三種不銹鋼材料抗固體顆粒沖蝕性能研究

吳小梅， 商曉宇

（北京航空材料研究院，北京 100095）

不銹鋼材料由于性能好、成本低廉而廣泛應用于航空發動機零部件中，我國在研究在役先進航空發動機壓氣機葉片大部分采用不銹鋼材料，在實際服役過程中會發生腐蝕，同時壓氣機部件在運行過程中，特別是直升機，空氣中的塵埃和沙粒等在高速氣流的作用下將對壓氣機葉片造成沖蝕，沖蝕腐蝕的交互作用，影響發動機的正常運行［1～6］。因此，了解壓氣機葉片用不銹鋼材料的沖蝕性能，對抗沖蝕涂層的研制及壓氣機葉片的可靠選材具有重要的意義。

本試驗采用增壓固體顆粒沖蝕試驗裝置及方法評價三種不銹鋼材料的抗沖蝕性能，沖蝕角度選用90°和30°。90°考查材料的韌性和硬度，壓氣機葉片在使用過程中30°角度遭受沖蝕最為嚴重，所以選用30°考查材料的抗沖蝕性能。根據試驗結果，分析不同沖蝕角度對材料抗沖蝕性能的影響及不同材料間抗沖蝕性能的差異，為航空發動機壓氣機葉片防護涂層研制及選材提供技術支撐。

1 實驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為1Cr11Ni2W2Mo2V，1Cr12Ni2WMoVNb，1Cr17Ni2三種不銹鋼，熱處理制度:1Cr11Ni2W2MoV鋼采用1010℃油淬+560℃回火;1Cr17Ni2鋼采用1040℃油淬+530℃回火;1Cr12Ni2W2MoVNb鋼采用1050℃油淬+580℃回火。三種材料的硬度分別為658HV，425 HV和497 HV。試樣尺寸為30mm×30mm×2.5mm。

1.2 試驗方法

目前國內沒有統一的評價材料抗沖蝕性能的標準，我們參照ASTMG76-04標準自建了固體顆粒加氣沖蝕試驗裝置［7］，可以比較真實的反映出材料的抗沖蝕性能。沖蝕試驗條件:沖蝕氣流壓力為0.20MPa，固體顆粒沖蝕速率約為0.7 g/s，噴嘴距試樣表面距離L=3 cm，噴嘴直徑r=1.0 mm，沖蝕角度 α =30°，90°，固體顆粒為 125 ～150 μm 的有棱角的石英砂。

2 實驗結果及分析討論

2.1 30°和90°沖蝕時三種不銹鋼材料的抗沖蝕性能

三種不銹鋼材料30°沖蝕時的沖蝕速率與沖蝕砂量圖見圖1。在相同沖蝕條件下，三種不銹鋼材料在20g固體顆粒沖蝕時達到最大沖蝕速率，在達到最大沖蝕速率后，隨著固體沖蝕顆粒的增加，三種不銹鋼材料的沖蝕速率逐漸下降，并趨于穩定狀態，在40g固體顆粒沖蝕后基本達到穩定沖蝕階段，穩定沖蝕速率:1Cr11Ni2W2MoV ＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr17Ni2，即抗沖蝕性能 1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV。三種不銹鋼材料90°沖蝕時的沖蝕速率與沖蝕砂量關系圖見圖2。在90°沖蝕條件下，1Cr12Ni2W2MoVNb在10g固體顆粒沖蝕時達到最大沖蝕速率，1Cr17Ni2和1Cr11Ni2W2MoV在20g固體顆粒沖蝕時達到最大沖蝕速率，在達到最大沖蝕速率后，隨著固體沖蝕顆粒的增加，三種不銹鋼材料的沖蝕速率逐漸下降，并趨于穩定狀態，在50g固體顆粒沖蝕后基本達到穩定沖蝕階段，穩定沖蝕速率:1Cr11Ni2W2MoV＞1Cr17Ni2和 1Cr12Ni2W2MoVNb，1Cr17Ni2 和1Cr12Ni2W2MoVNb穩定沖蝕速率差不多，即抗沖蝕性能1Cr17Ni2和1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV。

在30°和90°沖蝕時，1Cr17Ni2材料的抗沖蝕性能均最佳，這是因為在相同沖蝕條件下，材料的沖蝕性能主要取決于材料的硬度和韌性。1Cr11Ni2W2Mo2V，1Cr12Ni2WMoVNb，1Cr17Ni2 硬度分別為658HV，425 HV和497 HV，三種不銹鋼材料均為塑性材料，對于塑性材料，90°沖蝕時材料沖蝕性能主要與材料本身的硬度有關，其抗沖蝕性能隨材料硬度增加而降低，1Cr12Ni2WMoVNb，1Cr17Ni2硬度差不多，所以表現為抗沖蝕性能1Cr17Ni2和1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV。而 30°沖蝕時材料沖蝕性能除于本身硬度有關外，還與材料的韌性有關，在三種材料中，1Cr17Ni2材料硬度和韌性適中，所以在30°沖蝕時表現為抗沖蝕性能1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV。

