民用工業領域，成為引起設備失效或材料破壞的一個重要原因，其中以固體顆粒為主要介質造成各種沖蝕現象在生產過程中最為常見[8-9]。固體顆粒沖蝕現象根據沖蝕介質的不同主要可分為氣固兩相流(噴砂型)和液固兩相流(泥漿型)兩種。氣固沖蝕主要存在于如前所述噴砂嘴、航空發動機葉片及固體火箭發動機喉襯材料的服役環境中，而典型液固沖蝕則廣泛存在于煤炭潔凈燃燒噴嘴、石油化工、大型水力發電機葉片等裝置的工作環境中。在這些環境中噴嘴材料不僅受到固體粒子的沖蝕作用和氣態、液態物質的化學侵蝕，還同時受到包括溫度場、應力場等多物理場的耦合疊加作用。這就要求噴嘴材料應具備優異的抗氧化、耐沖蝕性能、優異的抗熱沖擊性能等優點。

本文主要通過先驅體浸漬-裂解工藝制備得到C/SiC復合材料噴嘴試驗件，通過研究噴嘴試驗件在液-固兩相流中模擬環境的工作特性，獲得了C/SiC復合材料的沖蝕磨損特性，進一步驗證C/SiC復合材料在液-固兩相流環境中的應用可行性，并為后期C/SiC復合材料噴嘴的性能提升與改進提供試驗依據。

1 材料制備及試驗方法

1.1 C/SiC復合材料噴嘴制備

以三維針刺氈為碳纖預制體結構，采用化學氣相滲透工藝(Chemical Vapor Infiltration, CVI)在預制體纖維表面制備厚度合適的熱解碳界面層，采用先驅體浸漬裂解工藝(Polymer Impregnation Pyrolysis, PIP)經過多次浸漬-裂解周期，制備得到C/SiC復合材料基體，并最終采用化學氣相沉積工藝(Chemical Vapor Deposition, CVD)在產品表面制備耐磨SiC涂層。其中，在復合材料噴嘴制備過程中，需要根據不同的浸漬-裂解周期次數，對產品的部分外型面及裝配尺寸進行加工。

1.2 試驗考核

為獲得C/SiC復合材料噴嘴實際工程化應用特征，采用如圖1所示的試驗系統對C/SiC復合材料噴嘴在液-固兩相流中的沖蝕磨損特性進行考核。其中，試驗主要參數為：液-固兩相流主要由70%左右的黃礦石、石英等許多高硬度雜質和30%左右的水組成，噴嘴額定工作壓力為6.5 MPa，經計算噴嘴出口處的液-固兩相流速約為25 m/s，同時使用環境最高溫度約為1 300 ℃。

圖1 試驗考核系統示意圖Fig.1 Schematic of experimental evaluation system

圖2所示為連續試驗80天前后C/SiC復合材料噴嘴試樣件宏觀照片對比情況。從圖2可以看出，該C/SiC復合材料噴嘴外表面無顯著變化，但發現其噴嘴出口端出現嚴重的沖蝕磨損現象。

圖2 試驗前后C/SiC復合材料噴嘴宏觀照片對比情況Fig.2 Picture contrast of C/SiC composites nozzle before and after test

1.3 分析測試

根據C/SiC復合材料噴嘴的結構特點，按圖3所示剖切方案將試驗完成的C/SiC復合材料噴嘴試樣件沿其軸向分為以下4個區域：入口段(Z1)、中間錐面段(Z2)、出口直線段(Z3)及出口段(Z4)。

圖3 C/SiC復合材料噴嘴剖切方案示意圖Fig.3 Schematic of C/SiC composite nozzle cutting plan

此外，為獲得該C/SiC復合材料噴嘴的沖蝕磨損機理，參照阿基米德方法對其密度進行測試；采用JSM-6390A掃描電鏡對C/SiC復合材料噴嘴試樣件材料的微觀組織結構進行SEM觀察。

