空化冲蚀

目录

  • 插图
    • 图 1. 镍 270 的空化冲蚀
    • 图 2a. 带可更换端头的液体处理变幅杆
    • 图 2b. 可更换端头
    • 图 3. 无氮化钛涂层与有氮化钛涂层的 Ti-6Al-4V 的空化冲蚀
    • 图 4. 无氮化钛涂层与有氮化钛涂层的 Ti-6Al-4V 的空化冲蚀速率
    • 图 A1. ASTM-G32 空化冲蚀试验装置
    • 图 A2. ASTM-G32 空化试样端头尺寸
    • 图 A3. 空化冲蚀的各个阶段
    • 图 A4. 氮化硅的空化冲蚀
    • 图 B1. 喷丸对 321 不锈钢(SS)和纯铁(Fe)表面硬度的影响
    • 图 B1a. 疲劳强度对空化冲蚀抗力的影响
    • 图 B2. 晶粒尺寸和硬度对空化抗力(Re)的影响
    • 图 C1. 各种金属的空化冲蚀速率
  • 表格
    • 表 1. 银与钛的硬度比较
    • 表 C1. 各种材料的空化冲蚀速率
    • 表 C2. 铝青铜在淡水中的空化冲蚀速率

概述

当材料暴露于发生空化的流体中时,就会发生空化冲蚀。空化气泡的溃灭会产生强烈的冲击波和微射流,进而造成高度局部化的表面应力。气泡反复溃灭带来的这种载荷反复作用,会引起局部表面疲劳失效,随后材料碎块脱落或剥落。(Brennen,第 3.6 节,第 91 页)

图 1 展示了空化冲蚀的典型发展过程(引自 Young,第 15 页;25 kHz,44.5 微米,24 °C 水)。与典型情况一样,冲蚀在边缘处最为强烈。Zhao[1](第 4 页)指出,这是因为边缘处的气泡比中心处的气泡更容易破裂。

镍的超声空化冲蚀
图 1. 镍 270 的空化冲蚀
Young,第 15 页)

在超声应用中,常常由超声变幅杆有意产生空化,以便观察其对工艺过程的影响(例如超声均质化)。然而,这种空化会逐渐从变幅杆端面上去除材料。这会引发几个问题。

  • 随着端头变短,系统的频率会升高,直到电源无法再启动变幅杆。
  • 随着变幅杆端面被冲蚀出凹坑,其产生的空化减少,从而影响工艺过程。
  • 被冲蚀下来的材料可能污染工艺过程。

这些问题可以通过以下四种方法的组合来缓解 —

  • 使用具有更高空化冲蚀抗力的变幅杆材料。
  • 使用具有更高空化冲蚀抗力的涂层。
  • 改善变幅杆的表面质量。
  • 使用带可更换端头的变幅杆。

测试方法

超声空化冲蚀的测试方法由 ASTM 空化冲蚀规范 G32-10 规定。附录 A 给出了简要概述。

材料

金属

在涉及空化的应用中,(通常是 Ti-6Al-4V)往往是默认的谐振器材料。它具有可以接受(但并不出众)的空化冲蚀抗力,并且对许多液体也相对惰性。各种也有使用。(各种材料的空化冲蚀数据见附录 C。)

弹性体

弹性体不适合作为谐振器材料。不过,它们可用于阻止超声能量的传递,或用于减少空化冲蚀(主要是静止表面的空化冲蚀)。Knapp[1](第 370 页)指出,这些材料在相对较低强度的空化下可能表现出"完全没有空化损伤"。Light[1](第 45 页)发现,在 20 kHz、50 微米峰峰值振动下,硫化的三元乙丙橡胶(EPDM)板材的冲蚀抗力约为 316L 不锈钢的三倍。(注:未硫化的涂漆 EPDM 表现很差。)

可更换端头

空化冲蚀使性能下降后,更换整个实体变幅杆的成本会很高。作为替代,对于在 20 kHz 下端面直径小于约 Ø25 mm 的变幅杆,可以使用可更换端头(有一定限制)。

