一种采用空化水射流对材料表面进行强化的装置的制作方法

本实用新型涉及空化水射流表面强化技术领域，具体涉及一种采用空化水射流对材料表面进行强化的装置。

背景技术：

目前关于空化水的利用多集中于开矿、切割、清洗等领域，应用于表面强化的尤其少。空化水射流表面强化技术是近年发展起来的一项新技术，其利用高速水射流中产生的高压气泡破裂产生的冲击作用在材料表面产生均匀的压应力层。采用该技术可消除焊接、冷加工等引起的残余拉应力，并产生具有压应力的表面层，能够抑制、延缓应力腐蚀裂纹和环境疲劳裂纹在表面的萌生，从而增强材料对疲劳和环境损伤的抗力，延长部件使用寿命。

空化水射流表面强化技术在国外已得到应用，但国内相关工作较少，尚缺乏专用的研究装备和技术。

技术实现要素：

本实用新型提供一种采用空化水射流对材料表面进行强化的装置，

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种采用空化水射流对材料表面进行强化的装置，包括高压水供给系统、与所述高压水供给系统通过管道相连用以促使所述高压水空化的高压气供给系统、与所述高压水供给系统的出水端相连的喷嘴，待强化试件设于所述喷嘴的水流喷射处。

进一步的，所述装置还包括对所述高压水供给系统和所述高压气供给系统的工作状态进行监测的监测系统，所述监测系统分别与所述高压水供给系统以及所述高压气供给系统电连接。

进一步的，所述装置还包括试验测试系统，所述试验测试系统包括顶部具有开口的水槽以及所述喷嘴，所述喷嘴可水平滑动、可上下升降且可转动的设于所述开口的正上方，所述水槽和所述喷嘴之间设有用以安装所述待强化试件的安装装置，所述喷嘴喷射出的水流进入所述水槽。

进一步的，所述安装装置包括设于所述水槽中并位于所述喷嘴下方的样品安装台、以及设于所述喷嘴下方的样品夹具，所述样品夹具与驱动电机的输出端相连，当所述待强化试件为回转类试件时，将所述回转类试件安装于所述样品夹具上。

进一步的，所述高压水供给系统至少包括通过管道相连的高压泵、第一阀门组件和第一检测组件。

进一步的，所述高压水供给系统与所述水槽相连，所述水槽与所述高压水供给系统之间依次设有过滤组件和循环泵，所述高压水供给系统、所述喷嘴、所述水槽、所述过滤组件和所述循环泵构成水循环系统。

进一步的，所述高压水供给系统还包括设于所述高压泵之后的蓄能器、加热器以及冷却器，所述过滤组件包括第一支路和第二支路，所述第一支路和所述第二支路的两端分别与所述水槽和所述循环泵相连，所述第一支路上依次设有过滤器以及分别设于所述过滤器两端的两针阀，所述第二支路上设有针阀。

进一步的，所述高压气供给系统设于所述蓄能器与所述高压泵之间，所述高压气供给系统包括通过管道相连的高压气泵、第二阀门组件和第二检测组件。

进一步的，所述装置还包括淹没水供给系统，所述淹没水供给系统包括通过管道相连的第三阀门组件、第三检测组件、加热器以及冷却器，所述喷嘴具有与所述高压水供给系统的出水端相连的内腔、包裹所述内腔并设于所述内腔外周的外腔， 所述内腔与所述外腔在所述喷嘴的出水口相连通，所述淹没水供给系统的出水端与所述喷嘴的所述外腔相连。

进一步的，所述装置还包括空气供给系统，所述空气供给系统包括气瓶、与所述气瓶通过管道相连的第四阀门组件和第四检测组件，所述空气供给系统与所述喷嘴相连。

采用以上技术方案后，本实用新型的装置与传统喷丸表面强化技术相比，具有如下优点：

1、适用性好。对大尺寸部件及形状复杂、狭窄区域表面都可适用；同时，整套装置体积不大，可以装在机动车上进行远距离操作和外场作业，现场适用性好。

2、无二次污染。使用水作为冲击介质，避免引入外来物造成的二次污染。

3、强化效果好。经空化水射流表面强化后最大残余压应力处于部件表面，对部件疲劳强度的提高幅度高于传统喷丸强化。气泡与部件表面为非刚性/弱刚性作用，强化后表面粗糙度增加少，与传统喷丸相比，次生损伤少。

