CN114034627A - 一种适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置及方法。所述装置包括隔音罩、升降装置、容器、超声发生器、控制系统；超声发生器安装于隔音罩上，包括依次连接的超声放大器、连接杆、振幅杆、转换头，整个装置可以实现对表面材料尤其是热喷涂涂层在不同pH值、Cl^‑含量、温度、水流速、砂子粒度和含量、汽蚀功率、频率和时间下的汽蚀性能检测，可以极大的丰富汽蚀性能检测的条件，更好的模拟实际情况。且整个方案对于测试样品的材料没有任何限制，适用范围广；该方法的使用可及时掌握所制备的涂层是否满足产品使用要求，指导热喷涂工艺调整，使之满足产品需要。

Description

一种适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置 及方法

技术领域

本发明涉及表面强化及再制造涂层检测技术领域，尤其涉及一种适用于水力机械过流部件表面材料汽蚀性能检测装置及方法，可以用于热喷涂涂层汽蚀性能的检测。

背景技术

汽蚀是水轮机、水泵、船舶螺旋桨等装备及其零部件常见的失效形式之一，汽蚀会引起机械装备、零部件的侵蚀，造成装备整体性能下降，产生噪声，减少设备使用寿命并给设备安全运行带来隐患，每年造成大量的经济损失。

目前，研究人员主要通过新材料开发和新工艺的研究来提升装备表面的抗汽蚀性能，降低汽蚀对装备的影响，提高装备使用寿命。尤其是通过在装备表面研制纳米材料涂层，可以提升装备的表面抗汽蚀性能，也取得了显著的效果。

纳米涂层在研究过程中，需要进行大量的试验，来比较各种纳米材料的抗空蚀能力。但水泵水轮机的汽蚀性能测试平台占地面积大、搭建费用高(通常搭建一个水轮机模型试验台或水泵模型试验台1000-2000多万)、试验周期长，不适用于实验室材料的的抗汽蚀性能检测。鉴于此，国内外研究人员从20世纪60 年代就开始研究适用于实验室的汽蚀检测设备及其检测方法、评价标准，产生了“轮盘冲击法”、“U型管测定”等一系列检测方法及其设备，由于这些检测方法在检测过程中产生的汽蚀过程与水泵、水轮机实际情况下汽蚀现象差异较大，故而效果不理想。

目前，在超声波汽蚀方面国家制定了GB/T 6383-2009振动空蚀实验方法，该标准是将试样通过螺纹连接在变幅杆上的，由于变幅杆通常无法与试样材质完全一致，这就导致两者的固有频率是不同的，当两者材料相差较大时，在试样端无法发出超声波，便无法进行汽蚀(空蚀)实验，因此该标准具有一定的局限性。另外，该标准仅适用于蒸馏水或者二次去离子水环境，而水利装备汽蚀是溶液环境的pH值、Cl^-含量、温度、水流速、砂子等复合作用的结果，目前尚没有一种能够很好模拟汽蚀环境和过程的装置，也没有能够更有效精确的检测表面材料汽蚀性能的装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置及方法，本发明可以很好的弥补现有技术中对于汽蚀环境和过程模拟装置及汽蚀性能检测的空缺，可以简单、快速、有效的检测各种表面材料的抗汽蚀性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置，包括隔音罩、升降装置、容器、超声发生器、控制系统；所述的超声发生器安装于隔音罩上，包括依次连接的超声放大器、连接杆、振幅杆、转换头，所述容器、升降装置均置于隔音罩内，在容器内固定有样品台用于将样品固定安装于样品台表面，且容器内盛装有砂子和液体并设置有搅拌器，所述超声发生器中转换头没入容器内液面下并与样品表面相对，所述升降装置用于升降所述容器从而调控样品台上样品与转换头之间的间距；所述的控制系统用于控制超声发生器、搅拌器、升降装置，以及监测并控制容器内液体温度、pH值及Cl^-浓度。

上述技术方案中，进一步的，所述的转换头与振幅杆均为钛合金材质，二者通过螺纹连接。

进一步的，所述的控制系统包括液体温度控制单元、pH值监测调节单元、Cl-浓度监测调节单元、超声控制单元、搅拌器控制单元、升降装置控制单元。

进一步的，所述的样品台上设置有样品安装孔，且在样品安装到位后应保证样品表面高于样品台表面2mm以上。

进一步的，所述的升降装置的精度不低于0.01mm。

采用上述装置对水力机械过流部件表面材料进行抗汽蚀性能检测的方法，包括如下：

1)将准备好的样品进行称重并测定孔隙率，并用光学轮廓仪对样品待测表面进行扫描记录样品形貌；

2)固定样品于样品台上，且使得样品表面高出样品台表面；

3)根据实验要求配置砂子粒度、砂子与溶液用量，并由控制系统控制升降装置高度、搅拌器、溶液温度、pH值、Cl^-浓度、超声功率频率及时间；进行汽蚀实验；

4)达到实验所需时间则取出样品，烘干自然冷却后，再次进行称重并测定孔隙率，计算样品材料失重率及孔隙率差值；并用光学轮廓仪对样品进行再次扫描记录样品形貌。

本发明的抗汽蚀检测装置及方法相对于现有方法而言，具有如下有益效果：

(1)本发明中测试样品无需安装在振幅杆上，对于测试样品的材料没有任何限制，适用范围广；

(2)本发明中采用振幅杆结合转换头的形式(使用时将转换头完全浸入液面下大于2mm)，可以有效减少振幅杆因长期汽蚀作用后易失效而需整个更换的缺点，在本发明中汽蚀损坏仅是转换头，由于转换头体积小、材料少，可减少因更换振幅杆产生的材料浪费及成本增加；