带可更换端头的超声液体处理变幅杆 *
图 2a. 带可更换端头的液体处理变幅杆
超声液体处理变幅杆的可更换端头 *
图 2b. 可更换端头

涂层

已使用各种涂层来改善空化冲蚀性能(以钛作为参照)。这些涂层可以施加在端头上,也可以在以下场合使用:必须保留变幅杆基体材料(如钛)的场合、变幅杆端面面积太小或太大而无法安装可更换端头的场合,或者端面形状不规则的场合。涂层可按厚度分类:薄涂层或厚涂层;也可按延展性或脆性分类。

更多详细信息见 Zakrzewska[1](第 27 - 30 页)。

薄涂层

如果超声振动引起的惯性力相对较低,则可将涂层视为薄涂层。此时附着力不必很高。这类涂层包括铬和氮化钛。

硬铬

在其清洗槽换能器专利中,DeCastro[1](第 2 栏,第 25 行)断言,与 316L 不锈钢基体金属相比,2 mil(0.05 mm)的硬铬可将空化冲蚀降低 10 倍。DeCastro 将此归因于铬更高的硬度(60 Rc 对 25 Rc),尽管肯定还涉及其他因素。(DeCastro 既未说明试验程序,也未提供任何支持数据。另请注意,Bregliozzi 发现不锈钢的空化冲蚀高度依赖于材料的晶粒尺寸。)

氮化钛

由于硬度高且附着性好,氮化钛长期以来一直被用于减少空化冲蚀。不过,该工艺不能随意应用。Kaspar[1] 研究了在氮-氩气氛中以不同氮气百分比在 Ti-6Al-4V 上激光沉积氮化钛。空化试验按照 ASTM G32-92 在 25°C 的去离子水中进行。空化由 20 kHz 的纵向振荡激发,振幅为 40 微米峰峰值,振动端头与静止试样之间的间距为 0.50 mm。图 5 和图 6 给出了结果。将氮气气氛提高到约 13%(显微硬度约 550)可持续降低空化冲蚀。在该水平下,冲蚀速率约为供货态钛的 1/3。然而,进一步提高氮气含量和硬度并不能进一步降低空化冲蚀。

曲线图 - 无氮化钛涂层与有氮化钛涂层的 Ti-6Al-4V 的空化冲蚀
图 3. 无氮化钛涂层与有氮化钛涂层的 Ti-6Al-4V 的空化冲蚀
曲线图 - 无氮化钛涂层与有氮化钛涂层的 Ti-6Al-4V 的空化冲蚀速率
图 4. 无氮化钛涂层与有氮化钛涂层的 Ti-6Al-4V 的空化冲蚀速率

Matsumura[1] 发现,即使氮化钛已被去除,由于残余应力的存在,基体材料仍具有改善的冲蚀抗力。

厚涂层

由于质量较大,厚涂层必须承受相当大的惯性力。此时涂层与基体材料之间附着力不足可能成为一个问题。如果这类涂层还是脆性的,则无法在大面积上应用(例如清洗槽),因为超声弯曲振动会导致其开裂。

蓝宝石

蓝宝石极其坚硬——莫氏硬度为 9.0,而金刚石为 10。然而,蓝宝石也非常脆。用蓝宝石抗空化冲蚀的效果似乎好坏参半。

Misonix[1](以其前身 Heat Systems 的名义)开发了一种将蓝宝石晶片粘接到实体变幅杆上的工艺。(第 8‑6 页)其文献声称,在空化应用中,蓝宝石晶片的寿命应为钛端头的 10 倍。

  1. 该蓝宝石为晶锭生长的合成材料。
  2. 晶片厚度为 1/16"。(第 4‑2 页)
  3. 晶片用剪切强度极高的环氧树脂粘接。然而,这种环氧树脂会受到空化冲蚀,并在强化学侵蚀下被浸出。由于蓝宝石是脆性的,任何可见的环氧树脂流失都会导致蓝宝石失效。
  4. 损坏或被冲蚀的晶片可在工厂更换。