4、价格低、效率高。空化水射流表面强化设备价格适中，比能耗和成本低、强化处理效率高。

附图说明

附图1为本实用新型的结构示意图；

附图2为本实用新型实施例中316L板状样品强化后的应力随深度分布曲线图。

其中，100、高压水供给系统；200、高压气供给系统；300、淹没水供给系统；400、空气供给系统；500、试验测试系统；600、监测系统；1-高压气泵；2，8-安全阀；3，6，9，15，22，26，27，29，36-针阀；4，23-单向阀；5，16，24，38-流量计；7-高压泵；；10-蓄能器；11，37-压力表；12，17-加热器；13，18-冷却器；14，19-热电偶；20-气瓶；21-减压器；25-循环泵；28-过滤器；30-龙门架；31-喷嘴；32-样品夹具；33-驱动电机；34-样品安装台；35-水槽。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种采用空化水射流对材料表面进行强化的装置，包括高压水供给系统100、高压气供给系统200、淹没水供给系统300、空气供给系统400、试验测试系统500和监测系统600。

试验测试系统500包括水槽35和喷嘴31，水槽35的顶部具有开口，开口的上方设有龙门架30，龙门架30下设置喷嘴31，喷嘴31喷射出的水流进入水槽35，龙门架30可以带动喷嘴31在水平方向移动或在竖直方向升降，从而可以增加待强化试件的强化面积；喷嘴31头部可以进行360°旋转，从而对具有一定复杂表面的零件进行强化时，增加了装置的使用范围。水槽35的底部设有出水口，出水口处设置针阀36用以控制出水口的开闭。

喷嘴31具有空化作用，喷嘴31的中部为内腔、内腔的外周为外腔，内腔与外腔在喷嘴31的出水口相连通，内腔由后端至出水口直径由大变小，因而内腔中的水流在出水口处流速增大，空化作用增强。

水槽35和喷嘴31之间设有用以安装待强化试件的安装装置，安装装置包括设于水槽35中并位于喷嘴31下方的样品安装台34、以及设于喷嘴31下方的样品夹具32，样品夹具32与驱动电机33的输出端相连，当待强化试件为回转类试件时，将回转类试件安装于样品夹具32上，通过电机带动回转类试件在夹具上旋转可以使回转类试件的表面强化更加均匀。当待强化试件为非旋转类试件时，可以将非旋转类试件固定于样品安装台34上。

高压水供给系统100与水槽35相连，水槽35与高压水供给系统100之间依次设有过滤组件和循环泵25，高压水供给系统100、喷嘴31、水槽35、过滤组件和循环泵25构成水循环系统。

过滤组件包括过滤器28、设于过滤器28和水槽35之间的针阀29，设于过滤器28和循环泵25之间的针阀27，针阀26设于与过滤器28、针阀27以及针阀29相并联的支路上，水槽3535中的水经过针阀29、过滤器28、针阀17、以及循环泵25将实操中的供给至高压水供给系统100。正常工作时，针阀26为关闭状态，针阀29和27为打开状态，若需要更换过滤器28，可打开针阀26并关闭针阀27和针阀29，从而使系统可以连续运行。

高压水供给系统100包括通过管道与循环泵25依次相连的针阀6、高压泵7、安全阀8、针阀9、蓄能器10、压力表11、流量计38、加热器12、冷却器13、热电偶14，高压水供给系统100的出水端与喷嘴31的内腔相连通。加热器12和冷却器13用以对高压水进行加热或冷却，从而可以研究温度对空化水表面质量的影响。

