梯度陶瓷喷嘴的设计理论及其应用研究

论文摘要

本文根据陶瓷喷嘴冲蚀磨损特性和梯度功能材料的优异性能，基于梯度功能的技术思想，首次将梯度功能材料的概念引入陶瓷喷嘴的设计及制造，提出梯度陶瓷喷嘴的设计理论和方法，研制开发出具有高性能、长寿命的SiC／（W，Ti）C梯度陶瓷喷嘴，并探索其冲蚀磨损机理。 对喷嘴内磨料速度场和应力场进行了分析，揭示了喷嘴冲蚀磨损的力学机理。结合陶瓷喷嘴的冲蚀磨损特点和应力状态，提出梯度陶瓷喷嘴的设计理论和方法。建立了梯度陶瓷喷嘴的物理模型、组成分布模型及物性参数模型。 提出了梯度陶瓷喷嘴材料设计目标，通过对梯度陶瓷喷嘴材料的物理化学相容性分析计算，确定了SiC／（W，Ti）C材料体系及其各组分的极限体积含量。建立了梯度陶瓷喷嘴残余应力分析模型，采用热-应力耦合方法深入分析了GN-1单向梯度陶瓷喷嘴和GN-2对称梯度陶瓷喷嘴的残余应力及其分布规律。结果表明：GN-1和GN-2梯度陶瓷喷嘴入口或出口处均产生了残余压应力。通过理论分析初步确定SiC／（W，Ti）C梯度陶瓷喷嘴最佳组成分布指数范围为0.5～1，最佳梯度层厚5mm，各梯度层SiC组分差应小于5Vol.％。 对不同结构的梯度陶瓷喷嘴内的磨料运动及应力分布规律进行了研究。得出梯度陶瓷喷嘴最佳入口锥角为15°～20°，该入口锥角范围的梯度陶瓷喷嘴的磨料出口速度最高，且喷嘴应力最小。 研制成功了多种SiC／（W，Ti）C梯度陶瓷喷嘴材料，试验确定了SiC／（W，Ti）C梯度陶瓷喷嘴材料的最佳热压工艺参数为：烧结温度1900℃，保温时间40min，烧结压力30MPa；最佳组成分布指数范围为0.5～0.8，各梯度层最佳SiC组分差为2Vol.％，试验结果与理论分析结果吻合。 全面系统研究了梯度与非梯度陶瓷喷嘴材料的力学性能，梯度陶瓷喷嘴材料的力学性能随梯度层不同而异，其变化规律为梯度陶瓷喷嘴材料表层的硬度和断

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究目的与意义
• 1.2 课题背景及国内外研究现状
• 1.2.1 喷嘴材料的研究
• 1.2.2 喷嘴结构的研究
• 1.2.3 喷嘴的冲蚀磨损研究
• 1.2.4 梯度功能材料的研究
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 1.3.1 存在问题及课题的提出
• 1.3.2 课题主要研究内容
• 第2章 梯度陶瓷喷嘴的设计理论
• 2.1 磨料流运动分析
• 2.1.1 磨料射流运动分析
• 2.1.2 喷嘴内磨料运动分析
• 2.2 喷嘴应力分析
• 2.2.1 接触应力分析
• 2.2.2 磨料对喷嘴入口的冲蚀应力
• 2.2.3 磨料对喷嘴中段的冲蚀应力
• 2.2.4 磨料对喷嘴出口的冲蚀应力
• 2.3 梯度陶瓷喷嘴设计思想
• 2.4 梯度陶瓷喷嘴设计模型
• 2.4.1 梯度陶瓷喷嘴物理模型
• 2.4.2 梯度陶瓷喷嘴组成分布模型
• 2.4.3 梯度陶瓷喷嘴物性参数模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 梯度陶瓷喷嘴材料的设计
• 3.1 梯度陶瓷喷嘴材料体系设计
• 3.1.1 化学相容性分析计算
• 3.1.2 物理相容性分析
• 3.1.3 SiC／（W,Ti）C材料体系中SiC的上、下限体积确定
• 3.1.4 SiC／（W,Ti）C材料体系物性参数的确定
• 3.2 梯度陶瓷喷嘴材料设计目标及建模
• 3.2.1 梯度陶瓷喷嘴材料设计目标
• 3.2.2 梯度陶瓷喷嘴残余应力分析模型的建立
• 3.3 组成分布与梯度陶瓷喷嘴残余应力的关系
• 3.3.1 组成分布指数p=0.5时的梯度陶瓷喷嘴残余应力
• 3.3.2 不同组成分布指数下梯度陶瓷喷嘴入口残余应力
• 3.3.3 不同组成分布指数下梯度陶瓷喷嘴Von Mises等效残余应力
• 3.4 梯度层厚与梯度陶瓷喷嘴残余应力的关系
• 3.5 梯度层组分差与梯度陶瓷喷嘴残余应力的关系
• 3.6 烧结温度与梯度陶瓷喷嘴残余应力的关系
• 3.7 本章小结
• 第4章 梯度陶瓷喷嘴内磨料运动及应力分析
• 4.1 梯度陶瓷喷嘴内磨料运动分析
• 4.1.1 通孔梯度陶瓷喷嘴内磨料运动分析
• 4.1.2 锥孔梯度陶瓷喷嘴内磨料运动分析
• 4.2 梯度陶瓷喷嘴应力分析
• 4.2.1 通孔梯度陶瓷喷嘴应力分析
• 4.2.2 锥孔梯度陶瓷喷嘴应力分析
• 4.3 梯度陶瓷喷嘴内磨料运动及应力分布规律
• 4.4 本章小结
• 第5章 梯度陶瓷喷嘴材料的制备、物理力学性能及显微结构
• 5.1 梯度陶瓷喷嘴材料的原料处理
• 5.2 梯度陶瓷喷嘴材料的制备工艺
• 5.3 梯度陶瓷喷嘴材料的性能测试
• 5.3.1 体积密度的测定
• 5.3.2 维氏硬度的测定
• 5.3.3 抗弯强度的测定
• 5.3.4 断裂韧性的测定
• 5.4 SiC／（W,Ti）C梯度陶瓷喷嘴材料的研制及物理力学性能
• 5.4.1 组成分布对物理力学性能的影响
• 5.4.2 烧结温度对物理力学性能的影响
• 5.4.3 保温时间对物理力学性能的影响
• 5.5 梯度陶瓷喷嘴材料的显微结构
• 5.5.1 横剖面显微结构
• 5.5.2 试样断口分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 梯度陶瓷喷嘴冲蚀磨损机理研究
• 6.1 试验方法
• 6.1.1 试验工作原理及试验条件
• 6.1.2 冲蚀磨损的检测
• 6.2 试验结果与分析
• 6.2.1 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的重量损失
• 6.2.2 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的内径变化
• 6.2.3 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的内孔轮廓变化
• 6.2.4 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的体积冲蚀磨损率
• 6.3 梯度陶瓷喷嘴冲蚀磨损机理
• 6.3.1 梯度与非梯度陶瓷喷嘴的应力状态
• 6.3.2 梯度与非梯度陶瓷喷嘴冲蚀磨损的宏观特征
• 6.3.3 梯度与非梯度陶瓷喷嘴冲蚀磨损的微观特征
• 6.3.4 梯度陶瓷喷嘴冲蚀磨损机理
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文、专利及参加的课题
• 致谢