一位了解 Misonix 工艺的知情人士报告 —

  1. 该蓝宝石为单晶。
  2. 该工艺最初是成功的,具有很高的冲蚀抗力。然而,在某个时候胶粘剂的配方显然发生了变化,导致了未指明的问题。
  3. 蓝宝石不能与可更换端头一起使用,因为拧紧过程中端头的变形(弯曲)会导致蓝宝石破裂。

此外,Sonics & Materials[1] 报告:"粘接蓝宝石和陶瓷端头的结果也很差。它们价格昂贵,并且会在几分钟内碎裂或脱落。"

Qsonica[1] 继承了 Misonix 的工艺。

Gunnerman 的专利 6,652,992 B1 [1] 声称,银(优选 99% 纯度)可以显著减少钛变幅杆(优选 99% 纯度但至少按重量计 85%)的超声空化冲蚀,尤其是在水性介质中。表 1 比较了银与不同钛的维氏硬度 HV。由于空化冲蚀抗力通常与硬度相关,而且 Gunnerman 未提供任何支持数据,他的冲蚀主张看来相当可疑。

表 1. 银与钛的硬度比较
材料 维氏硬度(HV)
银(纯) 25
钛(纯) 60
Ti-6Al-4V(退火态) 349
Ti-6Al-4V(STA) 396

表注 —

  1. 硬度值取自 matweb.com。
  2. 虽然 Gunnerman 指定 99% 纯钛作为优选的谐振器材料,但这种材料在实践中不太可能使用。实际应用最广泛的是 Ti-6Al-4V(退火态)。

附录 A. 材料的空化冲蚀测试

测试方法

超声空化冲蚀的测试方法由 ASTM 空化冲蚀规范 G32-10 规定。注:短横线后的数字(本例中为"10")指最后一次修订的年份。不过,之前的版本很可能大体相似。

在标准方法中,将待测材料的试样加工成端头并拧到超声变幅杆上。如果评估的是涂层,则将涂层施加在端头上。端头在液体(通常是水)中被激发振动,并测定空化速率。

也常使用另一种(非官方)方法。在这种"静止试样法"中,试样固定在静止平台上,振动的变幅杆端头置于其前方。来自变幅杆的空化随后作用于静止试样并使其冲蚀。遗憾的是,由于变幅杆-试样间隙没有标准化,各项研究的结果并不一致(ASTM G32-10,第 17 页)。

ASTM G32-10

以下是 ASTM 空化冲蚀规范 G32-10 的简要概述。完整信息请参阅该标准原文。

一般试验程序为 —

  1. 按图 A1 所示搭建试验设备。注意振幅按峰峰值规定。
  2. 按图 A2 所示加工端头。
  3. 称量端头。
  4. 将端头浸入试验液体(通常是水,蒸馏水或去离子水)中并运行规定的时间。
  5. 取出端头,干燥,并仔细称量。
  6. 重复步骤 4 和 5,直到达到终止判据。例如,当平均冲蚀速率达到最大值并开始下降时,可以终止试验。
ASTM-G32 超声空化冲蚀试验装置
图 A1. ASTM-G32 空化冲蚀试验装置

ASTM-G32 超声空化试样端头尺寸
图 A2. ASTM-G32 空化试样端头尺寸

试验表面应先经轻切削加工,然后磨削和抛光至最大表面粗糙度 0.8 μm(32 μin.),加工方式应尽量减少表面损伤或变质。试样最后用 600 号砂布精整,得到 0.1 至 0.2 μm(4 至 8 μin.)rms 的表面粗糙度。(第 5‑6 页)

结果的报告

图 A3 展示了空化试验中典型的冲蚀阶段。

曲线图 - 空化冲蚀的各个阶段
图 A3. 空化冲蚀的各个阶段

如图 A3 所示,空化冲蚀速率随时间并非常数,因此无法用单个数值完整表征,也不能由短期试验预测长期行为。ASTM G32-10(第 10 页)规定必须报告某些数值。

  1. 最大稳定冲蚀速率。这是初始孕育期之后的最大线性(或近线性)冲蚀速率,即图 A4 中"最大速率线"的斜率"B",通常以 μm/小时表示。
  2. 名义孕育时间。这是最大冲蚀速率线在时间轴上的截距(图 A4 中的数值"A")。

