分享:ZL101鑄鋁合金在不同振幅下的超聲空蝕行為

高速水流在流動過程中由于局部壓強(qiáng)降低而出現(xiàn)空泡,空泡隨水流移至高壓區(qū)后,其周圍的壓強(qiáng)一般是不平衡的,壓力高的一側(cè)開始變形,形成微型液體射流穿透空泡,在空泡潰滅的瞬間,微射流達(dá)到極高的速度,并以極大的沖擊力作用于邊壁表面,多個空泡連續(xù)潰滅的沖擊作用致使邊壁材料產(chǎn)生疲勞而剝落破損,這種現(xiàn)象稱為空蝕[1-2]?？瘴g是空化的后果,幾乎會發(fā)生在任何一種流體機(jī)械中,空化產(chǎn)生的空泡會堵塞流道、破壞流動,引起振動和噪聲,空蝕過程嚴(yán)重危害系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。 

在航空發(fā)動機(jī)鑄鋁燃油泵工作時,系統(tǒng)中不同部位間的壓強(qiáng)變化大,易發(fā)生空蝕損傷,影響安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著對航空發(fā)動機(jī)功率及轉(zhuǎn)速的要求越來越高,對鑄鋁燃油泵材料展開空蝕相關(guān)研究具有重要的實際意義[5-7]。ZL101鑄鋁合金容易熔煉和鑄造,氣密性好,適合鑄造薄壁、大面積和形狀復(fù)雜的各種零件,常用于航空發(fā)動機(jī)燃油泵殼體的制造。王維夫等[8]對航空發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)鋁合金渦殼的氣蝕特點(diǎn)和失效機(jī)制進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)微觀氣蝕表面由大量尺寸在40～60 μm的氣蝕凹坑相互疊加組成,單個氣蝕凹坑內(nèi)壁光滑,邊緣呈波浪狀。任奕等[9]對ZL101鑄鋁合金在不同介質(zhì)中的空蝕行為進(jìn)行了研究,探討了用去離子水代替航空煤油快速篩選航空用耐氣蝕材料的可行性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZL101鑄鋁合金在航空煤油中表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗空蝕性能。YANG等[10]開展了鋁合金在電勢作用下的空蝕試驗,分析了電流密度、質(zhì)量損失和表面損傷深度,結(jié)果表明鋁合金在極化區(qū)（-1.0～-0.8 V）具有良好的抗空蝕性能。當(dāng)壓力場振蕩作用于儲層中液體的自由表面并且振蕩幅度足夠大時,液體內(nèi)便會出現(xiàn)空化泡[11]。振幅是超聲振動空蝕裝置的重要參數(shù),調(diào)整振幅可以改變試驗環(huán)境的超聲波強(qiáng)度,從而探究不同空泡產(chǎn)生和潰滅數(shù)目下的空蝕程度。徐仲斌[12]探究了低合金鑄鐵試樣在不同振幅振動下的空蝕破壞程度,發(fā)現(xiàn)空蝕破壞程度會隨著振幅的增大而加重,減小振幅是減輕空蝕破壞程度的有效措施之一。LI等[13]研究發(fā)現(xiàn),在氣泡與空化泡相互作用的范圍內(nèi),氣泡與空化泡的相對距離、大小和數(shù)量對空化泡的遷移方向、振蕩時間和潰滅聲壓有較大影響。吳書安等[14]研究了超聲振幅對材料表面粗糙度以及硬度的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)材料表面粗糙度和硬度隨著超聲振幅的增大先增大后減小,在超聲振幅為10.8 μm左右達(dá)到最大空蝕效果。CHENG等[15]研究發(fā)現(xiàn),氣泡云結(jié)構(gòu)適合解釋空化侵蝕,試樣的侵蝕面同時受到大量氣泡的破壞,氣泡的最優(yōu)耦合強(qiáng)度隨氣泡初始半徑的減小而增大。YUSUF等[16]通過雙視角高速成像和聲學(xué)探測對不同尖端振動振幅下由超聲喇叭產(chǎn)生的空化活動進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)振幅會對輸入功率和總沖擊波造成影響。 

