淹没水射流空化对NiTi形状记忆合金微观组织和力学性能的影响

作     者：王雷博 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘海霞

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：NiTi形状记忆合金 射流空化 时效处理 超弹性 抗空蚀性能 

摘      要：当液体内的局部压力降低时,液体内的微小空化核将迅速长大成为空化泡。空化泡的形成、发展和溃灭的过程即为空化。船用螺旋桨叶片在旋转时,外缘线速度较高,容易产生空化现象。空化可能导致叶片表面材料剥落,即空蚀,并使舰船的推进性能明显下降,同时整个动力装置失去稳定性。长期以来,船用螺旋桨叶片材料多选用铜合金和不锈钢材料,但这些材料在服役过程中易被腐蚀和空蚀。Ni Ti形状记忆合金作为先进功能材料的代表,基于热弹性马氏体相变特征,在外力作用下呈现超弹性,即合金在外力作用下发生的变形能够随着外力的卸载而恢复。同时,Ni Ti形状记忆合金能够通过内部微观界面的可逆移动,将外部冲击能量转化为热能并耗散于周围环境中,实现高阻尼特性。本文从材料吸收空化泡溃灭释放能量的角度出发,借助淹没水射流诱发空化,研究Ni Ti形状记忆合金在空化泡溃灭作用下的微观组织演化、抗空蚀性能与力学性能。主要研究内容与结论如下:(1)研究淹没水射流工艺参数对Ni Ti形状记忆合金试样微观形貌的影响。以自来水为液体介质,基于材料质量损失和表面粗糙度对靶距和介质温度进行优化。结果表明,随着靶距增大,试样表面塑性变形程度、粗糙度以及质量损失均先增大再减小,而试样表面空化影响区半径则随着靶距增大持续减小。随着介质温度升高,试样表面的塑性变形持续加重,试样表面空化影响区半径不受介质温度影响。靶距为15 mm、介质温度为35℃时,塑性变形程度、粗糙度以及质量损失均达到最大值,在靶距为17 mm、介质温度为25℃时,表面粗糙度较小,且试样表面的塑性变形较为均匀。(2)系统研究空化时间对Ni Ti形状记忆合金试样的显微组织和性能的影响。通过试样显微硬度、超弹性以及抗空蚀性能的测试,分析了射流空化对Ni Ti形状记忆合金的影响机制。结果表明,随空化时间延长,表面粗糙度逐渐增大,空化作用20 min后试样表面出现微裂纹。材料的表面显微硬度和超弹性随空化时间的延长逐渐增大,硬化层深度约为300μm。在空化时间15 min时表面显微硬度最大,为340.35 HV,较未经空化作用试样提升约34%,同时试样的抗空蚀性能和耐腐蚀性最强。试样的超弹性在空化作用20min时最强,相较原样提升了21.41%。硬度与超弹性的提升归因于位错增殖,而耐腐蚀性增强则归因于射流空化在试样表面产生的残余压应力。与304不锈钢相比,Ni Ti形状记忆合金因空化作用引起的质量损失较小,抗空蚀能力较强。(3)将射流空化作用后的Ni Ti形状记忆合金试样进行时效处理,进一步提升合金的超弹性,并改善合金的抗空蚀性能。系统研究了时效处理温度和时间对合金微观组织和性能的影响规律。结果表明,将射流空化后的试样进行时效处理,随着时效温度和时间的延长,超弹性和抗空蚀性均先增强再减弱。当时效温度为250℃、处理时间为4 h时,试样的能量恢复率最大,且抗空蚀性能最强,能量恢复率较未时效处理试样提升约34.64%,超弹性及抗空蚀性均高于单一射流空化处理或低温时效处理。试样的超弹性和抗空蚀性能的提升取决于位错组态的演化。