某些研究可能不符合 ASTM G32-10,此时可能报告其他结果。(在 ASTM G32-10 下这些可能是可选项。)

  1. 达到选定平均冲蚀深度(MDE)所需的时间
  2. 选定暴露时间后的平均冲蚀深度(MDE)。然而,正如 ASTM G32-10 所指出的,"由于累积冲蚀-时间曲线的形状,在相同累积暴露时间后比较不同材料的质量损失或 MDE 是没有意义的。(原因是,对于抗蚀性很强的材料,所选时间可能仍处于孕育期或加速阶段,而对于脆弱的材料,同样的时间可能已处于最大速率阶段或减速阶段。)"
  3. 终止冲蚀速率。如果试验持续足够长的时间,这就是图 A4 中的斜率"C"。

结果的解读

当试验按照 ASTM G32-10 进行时,对于完全相同的材料,结果具有合理的可重复性。然而,名义上相同(宏观意义上)的材料在空化冲蚀下的实际表现可能差异很大。这可能是由于加工差异、晶粒尺寸不同等原因。Garcia[1](第 216 页)指出:"本实验室的经验是,取自不同炉次的所谓相同材料,其相关力学性能的差异可高达 50%。"

例如,图 A1 展示了在相同条件下试验 120 小时后,来自不同制造商的氮化硅("A"、"B"、"C"和"D")的空化冲蚀情况(Fatjo[1],第 12 页)。在该试验中,氮化硅"C"的材料损失是氮化硅"A"的 90 倍。

氮化硅的超声空化冲蚀
图 A4. 氮化硅的空化冲蚀

在其他研究中,可能违反了 ASTM G32-10 的某些规定(例如使用不同的端头尺寸、振幅、频率等),或者采用了不同的试验终止判据。此外,也可能选用不同的空化液体,例如海水的腐蚀作用可能加速空化冲蚀。这些问题意味着不同研究者之间的结果可能难以比较。


附录 B. 与空化冲蚀相关的参数

"尽管存在一些突出的矛盾之处,但总体趋势是:至少在相对相似的材料类别内,空化抗力通常随表面硬度、抗拉强度、屈服强度、延展性、断裂应变能等力学性能的提高而增大。然而,在不同类型材料之间会出现很大的反常,例如延展性金属与高强度脆性金属之间、金属与陶瓷之间、金属与弹性体之间等。"(Knapp[1],第 374 页)带参考文献的深入讨论见 Zakrzewska[1]

硬度

硬度是与空化冲蚀抗力相关的主要材料性能。基体材料的硬度可以整体获得(例如通过整体淬硬),也可以局部获得(例如通过表面硬化或喷丸)。Zakrzewska[1](第 21 页)指出,空化抗力往往随硬度呈指数增长。

喷丸

Tomlinson[1] 在蒸馏水和 1% 盐水中对喷丸处理的 321 不锈钢(退火态)和纯铁进行了 20 kHz 空化试验。喷丸使材料加工硬化至 0.3 mm 深度(图 B1)。(选用 321 牌号不锈钢,部分原因可能是它对加工硬化响应良好。)规定的振幅为 15 μm(推测为峰峰值),水温为 50 °C。(在图 B1 中,"y"是试样表面以下的距离 [mm]。纵轴标注为"HV 0.02"。虽然 Tomlinson 未说明其含义,但它很可能指载荷为 0.1961 N 的维氏硬度标尺。参见维氏硬度计。)

