水輪機(jī)葉片Ti5553合金的沖蝕磨損特性研究.pdf

1、水輪機(jī)是水利發(fā)電中必不可少的驅(qū)動(dòng)裝置，在多泥沙水域中，水輪機(jī)葉片的沖蝕磨損問題成為水利發(fā)電中亟待解決的難題。高強(qiáng)度近β型Ti5553合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度、斷裂韌性和淬透性，在航天航空、海洋、船舶、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。但在含泥沙水域中鈦合金制成的許多部件存在沖蝕磨損問題，極大的限制了其在多相流沖蝕漿料環(huán)境中的應(yīng)用。因此，研究Ti5553合金的沖蝕磨損性能逐漸成為海洋摩擦學(xué)領(lǐng)域重要的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。
　　由于鈦合金材料的微觀組

2、織是影響其性能的關(guān)鍵因素，根據(jù)Ti5553合金的熱加工特性，本文采用先進(jìn)的等通道轉(zhuǎn)角擠壓方法對(duì)Ti5553合金進(jìn)行熱加工處理，隨后進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，以有效地細(xì)化Ti5553合金的顯微組織，進(jìn)而提高Ti5553合金在含海沙水域中的抗沖蝕磨損能力，并取得了原創(chuàng)性的研究成果。
　　第一，運(yùn)用ABAQUS自帶的點(diǎn)跡跟蹤法模擬Ti5553合金的等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程中，探討擠壓角、擠壓溫度、擠壓速度、摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布均勻性的影響。模擬

3、結(jié)果表明:在外接圓弧角ψ和內(nèi)轉(zhuǎn)角φ均為90°時(shí)，試樣產(chǎn)生的變形較大，應(yīng)力分布較均勻，且應(yīng)力集中現(xiàn)象較小;當(dāng)摩擦系數(shù)、擠壓速度增加時(shí)，產(chǎn)生等效應(yīng)變的時(shí)間均提前;擠壓溫度為850℃，擠壓速度為25 mm·s-1，潤(rùn)滑條件良好的情況下，Ti5553合金的變形情況相對(duì)較好。
　　第二，分別測(cè)試了經(jīng)高溫ECAP處理前后Ti5553合金的力學(xué)性能。結(jié)果表明:經(jīng)高溫ECAP擠壓后的Ti5553合金的屈服強(qiáng)度提高了36％，斷裂失效時(shí)的應(yīng)變提高了6

4、6％，斷裂韌性提高了49.4％，沖擊韌性提高了31.4％。
　　第三，通過對(duì)比沖蝕前后經(jīng)ECAP擠壓和未經(jīng)ECAP擠壓的Ti5553合金的失重情況，評(píng)定其沖蝕磨損程度。結(jié)果表明:在相同的沖蝕磨損條件下，經(jīng)過ECAP擠壓的Ti5553合金，重量損失減小了40％，劃痕及和沖擊坑裂紋的面積減小了62％，灰度值的標(biāo)準(zhǔn)方差也減小了32％，試樣表面更加光滑，抗沖蝕磨損性能顯著提高。
　　第四，通過觀察經(jīng)ECAP擠壓后Ti5553合金在不

5、同沖蝕磨損階段的表面形貌情況，探討其失效原因和沖蝕磨損機(jī)理。結(jié)果表明:隨著沖蝕磨損時(shí)間的增加，被沖蝕材料的沖蝕磨損機(jī)理由開始階段的微切削逐漸變成沖擊擠壓變形，且保持不變;均勻分布在緊實(shí)β基體內(nèi)的α相對(duì)于提高合金的強(qiáng)度、韌塑性及抗沖蝕磨損能力方面起到了關(guān)鍵的作用。
　　本文首次運(yùn)用高溫ECAP工藝對(duì)Ti5553合金進(jìn)行加工處理，研究了高溫ECAP工藝對(duì)Ti5553合金微觀組織和沖蝕磨損性能的影響。結(jié)果表明，該方法可顯著地提升Ti55