由此可見,振幅作為超聲振動空蝕裝置的重要參數(shù),直接影響空泡產(chǎn)生和潰滅的數(shù)量,會對金屬的空蝕破壞程度造成重要影響。但是,目前關(guān)于空泡產(chǎn)生和潰滅數(shù)量對空蝕破壞程度的影響研究大多停留在數(shù)值模擬的階段,缺少相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的支撐。開展不同振幅下的空蝕試驗有助于研究空泡潰滅數(shù)量對空蝕破壞程度的影響,并促進(jìn)對不同空泡潰滅數(shù)量下空蝕行為的認(rèn)識。航空發(fā)動機(jī)燃油泵廣泛采用的ZL101鑄鋁合金易受到空蝕的損傷破壞。筆者以ZL101鑄鋁合金作為研究對象,為快速評價抗空蝕性能,選擇去離子水作為空蝕介質(zhì)[9],對鑄鋁合金在不同振幅下的空蝕行為進(jìn)行對比研究和分析；借助掃描電子顯微鏡（SEM）、三維光學(xué)表面輪廓儀等測試設(shè)備,研究振幅對ZL101鑄鋁合金空蝕行為的影響,分析其空蝕表面形貌和材料移去機(jī)理,以期為鑄鋁合金機(jī)械設(shè)備在空蝕條件下的安全運(yùn)行提供參考。 

1.   試驗

1.1   試驗材料

試驗材料為ZL101鑄鋁合金,通過線切割獲得尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣。采用400號、800號、1 200號、1 500號、2 000號砂紙對試件進(jìn)行逐級打磨,除去ZL101鑄鋁合金表面氧化物并保證表面光滑平整。依次采用1.5 μm和0.5 μm金剛石噴霧拋光劑將試樣拋光至鏡面,采用無水乙醇清洗并烘干,最后用精度為0.1 mg的分析天平進(jìn)行稱量并記錄數(shù)據(jù)。 

1.2   試驗方法

1.2.1   空蝕試驗

超聲振動空蝕裝置示意如圖1所示,由超聲波空蝕發(fā)生器、隔音箱、恒溫裝置、水槽和升降臺組成,超聲波空蝕發(fā)生器包括智能數(shù)控超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具頭。智能數(shù)控超聲波發(fā)生器與換能器相連,換能器一端連接變幅桿,變幅桿另一端連接工具頭,工具頭隨變幅桿伸入帶有空蝕介質(zhì)的水槽內(nèi),工具頭端面正對試樣表面。智能數(shù)控超聲波發(fā)生器將電信號傳遞給換能器,換能器受到激勵后將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l機(jī)械振動,機(jī)械振動經(jīng)變幅桿放大傳遞給工具頭端面,帶動端面在空蝕介質(zhì)中高頻振動,從而完成對金屬試樣的空蝕試驗[17-18]。振幅（A）是指連接換能器和變幅桿的工具頭端面中心振動位移幅度的軸向分量,是超聲振動空蝕裝置的關(guān)鍵指標(biāo),在空蝕試驗中起到很大的影響。 

圖  1  超聲振動空蝕裝置示意

Figure  1.  Schematic diagram of ultrasonic vibration cavitation device

利用超聲振動空蝕裝置對制備好的ZL101鑄鋁合金試樣進(jìn)行不同振幅（60,70,80 μm）下的空蝕試驗。將試樣固定在工作臺上,工具頭下端面直徑為16 mm,試樣表面距離振動頂端的間距為1 mm,空蝕試驗介質(zhì)采用去離子水溶液,以快速評價其空蝕性能,試樣表面浸入介質(zhì)的深度為（12±4）mm。通過恒溫水浴裝置將空蝕試驗環(huán)境溫度控制在25 ℃,試驗時間為480 min。試驗后,對試樣進(jìn)行清洗、烘干,并用精度為0.1 mg的天平對其稱量并記錄數(shù)據(jù),計算試樣的質(zhì)量損失量和質(zhì)量損失率。 

1.2.2   物相及形貌分析

利用X射線衍射儀（XRD）分析ZL101鑄鋁合金試樣的物相組成。通過掃描電鏡和三維光學(xué)表面輪廓儀觀察試樣的空蝕表面形貌,對試樣進(jìn)行切割并通過SEM觀察空蝕的截面形貌。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   物相組成