曲线图 - 喷丸对 321 不锈钢(SS)和纯铁(Fe)表面硬度的影响
图 B1. 喷丸对 321 不锈钢(SS)和纯铁(Fe)
表面硬度的影响

喷丸使蒸馏水中的稳定冲蚀速率降低了 5 倍,使盐水中的稳定冲蚀速率降低了 13 倍(Tomlinson 的表 1,第 238 页)。

疲劳强度

Zakrzewska[1](第 25 页)报道的研究表明,空化抗力与疲劳强度高度相关。

图 B1a. 疲劳强度对空化抗力的影响
图 B1a. 疲劳强度对空化冲蚀抗力的影响

表面质量

当材料最初暴露于空化时,可能存在一个初始阶段,在此期间冲蚀速率与后续阶段相比可以忽略不计。如果表面经过高度抛光,这一孕育期可以延长。

晶粒尺寸

与疲劳一样,空化发生在微观尺度上。因此,两种宏观性能(如抗拉强度)几乎相同的材料,其空化冲蚀抗力可能有显著差异。Bregliozzi 关于晶粒尺寸对不锈钢 20 kHz 空化影响的研究说明了这一点。图 3 表明,在水中的空化抗力 Re 随晶粒尺寸减小和硬度提高而增大。(在图中,Re 的单位是小时/平均冲蚀穿透深度(以微米计)。pH 是水的酸碱性度量;"pH 7"为中性。)

曲线图 - 晶粒尺寸和硬度对空化抗力(Re)的影响
图 B2. 晶粒尺寸和硬度对空化抗力(Re)的影响

因此,除非精确规定材料的加工状态和微观特征,否则说材料 X 不如材料 Y 是不恰当的。(当然,这不适用于差异悬殊的材料。例如,就空化冲蚀而言,任何铝都不如任何钢。)


附录 C. 各种材料的空化冲蚀数据

以下信息仅供参考。由于损耗、疲劳、成本和/或材料可获得性等原因,所列的许多材料可能不适合用作超声变幅杆。例如,虽然许多钢的冲蚀速率低于钛,但它们的输出振幅受到内部损耗(发热)的限制。不过,通过优化轮廓以降低局部超声应力,可以改善这一发热问题。无论如何,其中一些材料仍可能适合用作可更换端头或涂层。

除特别注明外,以下数据均按照 ASTM G32-10 获得(见附录 A);具体为 —

  1. 空化流体为室温水。
  2. 振幅为 50 微米峰峰值

Knapp / Garcia

下表引自 Knapp[1](第 425 页),他改编自 Garcia[1](表 13,第 130 页;表 14,第 140 页)。

表 C1. 各种材料的空化冲蚀速率
材料 平均 MDP 速率(Mils/小时)
T-222 钽合金,退火态 0.02
T-111 钽合金 0.06
Mo-½Ti 0.09
316 SS 0.09
304 SS 0.10
Cb-1Zr 0.15
Cb-1Zr,退火态 0.18
碳钢(低碳钢) 0.23
Cu-Zn,冷加工态 0.38
Ni,冷加工态 0.44
Cu-Ni,1800°F 退火 0.47
Ni,1600°F 退火 0.48
2024-T351 铝 0.57
Ni,1100°F 退火 0.58
Cu-Ni,1300°F 退火 0.63
Cu-Zn,1400°F 退火 0.68
Cu-Ni,冷加工态 0.70
Cu-Zn,850°F 退火 0.72
6061-T651 铝 0.72
Cu,冷加工态 0.95
Cu,1500°F 退火 0.95
Cu,900°F 退火 1.02
有机玻璃(Plexiglas) 1.39
1100-0 铝 2.70

  1. 数据按照 ASTM G32-10 在 20 kHz 下获得(见附录 A)。不过,端头直径为 13.9 mm(第 33 页),而非标准的 15.9 mm。
  2. MDP = 平均穿透深度 [mils] =(体积损失)/(试样端面面积)
  3. 1 mil = 25.4 μm
  4. 单晶钨的 MDP 为 0.025 mils/小时(表 29,第 201 页)。
  5. 除水试验外,还在高温铅铋合金、汞和锂中进行了空化试验。
  6. 还测试了其他材料。