2 結果與討論

2.1 入口段Z1

圖4所示分別為C/SiC復合材料噴嘴試驗件入口段區域上、下兩端的掃描電鏡SEM照片。

圖4 試驗件入口段SEM照片Fig.4 The SEM photos of test pieces entrance segment

從圖4可以看出，該區域整體上幾乎保留了CVD-SiC晶粒典型的 “菜花狀”特征，僅出現少量SiC晶粒受到液-固兩相流的沖蝕磨損痕跡，說明噴嘴入口段區域在實際工作過程中受到的液-固兩相流沖蝕磨損程度較輕。此外，可發現該區域C/SiC復合材料噴嘴的沖蝕磨損程度隨著遠離喉部而逐漸減弱，微觀上表現為SiC晶粒的完整性逐漸增強。

2.2 中間錐面段Z2

圖5所示分別為C/SiC復合材料噴嘴試驗件中間錐面段區域上、下兩端的掃描電鏡SEM照片。從圖5可以看出，中間錐面段區域C/SiC復合材料的沖蝕磨損主要停留在表面SiC涂層，未涉及到C/SiC復合材料內部。同時，亦可以發現該區域C/SiC復合材料噴嘴的沖蝕磨損程度隨著不斷遠離喉部區域逐漸減弱。

圖5 試驗件中間錐面段SEM照片Fig.5 The SEM photos of test pieces cone segment

2.3 出口直線段Z3

圖6所示分別為C/SiC復合材料噴嘴試驗件出口直線段區域上、下兩端的掃描電鏡SEM照片。從圖6可以看出，該出口直線段區域試驗件材料表面SiC涂層已被沖蝕磨損耗盡，且在局部區域出現大量沖蝕凹坑(如圖6中箭頭所指位置)，而分析認為該沖蝕凹坑的出現主要機理為：因液-固兩相流不斷沖擊，會使其接觸區域產生強烈的擠壓變形，從而引發裂紋導致基體SiC的不斷剝落，最終在局部區域形成沖蝕凹坑。此外，亦可發現隨著不斷遠離試驗件入口端面，沖蝕凹坑現象更為嚴重，分析認為這主要與沖蝕角和熱應力的區域性變化有關。

圖6 試驗件出口直線段SEM照片Fig.6 The SEM photos of test pieces export line segment

2.4 出口段Z4

圖7所示分別為C/SiC復合材料噴嘴試驗件出口段區域上、下兩端的掃描電鏡SEM照片。從圖7可以看出，該區域試驗件材料表面出現了大量沖蝕凹坑(如圖7中箭頭所指位置)，其沖蝕凹坑大小和數量均大于出口直線段區域。

此外，從圖7(a)中還可以發現，C/SiC復合材料噴嘴試驗件出口段附近(圖中圓圈區域)出現明顯的“崩塊”現象。這主要是由于出口端受到高溫爐膛強烈的熱輻射使得表面溫度很高，而噴嘴內部則是室溫狀態的液-固兩相流，使得噴嘴出口段內外表面產生較大的溫度梯度，進而產生較大的熱應力，加之該區域受到液-固兩相流更為強烈的沖擊作用，從而導致該區域局部位置出現了“崩塊”現象。

圖7 試驗件出口段SEM照片Fig.7 The SEM photos of test pieces export segments

圖8所示為該C/SiC復合材料噴嘴試樣件出口段區域的宏觀照片。

圖8 C/SiC復合材料噴嘴出口段沖蝕磨損后宏觀照片Fig.8 Photo of C/SiC composites nozzle after erosion wear

從圖8可以看到，該出口段區域出現明顯的“偏磨”現象，即出口端試驗件的環向壁厚并不均勻。為分析“偏磨”現象機理，探討其是否與材料本身存在關聯，將出口段沿環向均勻分割成12個試樣，并依次標記為1#～12#。同時，采用合適量具對每個試樣出口區域壁厚進行測量，進而表征試樣的沖蝕磨損程度；采用阿基米德方法對每個試樣的密度進行測量，進而表征試樣的材料致密性特征。

圖9所示為不同區域試樣壁厚與密度之間的對應關系，其中虛線代表每個試樣原始壁厚為7 mm。從密度變化曲線可以看出，C/SiC復合材料噴嘴出口段密度位于1.79～1.83 g/cm3范圍內，環向密度分散性較小，說明環向密度并不是引發“偏磨”現象產生的主要原因。此外，從圖9中噴嘴出口壁厚與體積密度的對應情況來看，其密度大小與壁厚亦不存在對應關系，說明“偏磨”現象不是由材料本身引起的。