由圖2可以看出,ZL101鑄鋁合金主要由Al相及少量的Fe、Al0.5Fe3Si0.5相組成。由于Fe、Si元素在一定程度上存在偏析現(xiàn)象,含有Fe、Si元素的增強(qiáng)相主要存在于晶界處,而Al相主要存在于晶粒內(nèi)部[9]。其中Al相為較軟的相,相對增強(qiáng)相其抗空蝕能力較差,會在空蝕過程中被更早破壞。 

圖  2  ZL101鑄鋁合金的XRD譜

Figure  2.  XRD pattern of ZL101 cast aluminum alloy

2.2   質(zhì)量損失量和質(zhì)量損失率

由圖3可見：ZL101鑄鋁合金試樣在不同振幅下的空蝕質(zhì)量損失量隨空蝕時間的延長不斷增加,3條曲線近似呈線性增長趨勢,曲線斜率隨振幅的增大而增大；空蝕480 min后,在60,70,80 μm振幅下的累計質(zhì)量損失量分別為51.4,65.7,81.9 mg,呈現(xiàn)不斷增大的變化規(guī)律。由此可見,ZL101鑄鋁合金試樣在去離子水中的空蝕破壞程度隨振幅的增大而加重。超聲振動空蝕裝置通過固體振動,使臨近的液體受到壓縮和拉伸,壓力發(fā)生波動從而產(chǎn)生空泡。振幅是衡量振動強(qiáng)度的主要參數(shù)之一,隨著超聲振幅的增大,試驗環(huán)境的壓力波動也越大,空泡產(chǎn)生和潰滅的數(shù)量增多[12],ZL101鑄鋁合金的空蝕破壞程度逐漸加重。 

圖  3  ZL101鑄鋁合金在不同振幅下的空蝕質(zhì)量損失量

Figure  3.  Cavitation erosion mass loss of ZL101 cast aluminum alloy under different amplitudes

空蝕過程可分為空蝕孕育期、上升期、穩(wěn)定期和衰減期四個階段。由圖4可見：不同振幅下ZL101鑄鋁合金試樣的空蝕質(zhì)量損失率曲線呈現(xiàn)出大致相同的變化趨勢；空蝕試驗初期,質(zhì)量損失率快速上升,并很快達(dá)到最大值而趨于穩(wěn)定,之后呈現(xiàn)出略微減小的趨勢。ZL101鑄鋁合金空蝕過程不同階段的質(zhì)量損失率均隨著振幅的增大而增大,說明振幅的增大增強(qiáng)了空蝕的破壞程度。當(dāng)振幅為60 μm時,在0～120 min階段內(nèi)ZL101鑄鋁合金試樣的質(zhì)量損失率逐漸增大,是質(zhì)量損失率達(dá)到最大值之前空蝕的孕育期和上升期。當(dāng)振幅為70 μm和80 μm時,此階段時間為0～60 min,更短的空蝕孕育期和上升期代表材料受到的空蝕破壞強(qiáng)度增大。當(dāng)空蝕過程進(jìn)行到300 min后,不同振幅下的空蝕質(zhì)量損失率緩慢降低并逐漸穩(wěn)定。 

圖  4  ZL101鑄鋁合金在不同振幅下的空蝕質(zhì)量損失率

Figure  4.  Cavitation weight loss rate of ZL101 cast aluminum alloy under different amplitudes

2.3   空蝕表面形貌

如圖5所示,空蝕30 min后,ZL101鑄鋁合金試樣表面已完全被破壞并深入到材料內(nèi)部,導(dǎo)致材料表層剝落并呈現(xiàn)出較粗糙的表面?？瘴g過程中會有相選擇行為,機(jī)械作用在空蝕過程中占主要地位,硬度較小的相會在沖擊作用下被優(yōu)先空蝕破壞[19]。而ZL101鑄鋁合金中各元素的分布不均勻,含有Si、Fe、Mn元素的增強(qiáng)相主要存在于晶界處,硬度較低的Al相主要分布在晶粒內(nèi)部[9]。因此,在液體空泡的反復(fù)沖擊和潰滅作用下,ZL101鑄鋁合金晶粒內(nèi)部較軟的Al相優(yōu)先被空蝕破壞,相鄰晶粒內(nèi)部被損傷后,晶粒邊界對空蝕的抵抗能力變?nèi)?隨即晶粒邊界也被破壞產(chǎn)生小的空蝕坑?？瘴g坑的形成會誘導(dǎo)更多的空泡聚集,加劇空蝕坑擴(kuò)大的趨勢。在沖擊波和微射流的共同作用下,空蝕坑尺寸不斷擴(kuò)大,同時相鄰的空蝕坑連接到一起,進(jìn)而產(chǎn)生更大尺寸的空蝕坑,最終顯著惡化了ZL101鑄鋁合金的抗空蝕性能。 