Light

下图引自 Light[1](第 40 页)。

曲线图 - 各种金属的空化冲蚀速率
图 C1. 各种金属的空化冲蚀速率
  1. 数据按照 ASTM G32-10 在 20 kHz 下获得(见附录 A)。不过,端头直径为 10.5 mm(第 65 页),而非标准的 15.9 mm。
  2. "冲蚀速率"指最大冲蚀速率,其定义为:最佳逼近 MDE(平均冲蚀深度)曲线(孕育期之后)线性(或近线性)最陡部分的直线斜率,以微米/小时表示。这就是图 A4 中"最大速率线"的斜率。
  3. 除钛以外,所有材料均采用"静止试样"法测试,即试样固定在液体容器内,振动的变幅杆端头靠近试样放置(本例中间距为 0.50 mm)。来自变幅杆的空化随后作用于静止试样并使其冲蚀。(第 27 页)
  4. 对于钛(Ti-6Al-4V,第 26 页),试样是连接在变幅杆末端的端头。由于这种方法与"静止试样"法对同一种材料可能给出不同结果,因此将钛的结果与其他结果进行比较可能并不恰当。(见 ASTM 空化冲蚀规范 G32‑10,第 3、17 页)
  5. 316L 不锈钢被用作参照材料,因为它常用于空化环境,包括涡轮叶片、阀门和管道部件。
  6. AL-6XN(UNS N08367)是一种奥氏体不锈钢,对氯化物点蚀(如海水)和其他强腐蚀环境具有很高的抗力。Knapp[1](第 351 页)指出:"空化与腐蚀相互促进是合乎逻辑的,因此由此产生的损伤往往远大于两者各自单独作用之和。"因此,与其他材料相比,这种材料(或类似材料)如果在腐蚀环境中测试,可能表现出相对更好的空化性能。
  7. Ferralium 是英格兰斯塔福德郡 Langley Alloys 公司生产的一种高强度耐腐蚀不锈钢。Zeron 100 是英格兰曼彻斯特 Weir Materials and Foundries 公司生产的类似牌号材料。
  8. NiAl 青铜(镍铝青铜——"NAB")

如果下面未指明钛的具体牌号,则推定为 Ti-6Al-4V(超声应用中最常用的牌号)。

Hielscher[1](第 6 页)报告,变幅杆在最大振幅下运行时,1000 小时内有 1 mm 被冲蚀。虽然变幅杆材料和试验振幅未明确说明,但上下文很可能表明材料是钛,振幅为 250 微米(推测为峰峰值)。(该试验未按照 ASTM G32‑10 进行。)

Elbert 的专利[1]称,"经热处理的钛被发现比普通退火钛的性能好得多。"(第 3 页,第 17 行)(Elbert 未说明"经热处理的钛"的含义,但这很可能指 STA(固溶处理并时效)状态。)事实上,Elbert 推测,用热处理钛制成的变幅杆寿命将比退火钛变幅杆高出两到三倍。(第 3 页,第 24 行)然而,鉴于 Elbert 未提供任何对比数据,而且 STA 钛仅比退火钛硬 13%(表 1),Elbert 推测的改进看来不太可能实现。

不锈钢

在对十二种不同不锈钢进行的蒸馏水 7 kHz 空化试验中,Bordeasu[1](第 5 页)发现,当铬含量与镍含量的比值约为 1.8:1 时,可获得最佳的空化冲蚀抗力。无论实际铬、镍含量如何,这一结论都成立。

Zakrzewska[1](第 27 页)报告,铁素体不锈钢比奥氏体和马氏体不锈钢更耐空化冲蚀(见其参考文献 45)。关于不锈钢的众多其他参考文献,请见 Zakrzewska。

另见图 B1a

镍铝青铜(NAB)

镍铝青铜(NAB)因其空化冲蚀抗力而常用于液体流动应用(如泵叶轮、船用螺旋桨等)(与钛和 316L 不锈钢大致相当;但请注意钛试验的注意事项)。

图 C2 展示了各种铜合金的空化速率。NAB 合金为虚线(右下方),其合金成分中含有镍。

曲线图 - 各种铝青铜的空化抗力
图 C2. 各种铝青铜的空化抗力(以 Cu 为参照)
Richardson[1],第 40 页)

Callcut[1](第 16 页)的下表表明,NAB 的耐空化性能显著优于蒙乃尔合金和不锈钢。不过,合金成分和试验条件未予说明。

表格 - 铝青铜的空化冲蚀速率
表 C2. 铝青铜在淡水中的空化冲蚀速率
Callcut[1],第 16 页)

重要 — 铜和某些铜合金的损耗相对较高。因此,NAB 可能不适合作为谐振器材料,但可能适合作为涂层。