曾明亮，高方圓，劉 仁，李 光，夏 原

(1. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所寬域飛行工程科學(xué)與應(yīng)用中心，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

0 前 言

隨著高速鐵路的建設(shè)發(fā)展,為適應(yīng)西部及北方地區(qū)的風(fēng)沙環(huán)境[1,2],對高速列車在極端惡劣環(huán)境下的服役性能提出了更為苛刻的要求。目前,動車組為了美觀及防腐要求在鋁合金表面噴涂了聚氨酯系列涂層[3,4],運行中車體表面涂層受到空氣中高速微細(xì)粒子的沖蝕會產(chǎn)生不同程度的磨損與破壞。對受微細(xì)粒子沖蝕的高鐵列車涂層開展破壞機制與評價方法的研究,可為風(fēng)沙環(huán)境下涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù),具有重要的現(xiàn)實意義及工程價值。

沖蝕磨損是復(fù)雜的碰撞接觸過程,屬于典型的非線性問題,且影響該過程的因素有很多,各種因素之間的相互作用使得單從沖蝕試驗角度難以分析其沖蝕機理。目前數(shù)值模擬技術(shù)是研究沖蝕機理的有效方法,其仿真結(jié)果作為試驗研究的有效補充,能更全面地從時間和空間上獲得沖蝕過程的物理信息,有利于進一步揭示沖蝕機理。針對涂層的抗沖蝕磨損研究,目前公開發(fā)表的文獻多集中在通過單個粒子或多粒子對整體靶材的沖蝕來分析其沖蝕參數(shù)如粒子速度[5-7]、入射角度[8-10]及粒子粒徑[11,12]等對沖蝕磨損率的影響,進而來分析材料的抗沖蝕性能。此外,現(xiàn)有研究為了保守計算將沖蝕粒子簡化為球形[13-15],而實際過程中的粒子形狀多為不規(guī)則顆粒,忽略了沖蝕粒子的形狀對沖蝕磨損率的重要影響[16-20],同時關(guān)于多層涂層的沖蝕研究也較少。

ANSYS/LS-DYNA是目前國際公認(rèn)的最著名的通用顯式動力分析有限元軟件,其對各類非線性高速碰撞、爆炸等動態(tài)沖擊內(nèi)容的分析十分契合。本工作通過顯式動力學(xué)分析軟件LS-DYNA建立高速微細(xì)粒子沖蝕模型,考慮粒子形狀以及粒子分布的影響,通過模擬與試驗相結(jié)合的方法,研究微細(xì)粒子在不同沖蝕參數(shù)下對涂層沖蝕磨損率的影響規(guī)律,綜合分析其沖蝕磨損特性與破壞機制。

1 試 驗

1.1 材料及方法

本試驗選用鋁合金為基體,制備尺寸為25 mm×25 mm×5 mm的試樣。對基體表面進行噴砂處理后,采用噴涂技術(shù)在試樣表面制備了聚氨酯涂層,其結(jié)構(gòu)為表層聚氨酯、中間聚酯膩子及底漆環(huán)氧樹脂3層構(gòu)成。微細(xì)粒子沖蝕試驗采用氣流噴砂式?jīng)_蝕試驗機,該試驗機主要由壓縮空氣供給系統(tǒng)、磨粒供給系統(tǒng)、測試室及除塵裝置組成,其工作原理圖如圖1所示。

圖1 噴砂式?jīng)_蝕試驗機原理示意圖Fig. 1 The principle diagram of erosion experiment machine

基于現(xiàn)有高鐵列車車速在200～300 km/h范圍內(nèi),普遍運行速度在250 km/h左右(約70 m/s),列車車頭部位其正面迎風(fēng)角為90°,固體粒子取自內(nèi)蒙古中西部地區(qū)乃至北方地區(qū)沙塵天氣的主要沙源之一的內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原北部的庫布其沙漠[21],涂層受沖蝕粒子粒徑在74～250 μm之間,平均粒徑在100 μm左右。沖蝕試驗前對沖蝕試驗機的供料速度進行校準(zhǔn)及測量,確定其供料速度為0.76 g/min。通過調(diào)節(jié)沖蝕試驗時間控制入射粒子質(zhì)量,調(diào)節(jié)噴射氣流氣壓控制入射粒子速度,更換試樣托架控制入射角度,更換篩網(wǎng)尺寸來控制粒徑大小。采用控制變量方法研究不同沖蝕參數(shù)對沖蝕磨損率的影響,其詳細(xì)沖蝕磨損試驗條件見表1。