圖  5  ZL101鑄鋁合金在不同振幅下空蝕30 min后的表面形貌

Figure  5.  Surface morphology of ZL101 cast aluminum alloy after cavitation for 30 min at different amplitudes: (a) 60 μm, low magnification; (b) 60 μm, high magnification; (c) 70 μm, low magnificaytion; (d) 70 μm, high magnification; (e) 80 μm, low magnification; (f) 80 μm, high magnification

空蝕30 min后材料表面產(chǎn)生了尺寸達(dá)幾十μm的空蝕坑,并且蝕坑尺寸和深度隨振幅增大出現(xiàn)增大的趨勢。原因是振幅的增大會增加空泡產(chǎn)生和潰滅的數(shù)量,材料表面的空泡密度增大,受到更嚴(yán)重的沖擊波和微射流破壞,加快空蝕坑尺寸擴(kuò)大和深度增大的發(fā)展過程。由圖5還可見,空蝕表面出現(xiàn)了明顯的塑性變形和脆性斷裂。在微射流的作用下,空蝕表面塑性變形明顯,出現(xiàn)了內(nèi)壁光滑的空蝕凹坑,同時產(chǎn)生微裂紋并向鋁合金內(nèi)部擴(kuò)展,裂紋不斷發(fā)展并相互連接,使金屬材料承受不住空化泡沖擊的作用,造成材料的剝落。部分內(nèi)壁光滑的空蝕坑呈波浪狀形貌,表現(xiàn)出“坑涌”特征,表明受到多次空蝕沖擊的作用[8]?？瘴g表面在承受微射流的沖擊時產(chǎn)生新的裂紋,從而使空蝕損傷過程連續(xù)不斷進(jìn)行。 

由圖6可見,空蝕480 min后,ZL101鑄鋁合金試樣表面損壞程度十分嚴(yán)重,出現(xiàn)了明顯的蜂窩狀空蝕形貌和裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象,部分區(qū)域表層脫落產(chǎn)生了較深的蝕坑?？梢?ZL101鑄鋁合金在去離子水中的空蝕存在明顯的打孔和掏空行為,空蝕孔間有相互連通形成裂縫的趨勢,這種現(xiàn)象對材料的破壞十分嚴(yán)重。 

圖  6  ZL101鑄鋁合金在不同振幅下空蝕480 min后的表面形貌

Figure  6.  Surface morphology of ZL101 cast aluminum alloy after cavitation for 480 min at different amplitudes

利用三維光學(xué)表面輪廓儀捕捉空蝕表面1 mm2的表面形貌。由圖7可見：由于沖擊波和微射流的作用,ZL101鑄鋁合金試樣表面產(chǎn)生大量空蝕坑；空蝕480 min后,原始表面被完全破壞,在60,70,80 μm振幅下,表面粗糙度分別為48.2,50.0,68.4 μm,孔洞深度分別達(dá)322.7,381.9,389.0 μm,孔洞深度的增大和表面粗糙度的急劇增加反映出空蝕破壞程度加重。 

圖  7  ZL101鑄鋁合金在不同振幅下空蝕480 min后的表面輪廓圖

Figure  7.  Surface profile of ZL101 cast aluminum alloy after cavitation for 480 min at different amplitudes