2.2 沖蝕試驗后試樣表面宏觀形貌

由圖3可見，三種不銹鋼材料在10g石英砂沖蝕試驗（第一次沖蝕試驗）后，表面出現三個區域:光環外未遭受破壞的基體區（Ⅲ區），為光亮的原始表面色;光環內沖蝕所致的嚴重破壞區（Ⅰ區），為深色;沖蝕破壞輕微的光環區（Ⅱ區），為亮白色。30°沖蝕試驗后沖蝕斑類似于橢圓形狀，90°沖蝕試驗后沖蝕斑類似于圓形狀。理論上90°沖蝕時，試樣表面沖蝕斑應為圓形狀，但在實際沖蝕試驗中，由于沖蝕試樣平面與噴槍噴嘴平面很難保持為完全平行，即沖蝕角度很難保持為剛好90°，所以沖蝕斑為不規則的圓形狀。隨著沖蝕砂量的增加，沖蝕區域逐漸變大，在100g石英砂沖蝕試驗后，在Ⅰ區出現一較深的沖蝕坑。這是由于試驗是從右至左方向進行沖蝕，從右至左，噴嘴距試樣的距離逐漸增加，顆粒對試樣的沖擊力逐漸變小，而沖擊力越大，試樣所遭受的沖蝕破壞也越嚴重，所以，在Ⅰ區出現一較深的沖蝕坑。三種不銹鋼材料在整個沖蝕試驗完成后，表面沖蝕坑的深淺程度不同，30°沖 蝕 試 驗 后，表 面 沖 蝕 坑 深 度:1Cr11Ni2W2MoV＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr17Ni2，即抗沖蝕性能1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV，這與三種不銹鋼在30°沖蝕時的沖蝕速率與沖蝕砂量關系圖所得結果一致。90°沖蝕試驗后，1Cr17Ni2表面也出現很深的沖蝕坑，這與30°沖蝕試驗后的結果不同，30°沖蝕試驗結束后，1Cr17Ni2表面沖蝕坑很淺。

2.3 不同沖蝕角沖蝕試驗后試樣表面微觀形貌

不同沖蝕試驗后試樣表面微觀形如圖4所示。由圖4可見，在30°沖蝕時，試樣表面形貌主要表現為一條條明顯的犁溝、擠壓片及微裂紋，擠壓片是重復沖蝕后犁溝互相重疊而致。在90°沖蝕時，試樣表面形貌主要表現為擠壓坑、碎塊、微裂紋。在沖蝕過程中，固體沖蝕顆粒對材料的沖擊力可分解為平行于表面的切向力和垂直于表面的法向力，切向力對材料產生切削作用，沿著切向力的方向使材料表面出現犁溝，法向力對材料產生鑿壓作用，使材料表面出現擠壓坑。在高角度沖蝕時，切向力基本消失，材料僅受正面沖擊，材料表面不斷發生彈塑性變形，形成沖擊凹坑，在其邊緣有變形過程中擠壓出來的材料堆積物，他們在顆粒的不斷沖擊下，因反復擠壓而剝落或因剪切而斷裂。三種材料30°沖蝕磨損主要是由顯微切削引起，90°沖蝕磨損主要是以擠壓成片為機理。

2.4 三種不銹鋼材料抗沖蝕性能比較

從表1可見，90°沖蝕時，三種不銹鋼材料的穩定沖蝕速率都比30°沖蝕時的穩定沖蝕速率小。這是因為沖蝕與沖蝕粒子大小、粒子速率、沖蝕角及基體材料有關，塑性材料沖蝕速率在沖蝕角度為20～30°左右時沖蝕速率最大［8～11］，三種不銹鋼材料均為塑性材料，遵循塑性材料沖蝕規律，所以基體材料90°穩定沖蝕速率都比30°穩定沖蝕速率小。

表1 三種不銹鋼材料不同角度沖蝕下的穩定沖蝕速率Table 1 Steady erosion rate of three stainless steels at different Impact angle

30°和90°下1Cr17Ni2的穩定沖蝕速率最小，即1Cr17Ni2的抗沖蝕性能最好，從圖3中三種不銹鋼沖蝕后試樣表面宏觀形貌可見，沖蝕試驗后1Cr17Ni2試樣表面沖蝕坑最淺，表明1Cr17Ni2的抗沖蝕性能最好。結合沖蝕曲線圖（見圖1和圖2）、沖蝕形貌圖（圖3）可知，三種不銹鋼材料的抗沖蝕性能1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb ＞1Cr11Ni2W2MoV。Levy［12］較系統的研究了碳化物含量對塑性材料抗沖蝕性能的影響，研究結果表明，碳化物含量增加，材料的抗沖蝕性能下降。本實驗中，1Cr17Ni2材料組織結構為M23C6型碳化物和部分回火索氏體，1Cr12Ni2W2MoVNb材料組織結構為M23C6型碳化物，1Cr11Ni2W2MoV材料組織結構為M23C6型和M2X型碳化物，按照Levy研究結果抗沖蝕性能1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb和1Cr11Ni2W2MoV，這與本實驗得出的結果相一致。

3 結論

（1）三種不銹鋼材料在砂粒沖擊下均發生沖蝕磨損，30°沖蝕速率大于90°沖蝕速率。

（2）在相同沖蝕條件下，三種不銹鋼材料抗沖蝕性能:1Cr17Ni2＞1Cr12Ni2W2MoVNb＞1Cr11Ni2W2MoV，即1Cr17Ni2不銹鋼抗沖蝕性能最好，1Cr17Ni2不銹鋼表面遭受的沖蝕損壞最小。

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