表1 沖蝕試驗設(shè)計方案

為確定材料的沖蝕磨損率,首先采用 Li-3 表面輪廓測量儀測量涂層沖蝕后的沖蝕坑輪廓及粗糙度,采用 Origin 軟件對沖蝕坑輪廓曲線進行積分處理,得出單位時間內(nèi)試樣的體積損失量,采用 FA1604 型精密天平測量沖蝕試驗機供料速度,得出單位時間內(nèi)沖蝕粒子的質(zhì)量,定義單位質(zhì)量粒子入射導(dǎo)致的涂層體積磨損量為涂層的沖蝕磨損率,具體計算公式如下式:

(1)

式中:Ev為涂層的沖蝕磨損率(mm3/g),ΔV為單位時間內(nèi)試樣的移除體積,Mp為單位時間內(nèi)沖蝕顆粒質(zhì)量。

1.2 有限元建模分析

實際沖蝕過程極其復(fù)雜,難以建立與其完全一致的模型,不同的粒子形狀、大小、沖蝕角度、速度等都會對沖蝕結(jié)果造成較大的影響。因此結(jié)合實際的沖蝕環(huán)境,進行如下假設(shè):

(1)考慮沖蝕粒子成分主要為SiO2,可視為剛體,形狀為不規(guī)則體;

(2)忽略沖蝕粒子之間的接觸與相互作用[22];

(3)忽略了涂層制備產(chǎn)生的空隙等內(nèi)部缺陷以及殘余應(yīng)力。

基于上述假設(shè),為在有限元計算中實現(xiàn)表層聚氨酯涂層在粒子沖蝕后的材料磨損,即單元移除,有2種方法:(1)使用自帶材料失效準(zhǔn)則的材料模型,如韌性材料Johnson-Cook 模型和脆性材料Johnson-Holmquist模型;(2)自定義材料失效準(zhǔn)則,如使用關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION。基于聚氨酯材料的特點,本工作采用的是第2種方法?？紤]等效塑性應(yīng)變累積效應(yīng),對靶體材料進行簡化,其材料參數(shù)如表2所示。通過對聚氨酯涂層及石英砂顆粒形貌的觀察,取涂層模型的分析面積為2 000 μm×2 000 μm,沿厚度方向依次為聚氨酯150 μm、聚酯膩子250 μm、環(huán)氧樹脂200 μm,粒子模型為100 μm×100 μm×100 μm立方體切割而成的不規(guī)則體,其粒徑在100 μm左右,分析單元均采用8節(jié)點縮減積分顯式實體單元solid164。為確保獲得的結(jié)果與實際情況更接近,粒子分布采用Matlab隨機生成,涂層內(nèi)部接觸類型采用面面綁定接觸,涂層與粒子之間的接觸采用面面侵蝕接觸[23],確保在表層單元移除的情況下涂層與粒子之間的接觸關(guān)系仍然存在,模型全部單元為191 669個,涂層及粒子的形貌與幾何模型見圖2。

表2 材料參數(shù)

圖2 涂層與粒子的形貌及幾何模型Fig. 2 Morphology and finite element model of coating and particle

2 結(jié)果與分析

2.1 粒子沖蝕過程分析

模擬分析粒子粒徑為100 μm,初始速度為70 m/s,入射角度為90°時的沖蝕磨損情況,考慮單個沖蝕物顆粒對靶材的沖擊不足以完整準(zhǔn)確地給出計算沖蝕率所需的數(shù)據(jù)[24],建立多固體顆粒對靶材的沖蝕有限元模型來分析材料的沖蝕磨損行為,其中共有100個入射粒子,分為10組入射,每層粒子同時沖擊涂層,各組粒子沖擊涂層的時間間隔為1.62 μs左右。隨著入射粒子的增加,等效塑性應(yīng)變逐漸累積,當(dāng)涂層單元的等效塑性應(yīng)變值達到材料失效的塑性應(yīng)變極限時,涂層單元被移除,隨著粒子沖蝕的進行移除單元數(shù)據(jù)逐漸增加,形成最終的沖蝕磨損體積,其等效塑性應(yīng)變云圖與演變規(guī)律如圖3、圖4所示。