3 C/SiC復合材料噴嘴沖蝕磨損機理

從上述試驗結果來看，C/SiC復合材料噴嘴不同部位表現出的沖蝕磨損情況存在較大差異，分析認為這主要與C/SiC復合材料噴嘴在液-固兩相流中的運動狀態和運動特性有較大關系。圖10所示為C/SiC復合材料噴嘴在液-固兩相流環境中沖蝕磨損狀態演變示意圖。

圖9 C/SiC復合材料噴嘴出口段環向密度與壁厚分布情況Fig.9 Ring density and thickness distribution of C/SiC composites nozzle export segment

圖10 C/SiC復合材料噴嘴沖蝕磨損情況示意圖Fig.10 Schematic of C/SiC composites nozzle erosion wear

根據微切削理論，粒子沖蝕速率與沖蝕角度對材料沖蝕率的影響規律可表示為[10-11]：

(1)

式中：W為材料的沖蝕失重量；M為粒子質量；p為粒子與靶材間的彈性流動壓力；V為粒子沖擊速率；c為粒子分數；f(a)為與沖蝕角度有關的常數；n為常數。從該公式中可以看到，材料的沖蝕磨損程度與粒子沖蝕速率和沖蝕角度函數均呈正比例關系。由于隨著C/SiC復合材料試驗件入口段的不斷深入，根據產品結構特征可知液-固兩相流粒子的沖蝕速度和沖蝕角度均逐漸增大從而導致了C/SiC復合材料噴嘴不同區域差異化沖蝕磨損結果的出現。

具體分析，可以認為在試驗考核初始階段，C/SiC復合材料噴嘴喉部與液-固兩相流顆粒之間的沖蝕角較大，因此會對C/SiC復合材料噴嘴喉部造成嚴重的沖蝕磨損，使得喉部發生嚴重變形。同時，由于C/SiC復合材料噴嘴在喉部存在明顯的收縮結構，會導致液-固兩相流顆粒在該位置處的沖蝕速度顯著提高，進一步加劇喉部區域的沖蝕磨損。而在C/SiC復合材料噴嘴直線段及出口段區域，由于液-固兩相流沖蝕介質的運動方向與噴嘴型面基本保持平行，導致其沖蝕角度也不會很大。因而，可以判斷C/SiC復合材料噴嘴沖蝕磨損破壞首先發生在試驗件喉部區域，進而逐漸向上下兩端不斷擴展。據此可推斷C/SiC復合材料噴嘴“偏磨”特征產生過程應為：當高速液-固兩相流顆粒不斷沖蝕C/SiC復合材料噴嘴表面時，液-固兩相流在C/SiC復合材料噴嘴環向位置沖蝕參數的不均勻性導致了其表面環向SiC涂層沖蝕程度的差異，并引發陶瓷噴嘴在某一區域環向局部的SiC涂層率先被沖蝕磨損耗盡，然而由于SiC涂層的抗沖蝕能力要明顯強于C/SiC復合材料本身，因而使得被率先沖蝕磨損耗盡SiC涂層區域的抗沖蝕能力要差于環向其他區域，進而導致此位置水煤漿的沖蝕作用引發的沖蝕凹坑數量和大小逐漸增加直至大片SiC基體脫落，此過程又促進了該區域的沖蝕角度增大，而沖蝕角度的增大又會再次加劇沖蝕磨損程度，最終導致C/SiC陶瓷噴嘴 “偏磨”現象的產生。

4 結論

1)從試驗件入口段至出口段，C/SiC復合材料噴嘴在液-固兩相流環境中表現出的沖蝕磨損程度逐漸加劇。

2)C/SiC復合材料噴嘴在液-固兩相流環境中的主要沖蝕磨損方式為沖蝕凹坑和熱應力“崩塊”兩種。其中，沖蝕凹坑產生本質是C/SiC復合材料本身孔洞缺陷和各向異性所致，而熱應力“崩塊”產生原因是試驗件內外環境溫度差異引起的熱應力所致。

3)C/SiC復合材料噴嘴出現明顯的“偏磨”現象，與材料本身密度變化無關，主要原因為C/SiC復合材料各向異性和液-固兩相流的不均勻性。