(3)本发明方案可实现不同pH值、Cl^-含量、温度、水流速、砂子粒度和含量、汽蚀功率、频率和时间下的汽蚀性能检测，可以极大的丰富汽蚀性能检测的条件，更好的模拟实际情况。

附图说明

图1为本发明中检测装置的一种具体结构示意图；

图2是本发明中超声发生器的一种具体结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测的装置，包括：隔音罩、超声发生器、容器、升降装置、控制系统，控制系统；

隔音罩用于降低超声波噪音，将噪音值降至50dB以下。所述的超声发生器安装于隔音罩上，如图2所示，包括依次连接的超声放大器、连接杆、振幅杆、转换头，其中转换头与振幅杆材质为钛合金，转换头与振幅杆通过螺纹连接。转换头为耗材可根据使用情况进行更换。

所述容器、升降装置均置于隔音罩内，在容器内固定有样品台用于将样品固定安装于样品台表面，且容器内盛装有砂子和液体并设置有搅拌器；样品台上可以通过开设凹槽用于固定样品，比如凹槽为直径22mm,深度3mm的盲孔，样品固定安装于该凹槽内。

所述超声发生器中转换头没入容器内液面下并与样品表面相对，所述升降装置用于升降所述容器从而调控样品台上样品与转换头之间的间距；

所述的控制系统用于控制超声发生器、搅拌器、升降装置，以及监测并控制容器内液体温度、pH值及Cl^-浓度，具体可以如图1所示，可以包括主控系统、超声控制系统、pH值监测调节系统(含检测装置及pH缓冲溶液)、Cl^-浓度监测调节系统(含检测装置及Cl^-缓冲溶液)、冷水机等；其中升降装置可以采用高精度定位装置，由主控系统控制其升降，从而精确控制样品和振幅杆转换头之间的距离，精度为0.01mm；主控系统控制搅拌器的转速，可控制砂子在溶液中的运动和砂子对样品的冲击力；通过调节冷水机的流速和温度，可以控制溶液的温度，精度为0.1℃；主控系统控制超声波控制系统发出信号的频率、功率和做功时间，监测、反馈、调节溶液的pH值和Cl^-含量；从而可以用于模拟在不同温度、不同pH值、不同Cl^-含量、不同超声波频率、功率、做功时间，不同含砂量、砂粒度下的汽蚀实验。

以上述的装置为例，进行水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测的具体方法可以包括以下步骤：

步骤一：试样要求切割

厚度4±0.1mm的尺寸；

步骤二：试样在高精度天平下称重，称重5次求平均值，记录为m_原。光学轮廓仪对待实验表面扫描记录样品形貌。在金相显微镜下观察孔隙率，测5 次求平均值，记录为S_原。

步骤三：试样放置在样品台的凹槽内。

步骤四：根据砂子和溶液的配比关系，容器中加入一定粒度和重量的砂子。

步骤五：根据pH值和Cl^-含量配置一定量溶液，加入到容器中。

步骤六：打开主控系统、超声波控制系统、冷水机、pH值检测调节系统、Cl^-监测调节系统的电源开关。

步骤七：通过主控系统控制高精度定位装置的升降，从而调控样品和振幅杆转换头之间的距离。

步骤八：通过主控系统控制冷却液流速、温度、pH值、Cl^-含量、超声波频率、功率、做功时间。

步骤九：根据试验需要，每隔一段时间取出样品，进行称重分析。称重前采用烘箱烘干(温度设置为60℃-80℃)，并进行自然冷却。将冷却后的样品进行称重分析。根据获得的涂层质量损失，计算出涂层失重率，绘制涂层失重率-时间曲线。

涂层质量损失率计算：

m_i损＝(m_总-m_i)/m_原×100％............................(1)

式中：

m_i损——涂层超声波试验后，第i个时间的涂层质量损失率，单位％；

m_i——涂层超声波试验后第i个时间的重量；

m_原——涂层原始重量。

步骤十：采用光学显微镜对试验后的涂层表面进行观察，通过照相法计算涂层表面平均孔隙率。根据试验前测的涂层平均孔隙率及试验后涂层平均孔隙率，计算涂层孔隙率差值。

涂层孔隙率差值计算：

S_孔差＝S_孔后—S_孔前…………………………(2)

式中：

S_孔差——涂层超声波试验后，孔隙率的差值，单位％；

S_孔后——涂层超声波试验后的孔隙率，测3次，取平均值；

S_孔前——涂层超声波试验前的孔隙率，测3次，取平均值。

步骤十一：光学轮廓仪汽蚀后试样表面扫描记录样品形貌。在SEM下观察样品汽蚀后的微观形貌。

本发明的方法可以适用于水力机械过流部件表面材料的测试，尤其可以很好的用于如电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂，激光熔覆等热喷涂涂层的检测。

