中国有色金属学报

中国有色金属学报 2003,(03),560-564 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.03.005

Ti₃Al基合金的弹性变形能与空蚀

龙霓东 朱金华

西安交通大学材料强度国家重点实验室,西安交通大学材料强度国家重点实验室 西安710049,空军工程大学工程学院,西安710038 ,西安710049

摘 要：

利用旋转圆盘装置研究了Ti3 Al基合金Ti 2 4Al 15Nb 1Mo的空蚀行为 ,并用洛氏硬度仪模拟空蚀过程中微射流所产生的局部载荷对Ti 2 4Al 15Nb 1Mo合金的作用 ,测量了压头加载过程中该合金吸收的总能量和弹性变形能 (选择我国水利机械常用 0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢作对比材料 )。结果表明 :Ti 2 4Al 15Nb 1Mo合金的抗空蚀性能优于 0Cr13Ni5Mo不锈钢 ,空蚀 40h后前者的累积体积损失量仅为 0 .5 5 1mm3 ,而后者的累积体积损失量达到2 .6 15mm3 ;在局部载荷作用下 ,Ti 2 4Al 15Nb 1Mo合金不仅有较高的加工硬化能力 ,而且有较好的弹性性能 ;在压痕试验中其弹性变形能在总变形能量中所占比例达到 1/ 3。这些性能特点使Ti 2 4Al 15Nb 1Mo合金在空蚀过程中能吸收和释放较多的冲击能量 ,延缓裂纹形成 ,减少体积损失 ,呈现良好的抗空蚀性能。

关键词：

空蚀;Ti3Al基合金;能量;加工硬化;

中图分类号： TG146.2

作者简介：龙霓东(1963),女,副教授,博士研究生.电话:0294249800,4397408;

收稿日期：2002-08-28

基金：国家自然科学基金重点资助项目 (5 98310 30 );国家重点基础研究发展规划资助项目(G19990 6 5 0 );

Elastic deformation energy and cavitation erosion of Ti₃Al-based alloy

Abstract：

The cavitation erosion of Ti 3Al-based alloy Ti-24Al-15Nb-1Mo was investigated by using rotating disc equipment. To simulate the effect of the collapse of vapor cavities or bubbles, Rockwell hardness tester was used to exert a load on the small area of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy, and the total deformation energy and elastic deformation energy of the test material were determined. Martensitic stainless steel 0Cr13Ni5Mo was chosen for comparison. The results show that the cavitation erosion resistance of the Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy is better than that of the 0Cr13Ni5Mo stainless steel. After 40 h of exposure to cavitation erosion, the cumulative volume loss of the former is only 0.551 mm 3, while that of the latter is 2.615 mm 3. Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy has good work-hardening ability and elasticity. Its elastic deformation energy approaches 1/3 of the total deformation energy in indentation test. All these characteristics make it absorb and relieve more impact energy in cavitation erosion, thus reducing volume loss, and showing excellent cavitation erosion resistance.

Keyword：

cavitation erosion; Ti 3Al-based alloy; energy; work-hardening ability;

Received： 2002-08-28

空蚀主要发生在水利机械出现流速增高及因局部绕流造成流体压力波动的过流部件上, 如船用螺旋桨、 水轮机叶片等 ^[1] 。 一般认为空蚀主要由力学作用引起, 电化学腐蚀和热效应起辅助作用 ^[2] 。 虽然空蚀以力学作用为主, 但材料常规力学性能如强度、 塑性、 硬度等与抗空蚀性能没有一一对应的关系, 因为空蚀破坏是由于空泡溃灭时产生的冲击波或微射流对材料表面局部作用而引起的, 抗空蚀性能不同于材料的整体性能。

研究表明, 形状记忆合金NiTi具有优异的抗磨损性能 ^[3,4] 、 抗空蚀性能 ^[5,6] , 其优异的抗空蚀性能、 抗磨损性能通常归因于超弹性 ^[3,4,5,6] 。 根据空蚀微射流或冲击波对材料表面局部作用的特点, CHENG等 ^[7] 用压痕试验建立了NiTi合金的抗空蚀性能Re与W/δu(W表示压头所做的功, δu表示不可恢复的塑性变形)之间的经验公式。 LIU ^[8] 也用压痕技术所测定的TiNi合金吸收的弹性变形能来衡量其超弹性, 并证明弹性变形能愈高, 超弹性就愈好, 合金的抗磨损性能也就愈好。 实践证明, 压痕试验具有非破坏性, 且简单易行, 可测出材料在局部载荷作用下吸收弹性变形能的能力, 是一种很好的衡量材料弹性和抗空蚀性能的方法, 但迄今未见对普通弹性材料采用压痕试验的文献报道。 通常具有普通弹性性能材料的良好抗空蚀性能归因于其高的加工硬化能力 ^[9,10,11] 或应变诱发相变 ^[11] , 没有考虑弹性变形能对抗空蚀性能的贡献。 因此, 本研究选择普通弹性材料Ti₃Al基合金Ti-24Al-15Nb-1Mo作为试验材料, 利用压痕试验, 从局部载荷和能量角度出发探讨其空蚀行为。

