圖 1超聲振動空蝕裝置示意
Figure 1.Schematic diagram of ultrasonic vibration cavitation device
高速水流在流動過程中由于局部壓強降低而出現空泡,空泡隨水流移至高壓區后,其周圍的壓強一般是不平衡的,壓力高的一側開始變形,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,多個空泡連續潰滅的沖擊作用致使邊壁材料產生疲勞而剝落破損,這種現象稱為空蝕[1-2]。空蝕是空化的后果,幾乎會發生在任何一種流體機械中,空化產生的空泡會堵塞流道、破壞流動,引起振動和噪聲,空蝕過程嚴重危害系統的安全穩定運行[3-4]。
在航空發動機鑄鋁燃油泵工作時,系統中不同部位間的壓強變化大,易發生空蝕損傷,影響安全穩定運行。隨著對航空發動機功率及轉速的要求越來越高,對鑄鋁燃油泵材料展開空蝕相關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、大面積和形狀復雜的各種零件,常用于航空發動機燃油泵殼體的制造。王維夫等[8]對航空發動機供油系統鋁合金渦殼的氣蝕特點和失效機制進行了分析,發現微觀氣蝕表面由大量尺寸在40～60μm的氣蝕凹坑相互疊加組成,單個氣蝕凹坑內壁光滑,邊緣呈波浪狀。任奕等[9]對ZL101鑄鋁合金在不同介質中的空蝕行為進行了研究,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,結果發現ZL101鑄鋁合金在航空煤油中表現出更加優異的抗空蝕性能。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、質量損失和表面損傷深度,結果表明鋁合金在極化區（-1.0～-0.8 V）具有良好的抗空蝕性能。當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,液體內便會出現空化泡[11]。振幅是超聲振動空蝕裝置的重要參數,調整振幅可以改變試驗環境的超聲波強度,從而探究不同空泡產生和潰滅數目下的空蝕程度。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,發現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]研究發現,在氣泡與空化泡相互作用的范圍內,氣泡與空化泡的相對距離、大小和數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,結果發現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10.8μm左右達到最大空蝕效果。CHENG等[15]研究發現,氣泡云結構適合解釋空化侵蝕,試樣的侵蝕面同時受到大量氣泡的破壞,氣泡的最優耦合強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探測對不同尖端振動振幅下由超聲喇叭產生的空化活動進行了研究,發現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,直接影響空泡產生和潰滅的數量,會對金屬的空蝕破壞程度造成重要影響。但是,目前關于空泡產生和潰滅數量對空蝕破壞程度的影響研究大多停留在數值模擬的階段,缺少相關試驗數據的支撐。開展不同振幅下的空蝕試驗有助于研究空泡潰滅數量對空蝕破壞程度的影響,并促進對不同空泡潰滅數量下空蝕行為的認識。航空發動機燃油泵廣泛采用的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[9],對鑄鋁合金在不同振幅下的空蝕行為進行對比研究和分析；借助掃描電子顯微鏡（SEM）、三維光學表面輪廓儀等測試設備,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理,以期為鑄鋁合金機械設備在空蝕條件下的安全運行提供參考。
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1.5μm和0.5μm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的分析天平進行稱量并記錄數據。
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,由超聲波空蝕發生器、隔音箱、恒溫裝置、水槽和升降臺組成,超聲波空蝕發生器包括智能數控超聲波發生器、換能器、變幅桿和工具頭。智能數控超聲波發生器與換能器相連,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的水槽內,工具頭端面正對試樣表面。智能數控超聲波發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變為超聲頻機械振動,機械振動經變幅桿放大傳遞給工具頭端面,帶動端面在空蝕介質中高頻振動,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鍵指標,在空蝕試驗中起到很大的影響。
利用超聲振動空蝕裝置對制備好的ZL101鑄鋁合金試樣進行不同振幅（60,70,80μm）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,試樣表面浸入介質的深度為（12±4）mm。通過恒溫水浴裝置將空蝕試驗環境溫度控制在25 ℃,試驗時間為480 min。試驗后,對試樣進行清洗、烘干,并用精度為0.1 mg的天平對其稱量并記錄數據,計算試樣的質量損失量和質量損失率。
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表面輪廓儀觀察試樣的空蝕表面形貌,對試樣進行切割并通過SEM觀察空蝕的截面形貌。
2. 結果與討論
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象,含有Fe、Si元素的增強相主要存在于晶界處,而Al相主要存在于晶粒內部[9]。其中Al相為較軟的相,相對增強相其抗空蝕能力較差,會在空蝕過程中被更早破壞。
圖 2ZL101鑄鋁合金的XRD譜
Figure 2.XRD pattern of ZL101 cast aluminum alloy
2.2 質量損失量和質量損失率
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60,70,80μm振幅下的累計質量損失量分別為51.4,65.7,81.9 mg,呈現不斷增大的變化規律。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,壓力發生波動從而產生空泡。振幅是衡量振動強度的主要參數之一,隨著超聲振幅的增大,試驗環境的壓力波動也越大,空泡產生和潰滅的數量增多[12],ZL101鑄鋁合金的空蝕破壞程度逐漸加重。
