磨蝕在水利領域中是一種廣泛存在的現(xiàn)象,水力機械的磨蝕問題是不可避免的。如何解決水輪機或水泵的泥沙磨損問題已經成為流體機械設備設計制造的關鍵技術問題。本文基于旋轉噴射式磨蝕實驗臺對水力機械領域3種常用材料在不同沙粒粒徑工況下進行了實驗測試,分析了材料在不同砂粒粒徑下的抗磨蝕性能以及沖蝕與空蝕聯(lián)合作用下金屬材料表面微觀形貌特征。除此之外,對不同熱處理工藝試件及不同基體下的不同涂層進行單粒徑工況試驗分析。結果表明:(1)不同金屬材料磨蝕破壞的失重變化規(guī)律基本相同,材料磨蝕失重率與砂粒粒徑以及磨蝕時間的關系可由經驗公式表示;(2)小粒徑工況時,含沙水對金屬材料表面造成的破壞主要表現(xiàn)為沙粒對材料垂直方向的鍛打擠壓以及空泡潰滅對材料的空蝕作用,無明顯的與材料表面平行的犁削作用;隨著沙粒粒徑的增大,泥沙的犁削破壞越發(fā)明顯;(3)相同濃度下小粒徑工況比大粒徑工況更容易發(fā)生空蝕,每個空蝕針孔的尺寸大約在1～3μm范圍內,空蝕針孔的生成與單個氣泡的潰滅有關,而不是大量氣泡累積破壞的結果。(4)通過對不同熱處理工藝試件進行試驗分析發(fā)現(xiàn),材料的抗磨蝕性能與材料本身的強度、硬度有較強的相關性,即材料硬度越大,磨蝕失重量越小;(5)4種HVOF涂層都能起到比基材更好的抗磨蝕效果,WC-10Co4Cr涂層的磨蝕失重量比0Cr13Ni5Mo基體磨蝕失重降低約為53.4%;比2Cr13基體磨蝕失重降低約55.6%;比KMTBCr26基體磨蝕失重降低約60.3%;(6)涂層的抗磨效果與基體材料的選擇有關,抗磨效果好的涂層材料不一定適用于所有基體。(7)WC-10Co4Cr涂層的破壞形式主要以WC硬質相材料的剝落為主,而Ni60/WC-10Co4Cr復合涂層材料受磨蝕破壞的形式主要以微切削、犁削破壞為主,抗斷裂韌性較好,能有效防止氣蝕裂紋的形成和發(fā)展。
【學位單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TK72
【部分圖文】：

緒論1 緒論1.1 研究背景及意義水資源是無污染能源，而且是一種可再生能源。中國的水力資源非常豐富，水電站數(shù)量與裝機容量均居世界首位，據(jù)統(tǒng)計，我國能夠開發(fā)得水電裝機容量在 6 萬億 kWh 以上[1]。然而由于森林、植被覆蓋率下降，使得我國水土流失情況吃緊，導致多數(shù)流域的泥沙濃度較大。在全球的流域中，長江、黃河的總輸沙量就占其總輸沙量的 30%。由于河流含沙量巨大且泥沙分布情況復雜，使得我國已建的不少大中型水利水電工程和水力機械受泥沙沖蝕損傷問題嚴重，其中水輪機受泥沙沖蝕破壞是我國水利建設中的較嚴重問題。由于水輪機葉片受到空蝕磨損與泥沙磨損的共同作用,會導致非常嚴重的破壞，極大地降低水電機組的穩(wěn)定性，影響其效率,造成巨大損失。據(jù)統(tǒng)計，我國水電站有三分之一以上的水輪機受氣蝕以及泥沙磨損的聯(lián)合作用破壞[2]。圖 1-1 為受泥沙磨蝕破壞的葉輪照片。

泥沙磨損最大深度達 20mm；葉片的抗磨涂層 32%脫落，存在15-28mm 空蝕區(qū)。綏德縣水電站 水輪機平均每年有 500h 在 300 kg/m3左右含沙量工況下運轉，有時甚至達到 800kg/m3，葉片在運轉約一萬小時后受泥沙磨損損失高達 1/8，水輪機效率下降將近 1/2。紅山嘴水電站 受泥沙磨蝕嚴重，豐水期停機修復過流部件頻繁，其中頂蓋的內腔有大量魚鱗坑，抗磨板在僅僅一個汛期報廢，重新鑲板；運行兩年葉片減薄 6~7mm，活動導葉凹坑深度達 20mm 以上。學者對水力機械磨蝕破壞的現(xiàn)象已經研究有上百年了，然而磨蝕破壞的機理直到現(xiàn)在也沒有完全摸索清楚。含沙水流通過水利機械時，氣蝕與磨損往往相伴而生，相互促進，很難將兩者分割討論。在氣蝕和泥沙磨損的聯(lián)合作用下，材料破壞的特征既有空蝕破壞又有泥沙磨損，導致其比單純的空蝕或者磨損破壞情況要復雜[7]。圖 1-2 為太平江水電站水機過流部件磨蝕破壞情況，葉片與下環(huán)的的焊接處出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象，有一個深度和寬度均很大的缺口；而轉輪下環(huán)出現(xiàn)較大不規(guī)則的凹坑；止漏環(huán)的頂部出現(xiàn)深度較大不規(guī)則的環(huán)形圓圈[8]。

流繼續(xù)向凹陷部分擠壓，最終使空泡沿凹陷部分貫穿整個空泡�？张莸倪@種受高壓潰非對稱的，所以會導致空泡附近的流場動量不均勻，沿空泡凹陷方向加速了水流的沖度”①。當然，影響其沖擊作用的因素有很多，其中流體中空泡潰滅的位置以及空泡徑是決定因素。沖擊的強弱也會影響材料表面的破壞特征，較弱的微射流沖擊會反復于材料壁面，從而使其產生疲勞裂紋，氣泡潰滅產生的沖擊可以直接破壞材料表面[1與微射流作用論不同的是，沖擊波理論是空泡產生潰滅壓力以沖擊波的形式以球狀輻播[13]。Knapp 等發(fā)現(xiàn)空泡在一系列壓縮回彈過程中，由于泡內氣體的可壓縮性，空積會被逐漸壓縮到臨界值，這時空泡內的壓力會超過外界壓力，潰滅時產生巨大的潰強，對周圍的流體介質產生強烈的壓力沖擊波，以球狀輻射波的形式向四周膨脹，沖的強度隨膨脹速度增大而增大。如空泡在材料邊壁附近潰滅，沖擊波將會連續(xù)不斷的邊壁，使邊壁材料由于受到疲勞破壞而發(fā)生塑性變形[14]。Matsumoto 通過高速攝像機到了空泡潰滅的全過程，空泡在快速潰滅的過程中所形成的沖擊波在微秒內就上升0MPa，因此空泡潰滅沖擊波造成的疲勞破壞可能是材料表面破壞的主要原因[15]。圖 空泡潰滅形成微射流的照片。
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