圖3 聚氨酯涂層沖蝕后的等效塑性應(yīng)變云圖(第1,3,5,7,9,10組)Fig. 3 Equivalent plastic strain cloud of coating surface

圖4 涂層等效塑性應(yīng)變隨多組粒子沖蝕的變化曲線(第1組～第10組)Fig. 4 Variation curve of coating equivalent plastic strain with multiple particle erosion(group 1～10)

圖3為聚氨酯涂層在各組粒子沖蝕后的等效塑性應(yīng)變云圖,可以看出,隨著粒子入射,聚氨酯涂層的塑性應(yīng)變最大值逐漸升高。各組粒子入射后涂層等效塑性應(yīng)變最大值如圖4所示, 聚氨酯單元的開始移除發(fā)生在第6組,其最大等效塑性應(yīng)變與模型建立時材料參數(shù)設(shè)置塑性極限為0.15相符,統(tǒng)計移除單元數(shù)目,其涂層沖蝕磨損率計算結(jié)果為Ev=0.54 mm3/g;圖5為聚氨酯涂層在方案1下沖蝕磨損體積隨粒子質(zhì)量變化曲線圖,可以看出當(dāng)粒子質(zhì)量超過0.51 g時,其沖蝕磨損體積急劇上升。主要原因是當(dāng)粒子質(zhì)量超過0.51 g時聚氨酯表層已被完全沖破,露出聚酯膩子層,此后的沖蝕主要為聚酯膩子的沖蝕,而聚酯膩子的抗沖蝕能力遠(yuǎn)小于聚氨酯表層,故沖蝕磨損體積會出現(xiàn)急劇上升,沖蝕磨損試驗測定的沖蝕磨損率為Ev=0.50 mm3/g。有限元沖蝕模擬預(yù)測值與試驗測試值的誤差為7%,表明該模型建立與計算方法具有較高的有效性。

圖5 沖蝕磨損體積隨粒子質(zhì)量的變化曲線Fig. 5 The erosion wear volume changed with the mass of impacting particles

2.2 粒子沖蝕速度的影響

沖蝕粒子速度的變化與靶材的沖蝕磨損率具有直接關(guān)系,同樣在沖蝕有限元模擬計算中粒子速度的變化會直接導(dǎo)致涂層的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)及涂層單元的沖蝕磨損變化。粒子入射角度為90°,粒徑為100 μm,粒子速度取50、60、70、80、90、100 m/s,其沖蝕模擬結(jié)果如圖6所示。大量試驗驗證分析表明,沖蝕磨損率Ev與速度v存在如下冪函數(shù)關(guān)系:

圖6 沖蝕磨損率隨粒子速度的變化曲線Fig. 6 The curve of erosion rate changed with particle velocity

Ev∝vn

(2)

式中,n為速度指數(shù)。有文獻表明[25],指數(shù)n的取值在2.0～2.7范圍內(nèi),對不同粒子速度下的沖蝕磨損率進行乘冪擬合有:Ev=4.46×10-5·v2.27,其速度指數(shù)為2.27,與文獻的報道相符合,且由上述試驗方案2所進行的沖蝕試驗,其擬合結(jié)果為:Ev=3.40×10-5·v2.27,得到的速度指數(shù)同樣為2.27,模擬與試驗結(jié)果相吻合。粒子速度小于70 m/s 時沖蝕磨損率增長緩慢,在粒子速度大于70 m/s時沖蝕磨損率增長迅速,特別地粒子速度從70 m/s 變?yōu)?0 m/s 時沖蝕磨損率劇烈增長,增幅達到87%。同時通過對比不同粒子速度下沖蝕的表面形貌圖(圖7)可以看出,隨著粒子速度的增加,涂層表面粗糙化程度逐漸增加,在粒子速度低于70 m/s 時涂層表面依然存在小塊完整平面,當(dāng)粒子速度增加到80 m/s時表面材料顆粒破碎程度顯著增大,粒子速度達到100 m/s時涂層表面幾乎無法找到完整平面,只有破碎的材料顆粒。

圖7 聚氨酯涂層不同粒子速度沖蝕表面形貌Fig. 7 The surface morphology of polyurethane coating after different velocity erosion