圖 3ZL101鑄鋁合金在不同振幅下的空蝕質量損失量
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量損失率曲線呈現出大致相同的變化趨勢；空蝕試驗初期,質量損失率快速上升,并很快達到最大值而趨于穩定,之后呈現出略微減小的趨勢。ZL101鑄鋁合金空蝕過程不同階段的質量損失率均隨著振幅的增大而增大,說明振幅的增大增強了空蝕的破壞程度。當振幅為60μm時,在0～120 min階段內ZL101鑄鋁合金試樣的質量損失率逐漸增大,是質量損失率達到最大值之前空蝕的孕育期和上升期。當振幅為70μm和80μm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度增大。當空蝕過程進行到300 min后,不同振幅下的空蝕質量損失率緩慢降低并逐漸穩定。
圖 4ZL101鑄鋁合金在不同振幅下的空蝕質量損失率
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部,導致材料表層剝落并呈現出較粗糙的表面。空蝕過程中會有相選擇行為,機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元素的增強相主要存在于晶界處,硬度較低的Al相主要分布在晶粒內部[9]。因此,在液體空泡的反復沖擊和潰滅作用下,ZL101鑄鋁合金晶粒內部較軟的Al相優先被空蝕破壞,相鄰晶粒內部被損傷后,晶粒邊界對空蝕的抵抗能力變弱,隨即晶粒邊界也被破壞產生小的空蝕坑。空蝕坑的形成會誘導更多的空泡聚集,加劇空蝕坑擴大的趨勢。在沖擊波和微射流的共同作用下,空蝕坑尺寸不斷擴大,同時相鄰的空蝕坑連接到一起,進而產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 5ZL101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后材料表面產生了尺寸達幾十μm的空蝕坑,并且蝕坑尺寸和深度隨振幅增大出現增大的趨勢。原因是振幅的增大會增加空泡產生和潰滅的數量,材料表面的空泡密度增大,受到更嚴重的沖擊波和微射流破壞,加快空蝕坑尺寸擴大和深度增大的發展過程。由圖5還可見,空蝕表面出現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,出現了內壁光滑的空蝕凹坑,同時產生微裂紋并向鋁合金內部擴展,裂紋不斷發展并相互連接,使金屬材料承受不住空化泡沖擊的作用,造成材料的剝落。部分內壁光滑的空蝕坑呈波浪狀形貌,表現出“坑涌”特征,表明受到多次空蝕沖擊的作用[8]。空蝕表面在承受微射流的沖擊時產生新的裂紋,從而使空蝕損傷過程連續不斷進行。
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重,出現了明顯的蜂窩狀空蝕形貌和裂紋擴展現象,部分區域表層脫落產生了較深的蝕坑。可見,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,這種現象對材料的破壞十分嚴重。
圖 6ZL101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生大量空蝕坑；空蝕480 min后,原始表面被完全破壞,在60,70,80μm振幅下,表面粗糙度分別為48.2,50.0,68.4μm,孔洞深度分別達322.7,381.9,389.0μm,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 7ZL101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60,70,80μm振幅下深度分別達到293.8,331.3,525.0μm。由于ZL101鑄鋁合金的開裂韌性較低,微裂紋擴展的阻力較小,當空蝕時間達480 min時,蝕坑內可以發現很多以一定角度向深度發展的裂紋,裂紋的發展和交叉導致材料脫落。由圖8（d）可以發現,即將發生剝離的顆粒尺寸可達十幾μm,顆粒脫落后在空泡潰滅產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沖擊作用。圖8（f）所示空蝕坑內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生脫落,形成新的蝕坑形貌。由于蝕坑內更容易產生空化泡的聚集,已經產生的空蝕坑內部會產生更大的應力集中,容易形成更多的微裂紋,并加速裂紋擴展,形成如圖8（d）～（f）所示較為明顯的裂紋。此過程循環反復進行,導致空蝕損傷不斷向空蝕坑的內部深處發展,最終形成深度達幾百μm的空蝕坑。
圖 8ZL101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
超聲波強度直接影響空化效應,當空化閾值未達到飽和時,空化強度會隨著超聲波強度的增大而增大；空化閾值達到飽和后繼續增大超聲波強度則會產生大量無用氣泡,從而增加散射衰減,阻礙空化強度的繼續增大。聲壓是介質壓強的變化量,聲壓越大,壓力波動越大,空化程度越強。不同振幅下空蝕試驗的超聲波強度（I）和最大聲壓（F）可由式（1）和（2）計算。
式中：η為功效系數,一般取0.5；P為功率；S為超聲探頭面積；ρ為空蝕試驗介質密度；c為超聲波在介質中的速度。
經計算,當振幅分別為60,70,80μm時,超聲波強度分別為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增大的趨勢。在25 ℃環境中,當振幅為60～80μm時,振幅的增大導致超聲波強度和最大聲壓增大,介質中的壓力波動變大,空泡潰滅增多,ZL101鑄鋁合金受到的空蝕破壞加劇,空蝕質量損失量增大,蝕坑深度增大。
3. 結論
（1）在超聲空蝕條件下,當振幅分別為60,70,80μm時,ZL101鑄鋁合金在去離子水中的空蝕質量損失量、蝕坑深度和表面粗糙度均隨著振幅的增大而增大,振幅增大導致試驗環境的壓力波動增大,空泡產生和潰滅的數量增多,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沖擊和潰滅作用下發生了明顯的塑性變形和脆性斷裂,晶粒內部較軟的Al相率先被空蝕破壞,相鄰晶粒內部被損傷后,晶粒邊界對空蝕的抵抗能力變弱隨之被破壞,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）蝕坑內更容易產生空化氣泡的聚集,受到更大的應力集中,產生微裂紋并加速裂紋擴展,使空蝕損傷不斷向空蝕坑的內部深處發展。振幅的增大導致超聲波強度和最大聲壓增大,加劇了空蝕破壞,材料脫落更迅速。
文章來源——材料與測試網