梯度陶瓷噴嘴的設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用研究.pdf

1、本文根據(jù)陶瓷噴嘴沖蝕磨損特性和梯度功能材料的優(yōu)異性能，基于梯度功能的技術(shù)思想，首次將梯度功能材料的概念引入陶瓷噴嘴的設(shè)計(jì)及制造，提出梯度陶瓷噴嘴的設(shè)計(jì)理論和方法，研制開發(fā)出具有高性能、長壽命的SiC/(W,Ti)C梯度陶瓷噴嘴，并探索其沖蝕磨損機(jī)理。 對噴嘴內(nèi)磨料速度場和應(yīng)力場進(jìn)行了分析，揭示了噴嘴沖蝕磨損的力學(xué)機(jī)理。結(jié)合陶瓷噴嘴的沖蝕磨損特點(diǎn)和應(yīng)力狀態(tài)，提出梯度陶瓷噴嘴的設(shè)計(jì)理論和方法。建立了梯度陶瓷噴嘴的物理模型、組成分布模

2、型及物性參數(shù)模型。 提出了梯度陶瓷噴嘴材料設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過對梯度陶瓷噴嘴材料的物理化學(xué)相容性分析計(jì)算，確定了SiC/(W,Ti)C材料體系及其各組分的極限體積含量。建立了梯度陶瓷噴嘴殘余應(yīng)力分析模型，采用熱．應(yīng)力耦合方法深入分析了GN-1單向梯度陶瓷噴嘴和GN-2對稱梯度陶瓷噴嘴的殘余應(yīng)力及其分布規(guī)律。結(jié)果表明：GN-1和GN-2梯度陶瓷噴嘴入口或出口處均產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。通過理論分析初步確定SiC/(W，Ti)C梯度陶瓷噴嘴最佳

3、組成分布指數(shù)范圍為0.5～1，最佳梯度層厚5mm，各梯度層SiC組分差應(yīng)小于5 Vol.％。 對不同結(jié)構(gòu)的梯度陶瓷噴嘴內(nèi)的磨料運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究。得出梯度陶瓷噴嘴最佳入口錐角為150°～20°，該入口錐角范圍的梯度陶瓷噴嘴的磨料出口速度最高，且噴嘴應(yīng)力最小。 研制成功了多種SIC/(W,Ti)C梯度陶瓷噴嘴材料，試驗(yàn)確定了SIC/(W,Ti)C梯度陶瓷噴嘴材料的最佳熱壓工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度1900℃，保溫時(shí)間

4、40min，燒結(jié)壓力30MPa；最佳組成分布指數(shù)范圍為0.5～0.8，各梯度層最佳SiC組分差為2 Vol.％，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合。 全面系統(tǒng)研究了梯度與非梯度陶瓷噴嘴材料的力學(xué)性能，梯度陶瓷噴嘴材料的力學(xué)性能隨梯度層不同而異，其變化規(guī)律為梯度陶瓷噴嘴材料表層的硬度和斷裂韌性最高，由表層至內(nèi)硬度和斷裂韌性依次逐漸降低。與非梯度陶瓷噴嘴材料相比，梯度陶瓷噴嘴材料的力學(xué)性能顯著提高，GN-1-2單向梯度陶瓷噴嘴表層的維氏

5、硬度和壓痕斷裂韌性分別為26。89GPa和5.83MPa·m<'1/2>，等效抗彎強(qiáng)度為548.6MPa；而CN-1非梯度陶瓷噴嘴材料的維氏硬度為25.67GPa，壓痕斷裂韌性為4.97MPa·m<'1/2>，抗彎強(qiáng)度為517.3MPa。對SiC/(W,Ti)C梯度陶瓷噴嘴材料顯微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，各梯度層沒有明顯的界面，整個(gè)材料的組成分布和顯微結(jié)構(gòu)是連續(xù)變化的。梯度陶瓷噴嘴材料表層的殘余壓應(yīng)力是導(dǎo)致其綜合力學(xué)性能提高的主要原因，從而驗(yàn)

6、證了梯度陶瓷噴嘴材料設(shè)計(jì)思想的正確性。 在同樣沖蝕條件下，對GN-1-1、GN-1-2、GN-1-5、GN-2-2、GN-2-2＇梯度陶瓷噴嘴及CN-1非梯度陶瓷噴嘴沖蝕后的重量損失、噴嘴內(nèi)徑隨時(shí)間的變化、噴嘴內(nèi)孔輪廓變化和噴嘴體積沖蝕磨損率等進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：梯度陶瓷噴嘴的抗沖蝕磨損能力比非梯度陶瓷噴嘴顯著提高；對稱梯度陶瓷噴嘴的抗沖蝕磨損能力比單向梯度陶瓷噴嘴高；錐孔梯度陶瓷噴嘴的抗沖蝕磨損能力比通孔梯度陶瓷噴嘴