2.4   空蝕截面形貌及最大聲壓

由圖8可見,隨著振幅的增大,ZL101鑄鋁合金試樣表面空蝕坑的尺寸并無明顯變化,但其深度不斷增大,在60,70,80 μm振幅下深度分別達(dá)到293.8,331.3,525.0 μm。由于ZL101鑄鋁合金的開裂韌性較低,微裂紋擴(kuò)展的阻力較小,當(dāng)空蝕時間達(dá)480 min時,蝕坑內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)很多以一定角度向深度發(fā)展的裂紋,裂紋的發(fā)展和交叉導(dǎo)致材料脫落。由圖8（d）可以發(fā)現(xiàn),即將發(fā)生剝離的顆粒尺寸可達(dá)十幾μm,顆粒脫落后在空泡潰滅產(chǎn)生微射流的挾帶下起到加速作用,此時帶有高動量的顆粒也會在一定程度上對金屬表面起到?jīng)_擊作用。圖8（f）所示空蝕坑內(nèi)壁的凸起部分會更容易受到空蝕的破壞,從而凸起頂部的材料發(fā)生脫落,形成新的蝕坑形貌。由于蝕坑內(nèi)更容易產(chǎn)生空化泡的聚集,已經(jīng)產(chǎn)生的空蝕坑內(nèi)部會產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中,容易形成更多的微裂紋,并加速裂紋擴(kuò)展,形成如圖8（d）～（f）所示較為明顯的裂紋。此過程循環(huán)反復(fù)進(jìn)行,導(dǎo)致空蝕損傷不斷向空蝕坑的內(nèi)部深處發(fā)展,最終形成深度達(dá)幾百μm的空蝕坑。 

圖  8  ZL101鑄鋁合金在不同振幅下空蝕480 min后的截面形貌

Figure  8.  Cross-sectional morphology of ZL101 cast aluminum alloy after cavitation for 480 min at different amplitudes: (a) 60 μm, low magnification; (b) 70 μm, low magnification; (c) 80 μm, low magnification; (d) 60 μm, high magnification; (e) 70 μm, high magnification; (f) 80 μm, high magnification

超聲波強(qiáng)度直接影響空化效應(yīng),當(dāng)空化閾值未達(dá)到飽和時,空化強(qiáng)度會隨著超聲波強(qiáng)度的增大而增大；空化閾值達(dá)到飽和后繼續(xù)增大超聲波強(qiáng)度則會產(chǎn)生大量無用氣泡,從而增加散射衰減,阻礙空化強(qiáng)度的繼續(xù)增大。聲壓是介質(zhì)壓強(qiáng)的變化量,聲壓越大,壓力波動越大,空化程度越強(qiáng)。不同振幅下空蝕試驗的超聲波強(qiáng)度（I）和最大聲壓（F）可由式（1）和（2）計算。 

式中：η為功效系數(shù),一般取0.5；P為功率；S為超聲探頭面積；ρ為空蝕試驗介質(zhì)密度；c為超聲波在介質(zhì)中的速度。 

經(jīng)計算,當(dāng)振幅分別為60,70,80 μm時,超聲波強(qiáng)度分別為31.35,35.33,39.31 W·cm-2,最大聲壓分別為0.975,1.035,1.092 MPa,均隨振幅的增大呈現(xiàn)增大的趨勢。在25 ℃環(huán)境中,當(dāng)振幅為60～80 μm時,振幅的增大導(dǎo)致超聲波強(qiáng)度和最大聲壓增大,介質(zhì)中的壓力波動變大,空泡潰滅增多,ZL101鑄鋁合金受到的空蝕破壞加劇,空蝕質(zhì)量損失量增大,蝕坑深度增大。 

3.   結(jié)論

（1）在超聲空蝕條件下,當(dāng)振幅分別為60,70,80 μm時,ZL101鑄鋁合金在去離子水中的空蝕質(zhì)量損失量、蝕坑深度和表面粗糙度均隨著振幅的增大而增大,振幅增大導(dǎo)致試驗環(huán)境的壓力波動增大,空泡產(chǎn)生和潰滅的數(shù)量增多,鑄鋁合金的空蝕破壞程度加重。 

（2）在不同振幅下,ZL101鑄鋁合金在液體空泡的反復(fù)沖擊和潰滅作用下發(fā)生了明顯的塑性變形和脆性斷裂,晶粒內(nèi)部較軟的Al相率先被空蝕破壞,相鄰晶粒內(nèi)部被損傷后,晶粒邊界對空蝕的抵抗能力變?nèi)蹼S之被破壞,鑄鋁合金在去離子水中的空蝕破壞具有明顯的打孔和掏空行為。 

（3）蝕坑內(nèi)更容易產(chǎn)生空化氣泡的聚集,受到更大的應(yīng)力集中,產(chǎn)生微裂紋并加速裂紋擴(kuò)展,使空蝕損傷不斷向空蝕坑的內(nèi)部深處發(fā)展。振幅的增大導(dǎo)致超聲波強(qiáng)度和最大聲壓增大,加劇了空蝕破壞,材料脫落更迅速。

文章來源——材料與測試網(wǎng)