2.3 粒子粒徑的影響

為研究粒子粒徑對涂層沖蝕過程的影響,圖8為粒子速度為70 m/s,入射角度為90°,粒徑取70、100、150、210 μm下的涂層沖蝕模擬結(jié)果。在沖蝕角度、速度一定的情況下,涂層沖蝕磨損率隨著粒子粒徑的增大而呈現(xiàn)增長趨勢,且當(dāng)粒子粒徑增大到一定范圍(粒徑大于 150 μm)時涂層沖蝕磨損率逐漸趨于穩(wěn)定,這與Tilly[26]和Yerramareddy等[27]的研究結(jié)果一致;且由不同粒徑粒子沖蝕后的表面形貌圖(圖9)可以發(fā)現(xiàn),粒子粒徑較小時其入射造成的表面材料破碎脫落尺寸較小,而大粒徑的粒子入射能導(dǎo)致大塊破碎物脫落,表明聚氨酯涂層在不同粒徑的垂直入射下均表現(xiàn)出脆性材料破碎脫落的沖蝕磨損機制。

圖8 不同粒子粒徑?jīng)_蝕模擬計算結(jié)果Fig. 8 The FEM results of different particle diameter erosion

圖9 聚氨酯涂層不同粒徑粒子沖蝕表面形貌Fig. 9 The surface morphology of polyurethane coating after different diameter particles erosion

2.4 粒子入射角度的影響

在沖蝕有限元模擬計算中,粒子入射角度的變化會直接導(dǎo)致涂層的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),以及涂層單元的沖蝕磨損變化。圖10為粒徑100 μm,粒子速度70 m/s,入射角度取15°、30°、45°、60°、75°、90°下的涂層沖蝕磨損模擬結(jié)果,分析可知涂層的沖蝕磨損率在低角度入射時達到峰值,Desale等[28]指出這一最大沖蝕角是材料本身的特性,與沖蝕物的性質(zhì)無關(guān)。在入射角度為 15°時涂層沖蝕磨損率達到最大值0.94 mm3/g,隨著入射角度的增大,沖蝕磨損率逐漸降低最后趨于穩(wěn)定,在入射角度為90°時,涂層沖蝕磨損率達到最小值0.54 mm3/g,Acierno等[29]研究不同沖擊角度對熱塑性聚氨酯彈性涂層的影響,給出了相同的結(jié)論。

圖10 不同入射角度沖蝕模擬計算結(jié)果Fig. 10 The FEM results of different impacting angle erosion

同時結(jié)合不同粒子入射角度時的沖蝕形貌圖(圖11)可以看出,粒子入射角度為15°時,由于粒子硬度遠(yuǎn)高于涂層硬度,粒子入射在涂層表面造成劃擦與切削帶走材料,使得涂層微切削形成沖蝕坑從而產(chǎn)生沖蝕磨損;入射角度為90°時,粒子入射造成聚氨酯表面材料變形,變形達到臨界值時產(chǎn)生微細(xì)裂紋,隨著粒子的持續(xù)入射裂紋交錯擴展導(dǎo)致表面材料破碎脫落,從而形成沖蝕磨損。綜合分析可得聚氨酯涂層在粒子低角度沖蝕情形下表現(xiàn)出韌性材料微切削沖蝕磨損機制,在粒子高角度沖蝕情形下表現(xiàn)出脆性材料破碎脫落沖蝕磨損機制。

圖11 聚氨酯涂層不同角度下的沖蝕表面形貌Fig. 11 Surface morphology of polyurethane coating with different angles of erosion

3 討 論

基于以上的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果,可以得到聚氨酯涂層隨著粒子入射角度的不同表現(xiàn)出不同的沖蝕磨損機制,下面就不同沖蝕磨損模式下的材料損失進行分析,其對材料的抗磨損設(shè)計有著重要意義。

對于韌性材料,在固體粒子沖擊作用下的材料損失是由沖擊粒子對靶材的切削、成屑作用以及累積的塑性變形造成的,或是循環(huán)載荷下的疲勞磨損效應(yīng)。靶材受粒子沖擊時,沖擊粒子的動能轉(zhuǎn)化為靶材的變形能和切削能。當(dāng)韌性材料受粒子法向沖擊時,其沖擊能量主要轉(zhuǎn)化為靶材的內(nèi)能,韌性靶材隨之發(fā)生較為明顯的塑性變形,而材料的損失相對較小。在斜角沖擊時,多數(shù)韌性材料的磨屑是其沖擊時的過大剪切力造成的,屬于剪切失效行為,材料表現(xiàn)出最大的沖蝕率;脆性材料在沖蝕粒子沖擊作用下幾乎不發(fā)生塑性變形,在沖蝕粒子的反復(fù)沖擊下,應(yīng)力超過材料強度,固體粒子與靶材表面進行能量交換,動能轉(zhuǎn)化為材料形變并引起材料表面或內(nèi)部裂紋的萌生、擴展和交結(jié)而導(dǎo)致材料的脫落,從而造成材料損失,而材料的破壞與粒子初始動能的法向分量有關(guān)[25],因此脆性材料在垂直沖擊下表現(xiàn)出最大沖蝕率,模擬與試驗結(jié)果也與之對應(yīng)。