1 试验材料及方法

试验材料为北京航空材料研究所提供的Ti₃Al基合金: Ti-24Al-15Nb-1Mo。 该合金经锻造后进行双态热处理, 其光学显微组织如图1所示, 由α₂-Ti₃Al和β转变组织组成, α₂-Ti₃Al呈等轴状和针状。 采用我国水利机械常用的0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢(正火态)作为对比材料。 在旋转圆盘装置上进行空蚀试验, 圆盘转速为2 960 r/min, 空蚀试样的线速度分别为45 m/s和34 m/s, 液体介质为自来水, 空蚀时间为40 h。 采用精度为0.1 mg的电子天平称重, 并绘出合金空蚀累积体积损失量与空蚀时间的关系曲线。 利用MEF3光学显微镜(OM)、 S—2700型扫描电镜(SEM)分析Ti-24Al-15Nb-1Mo合金试样表面空蚀前后的微观形貌。 用MH-

图1 Ti-24Al-15Nb-1Mo 合金的显微组织 Fig.1 Microstructure of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy

5显微维氏硬度计测量试样距空蚀表面不同深度处的显微维氏硬度值。

由于压痕试验简单且具有与空蚀相同的局部加载的特点, 故采用HRD-150型电动洛氏硬度仪模拟空蚀过程中微射流所产生的局部载荷对Ti-24Al-15Nb-1Mo合金和0Cr13Ni5Mo不锈钢的作用, 分别测量两种材料在加载过程中所吸收的总能量和弹性变形能。 洛氏硬度仪的压头为120°金刚石圆锥, 所加最大载荷分别为588, 980, 1 470 N。

2 结果及讨论

图2所示为Ti-24Al-15Nb-1Mo 合金及0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢分别在34和45 m/s线速度下的空蚀累积体积损失量与空蚀时间的关系曲线。 两种材料在45 m/s时的体积损失量均高于在34 m/s时的体积损失量。 在45 m/s时, 0Cr13Ni5Mo不锈钢空蚀20 h后体积损失明显增加, 空蚀40 h后达到2.615 mm³, Ti-24Al-15Nb-1Mo 合金体积损失随时间的延长增加较缓慢, 空蚀40 h后仅为0.551 mm³, 约为0Cr13Ni5Mo不锈钢的1/5; 在34 m/s时空蚀40 h后, 0Cr13Ni5Mo不锈钢和Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的体积损失分别为0.359 mm³和0.255 mm³。 可见, Ti-24Al-15Nb-1Mo 合金的抗空蚀性能优于0Cr13Ni5Mo不锈钢, 线速度愈大, 两者的差距愈明显。

图3所示为Ti-24Al-15Nb-1Mo合金在45 m/s线速度下空蚀40 h后的试样表面SEM形貌, 可见试样表面有许多小坑, 形状与α₂-Ti₃Al颗粒相同(见图1), 表明空蚀时α₂-Ti₃Al优先剥落。 该试验

图2 Ti-24Al-15Nb-1Mo合金和0Cr13Ni5Mo 不锈钢的空蚀累积体积损失量与 空蚀时间的关系曲线 Fig.2 Cumulative volume loss as a function of time for Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy and 0Cr13Ni5Mo stainless steel (a)—45 m/s; (b)—34 m/s

图3 Ti-24Al-15Nb-1Mo 合金试样 表面空蚀40 h后的SEM形貌 Fig.3 SEM image of cavitation eroded surface of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy after 40 h of cavitation erosion

结果与Howard和Ball ^[10] 的相同, Ti₃Al基合金在空蚀微射流或冲击波的作用下发生变形, 变形在α₂相与基体的相界面处受阻, 使应变在界面处不断累积, 最后导致塑性较差的α₂相的开裂和剥落。

空蚀破坏是因空泡溃灭时所产生的冲击波或微射流对材料表面局部作用而引起的, 材料吸收和释放冲击能量的能力对其空蚀性能有很大影响。 为此采用电动洛氏硬度仪模拟空蚀过程中的局部载荷作用, 测量加载过程中材料吸收的总能量和弹性变形能。 图4所示为最大载荷为980 N时Ti-24Al-15Nb-1Mo 合金与0Cr13Ni5Mo不锈钢的载荷—位移曲线, 同样可以绘出最大载荷为588 N和1 470 N时的载荷—位移曲线。 图中加载曲线与横坐标所包围的面积为材料所吸收的总能量E, 卸载曲线与横坐标所包围的面积为材料所吸收的弹性变形能E_e。 用积分的方法求出E值和E_e值, 所得结果列于表1, 表中同时给出两种材料吸收的弹性能在总能量中所占的比例E_e/E。