实施例1

(1)利用电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂，激光熔覆等热喷涂技术制备涂层样板。

(2)把制备好的热喷涂涂层样板切割成

厚度4±0.1mm样品。称重5次求平均值。测孔隙率5次求平均值。测光学轮廓形貌

(3)涂层面朝上，平放于样品台凹槽内。

(4)设置汽蚀频率：工作2S、间歇2S，功率2KW，时间10h。

(5)清洗称重，称重5次求平均值。测孔隙率5次求平均值。测光学轮廓形貌。

(6)计算涂层质量损失率和涂层孔隙率差值。对比轮廓形貌变化。

(7)通过SEM测样品冲蚀后表面形貌，得出样品冲蚀形貌特征。

实施例2

(1)利用电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂，激光熔覆等热喷涂技术制备涂层样板。

(2)把制备好的热喷涂涂层样板切割成

厚度4±0.1mm样品。称重5次求平均值。测孔隙率5次求平均值。测光学轮廓形貌

(3)涂层面朝上，平放于样品台凹槽内。

(4)设置汽蚀频率：工作1S、间歇1S，功率2KW，时间10h。

(5)清洗称重，称重5次求平均值。测孔隙率5次求平均值。测光学轮廓形貌。

(6)计算涂层质量损失率和涂层孔隙率差值。对比轮廓形貌变化。

(7)通过SEM测样品汽蚀后表面形貌，得出样品冲蚀机理。

实施例3

(1)利用电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂，激光熔覆等热喷涂技术制备涂层样板。

(2)把制备好的热喷涂涂层样板切割成

厚度4±0.1mm样品。称重5次求平均值。测孔隙率5次求平均值。测光学轮廓形貌

(3)涂层面朝上，平放于样品台凹槽内。

(4)设置汽蚀频率：工作2S、间歇2S，功率3KW，时间20h。

(5)清洗称重，称重5次求平均值。测孔隙率5次求平均值。测光学轮廓形貌。

(6)计算涂层质量损失率和涂层孔隙率差值。对比轮廓形貌变化。

(7)通过SEM测样品汽蚀后表面形貌，得出样品冲蚀形貌特征。

实施例4

(1)利用电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂，激光熔覆等热喷涂技术制备涂层样板。

(2)把制备好的热喷涂涂层样板切割成

厚度4±0.1mm样品。称重5次求平均值。测孔隙率5次求平均值。测光学轮廓形貌

(3)涂层面朝上，平放于样品台凹槽内。

(4)设置汽蚀频率：工作2S、间歇2S，功率5KW，时间20h。

(5)清洗称重，称重5次求平均值。测孔隙率5次求平均值。测光学轮廓形貌。

(6)计算涂层质量损失率和涂层孔隙率差值。对比轮廓形貌变化。

(7)通过SEM测样品汽蚀后表面形貌，分析样品冲蚀形貌特征。

Claims (6)

1.一种适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置，其特征在于，包括隔音罩、升降装置、容器、超声发生器、控制系统；所述的超声发生器安装于隔音罩上，包括依次连接的超声放大器、连接杆、振幅杆、转换头，所述容器、升降装置均置于隔音罩内，在容器内固定有样品台用于将样品固定安装于样品台表面，且容器内盛装有砂子和液体并设置有搅拌器，所述超声发生器中转换头没入容器内液面下并与样品表面相对，所述升降装置用于升降所述容器从而调控样品台上样品与转换头之间的间距；所述的控制系统用于控制超声发生器、搅拌器、升降装置，以及监测并控制容器内液体温度、pH值及Cl^-浓度。

2.根据权利要求1所述的适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置，其特征在于，所述的转换头与振幅杆均为钛合金材质，二者通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置，其特征在于，所述的控制系统包括液体温度控制单元、pH值监测调节单元、Cl^-浓度监测调节单元、超声控制单元、搅拌器控制单元、升降装置控制单元。

4.根据权利要求1所述的适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置，其特征在于，所述的样品台上设置有样品安装孔，且在样品安装到位后应保证样品表面高于样品台表面2㎜以上。

5.根据权利要求1所述的适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测装置，其特征在于，所述的升降装置的精度不低于0.01mm。

6.一种适用于水力机械过流部件表面材料抗汽蚀性能检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的装置实现，包括如下：

1)将准备好的样品进行称重并测定孔隙率，并用光学轮廓仪对样品待测表面进行扫描记录样品形貌；

2)固定样品于样品台上，且使得样品表面高出样品台表面；

3)根据实验要求配置砂子粒度、砂子与溶液用量，并由控制系统控制升降装置高度、搅拌器、溶液温度、pH值、Cl^-浓度、超声功率频率及时间；进行汽蚀实验；

4)达到实验所需时间则取出样品，烘干自然冷却后，再次进行称重并测定孔隙率，计算样品材料失重率及孔隙率差值；并用光学轮廓仪对样品进行再次扫描记录样品形貌。

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