綜上,分別從韌性和脆性角度深入討論了材料的沖蝕磨損機制,在絕大多數(shù)情況下低沖蝕角下脆性材料耐沖蝕,高沖蝕角下韌性材料耐沖蝕。因此就高速列車的涂層設(shè)計而言,在考慮提升涂層的力學(xué)性能的同時,也應(yīng)合理安排列車車體表面不同位置處的涂層配置。

目前關(guān)于聚氨酯涂層的耐沖蝕研究多是集中在單一因素對沖蝕磨損率的影響,而聚氨酯涂層的沖蝕磨損過程是受多種因素的耦合作用,對于沖蝕參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性與聚氨酯涂層自身性能的相關(guān)性研究較少,后續(xù)研究將集中在以下方面:

(1)從機理到現(xiàn)象:反應(yīng)到材料屬性上體現(xiàn)為材料的硬度、彈性模量、屈服應(yīng)力/應(yīng)變、摩擦系數(shù)等均會影響其耐沖蝕性能,在保證材料硬度的前提下,提高其斷裂韌性是增強其抗沖蝕的能力的有效手段,對于彈性體材料,在較低硬度值下通常表現(xiàn)出更好的抗沖蝕性[30];

(2)從宏觀到微觀:涂層的結(jié)晶度、基本組成成分及比例、分子量、交聯(lián)度以及填料等因素是影響粒子沖蝕性能的關(guān)鍵參數(shù)[31-33],通過對材料進行改性的手段,改變其微觀結(jié)構(gòu),可達到增強、增韌的目的;

(3)從單一磨損機制到多種磨損機制交互作用:沖蝕磨損的材料損失機制隨材料的不同而有所不同,復(fù)合材料的沖蝕磨損并非單純由某一種磨損機制作用,多數(shù)情況下是由多種磨損機制交互作用,但可能由某一種沖蝕理論起主導(dǎo)作用,沖蝕磨損的數(shù)值仿真分析可為復(fù)合材料的多樣化的磨損交互作用作進一步的理論補充。

4 結(jié) 論

基于高鐵列車表面涂層建立了高速微細(xì)粒子沖蝕模型,在涂層應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)中考慮了等效塑性應(yīng)變累積的效應(yīng),研究了粒子粒徑大小、速度及入射角度對涂層沖蝕磨損率的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下:

(1)涂層沖蝕磨損率的有限元計算結(jié)果為Ev=0.54 mm3/g,沖蝕試驗的結(jié)果為Ev=0.50 mm3/g,模擬計算的仿真結(jié)果與試驗驗證誤差僅為7%,表明該模型建立與計算方法具有較高的有效性,可用于簡化或替代試驗手段,為風(fēng)沙環(huán)境下涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù);

(2)涂層的沖蝕磨損率隨粒子速度呈現(xiàn)冪增長,沖蝕磨損率在粒子速度從70 m/s變?yōu)?0 m/s 時增幅達87%;涂層在一定程度上呈現(xiàn)韌性材料沖蝕磨損特性,沖蝕磨損率在入射角15°時達到峰值0.94 mm3/g;在不同粒徑粒子垂直入射情形下,涂層均表現(xiàn)出脆性材料的破碎脫落沖蝕磨損機制;

(3)聚氨酯涂層的沖蝕磨損由微切削和脆性破碎2種機制控制,隨著入射角度的變化而不同:低角度沖蝕時微切削機制起主導(dǎo)作用,沖蝕磨損體積由粒子的切削和劃擦造成;高角度沖蝕時脆性破碎機制起主導(dǎo)作用,沖蝕磨損體積由微細(xì)裂紋交錯材料破碎脫落造成。