图4 压痕试验中载荷与位移的关系曲线 Fig.4 Load—displacement curves in indentation

由表1可知, 载荷愈大, 两种材料吸收的总能量和弹性变形能也就愈多。 在相同载荷作用下,Ti-24Al-15Nb-1Mo合金吸收的弹性变形能高于0Cr13Ni5Mo不锈钢, 且前者吸收的弹性变形能在总能量中所占的比例也高于后者。 因此, Ti-24Al-15Nb-1Mo合金在局部载荷作用下表现出优于0Cr13Ni5Mo不锈钢的弹性性能。

空蚀微射流或冲击波对材料表面的冲击能大部分转化为材料的塑性能和弹性能, 其中弹性能所占比例愈高, 材料就能在不造成自身损伤的情况下吸收和释放愈多的冲击能量, 减少质量损失, 呈现良好的抗空蚀性能。 在局部载荷作用下, Ti-24Al-15Nb-1Mo合金吸收的弹性能在总能量中所占的比例达到1/3, 而经过不同热处理的具有不同超弹性的Ti-Ni合金在显微压痕试验中弹性变形能所占的比例分别为36%和47% ^[8] 。 比较两者可见, 在局部载荷作用下, Ti-24Al-15Nb-1Mo合金表现出较高的吸收弹性变形能的能力, 该性能特点是Ti-24Al-15Nb-1Mo 合金抗空蚀性能良好的原因之一。

图5所示为Ti-24Al-15Nb-1Mo合金和0Cr13Ni5Mo不锈钢在45 m/s条件下空蚀40 h后

图5 Ti-24Al-15Nb-1Mo合金与0Cr13Ni5Mo不锈钢 空蚀40 h后距空蚀表面不同深度处的显微硬度 Fig.5 Microhardness versus depth profile on cross section of Ti-24Al-15Nb-1Mo alloy and 0Cr13Ni5Mo stainless steel after exposure to cavitation erosion for 40 h

表1 Ti-24Al-15Nb-1Mo 合金和0Cr13Ni5Mo 不锈钢在压痕试验中所吸收的总能量E、 弹性变形能Ee及Ee/ETable 1 Total energy E, elastic deformation energy Ee and ratio of Ee/E in indentation forTi-24Al-15Nb-1Mo alloy and 0Cr13Ni5Mo stainless steel under different loads

Alloy	588 N				980 N				1 470 N
	E/J	Ee/J	Ee/E		E/J	Ee/J	Ee/E		E/J	Ee/J	Ee/E
Ti-24Al-15Nb-1Mo	0.0237	0.008 4	35.4%		0.059 7	0.021 2	35.5%		0.125 3	0.045 9	36.6%
0Cr13Ni5Mo	0.025 6	0.006 1	23.8%		0.058 5	0.014 1	24.1%		0.122 7	0.031 0	25.3%

距空蚀表面不同深度处的显微维氏硬度变化图, 0Cr13Ni5Mo不锈钢空蚀后表面硬度几乎没有变化, 而Ti-24Al-15Nb-1Mo合金在微射流的反复冲击下, 表面维氏硬度明显提高, 达到HV440。

空蚀可产生高达1 000 MPa量级的冲击力 ^[12,13] , 往往使材料表面变形。 Ti-24Al-15Nb-1Mo合金表面在微射流或冲击波的反复作用下硬化(图5), 可以延缓裂纹的形成 ^[9] , 也可保证材料在空蚀过程中吸收较多的冲击能量 ^[6] , 减少材料失重。

综合上述分析, Ti-24Al-15Nb-1Mo合金优于0Cr13Ni5Mo不锈钢的抗空蚀性能应归因于其在局部载荷作用下所呈现的较好的弹性性能和加工硬化能力, 前者使其在空蚀过程中以弹性变形的方式吸收和释放较多的冲击能量, 后者保证其在空蚀过程中以塑性变形方式吸收冲击能量时, 不至于过早形成裂纹和剥落, 从而减少体积损失量。

3 结论

1) 旋转圆盘空蚀试验表明: 在45 m/s的线速度下空蚀40 h, Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的体积损失量为0.551 mm³, 0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的体积损失量为2.615 mm³; 在34 m/s的线速度下空蚀40 h, Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的体积损失量为0.255 mm³, 0Cr13Ni5Mo不锈钢的体积损失量为0.359 mm³。 Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的抗空蚀能力优于0Cr13Ni5Mo不锈钢。

2) 在局部载荷作用下, Ti-24Al-15Nb-1Mo合金的弹性性能及加工硬化能力优于0Cr13Ni5Mo不锈钢, 这些性能特点能保证Ti-24Al-15Nb-1Mo合金在空蚀过程中微射流或冲击波的作用下吸收和释放更多的冲击能量, 延缓裂纹形成, 减小表面损伤。

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