高压气供给系统200根据气体的流动方向包括通过管道依次相连的高压气泵1、安全阀2、针阀3、单向阀4和流量计5，高压气供给系统200的出气端与高压水供给系统100相连并位于针阀9与蓄能器10之间。高压气供给系统200利用高压气泵1将压缩空气通入高压水中，从而增加高压水的空化效果。

淹没水供给系统300根据水流的流动方向包括通过管道依次相连的针阀15、压力表37、流量计16、加热器17、冷却器18和热电偶19，淹没水供给系统300的头端连接于循环泵25和针阀6之间的管道，淹没水供给系统300的尾端连接喷嘴31的外腔。淹没水供给系统300和高压水供给系统100同时开启时，在喷嘴31的出水口形成的水柱内部为高压水、外部为包裹高压水的低压水，内部和外部之间具有压力差，从而可以增加从喷嘴31喷射出的水流的空化效果。

空气供给系统400根据气体的流动方向包括通过管道依次相连的气瓶20、减压器21、针阀22、单向阀23和流量计24，空气供给系统400的尾端与喷嘴31的外腔相连，且空气供给系统400与外腔的连接位置相较淹没是供给系统与外腔的连接位置更靠近喷嘴31的出水口。

监测系统600分别与高压水供给系统100、高压气供给系统200、淹没水供给系统300、空气供给系统400和试验测试系统500电连接。监测系统600设有温度控制功能，通过调整加热器12，17和冷却器13，18的功率大小，分别获得高压水供给系统100和淹没水供给系统300所需要的温度；监测系统600设有压力监测功能，通过压力表11，37实时显示高压水供给系统100和淹没水供给系统300的压力；监测系统600设有流量监测功能，通过流量计5，16，24，38实时显示高压水供给系统100、高压气供给系统200、淹没水供给系统300和空气供给系统400的流量；监测系统600设有龙门架30运动控制功能，通过控制龙门架30，可以调整喷嘴31的移动速度；监测系统600设有驱动电机33控制功能，通过控制驱动电机3333，调节回转类样品的转速。

采用上述装置对材料表面进行强化的方法，包括如下步骤：

（1）启动监测系统600，确认各部分连接正常，并能获得正常的信号；

（2）将待强化试件固定于样品安装台34或样品夹具32上；

（3）安装喷嘴31，调整喷嘴31的喷射喷角度；

（4）通过控制龙门架30，调整喷嘴31与待强化试件之间的高度差；

（5）将喷嘴31从待强化试件上方移开，启动循环泵25和高压泵7使高压水供给系统100运行；

（6）根据需要，若采用淹没环境，则控制水槽35的水位高于喷嘴31；若采用人工淹没喷嘴31，则控制水槽35的水位在待强化试件以下，并打开淹没水供给系统300制造人工淹没环境，根据阀门开启程度，得到需要的淹没水供给系统300的水流流速；

（7）根据需要确定是否启动高压气泵1往高压水供给系统100中通入气体，通过调整高压气泵1得到高压气供给系统200向高压水中的气体注入流量；

（8）根据需要的温度确定是否启动加热器12,17或冷却器13,18，若需要升温，则开启加热器12或加热器17，关闭冷却器13或冷却器18，若需要降温，则开启冷却器13或冷却器18，关闭加热器12或加热器17；

（9）根据需要确定是否启动空气供给系统400，通过控制减压器21控制通入喷嘴31的气体流量；

（10）待监测系统600中的温度、压力、流量信号达到稳定后，将喷嘴31移动至待强化试件上方，保证由喷嘴31喷出的水流可以喷射至待强化试件，通过龙门架30控制作业时间和喷嘴31移动速度，通过控制驱动电机33，控制回转类样品的转速；

（11）实验结束后，将喷嘴31从待强化样品上方移开，关闭各系统中的泵阀，关闭监测系统600；

（12）对样品进行表面应力测试和其他测试，表征表面强化效果，包括采用X-射线衍射技术分析表面应力分布情况；采用显微硬度或纳米压痕分析材料硬度变化；采用扫描电子显微镜或透射电子显微镜观察表面微观组织结构变化；采用X-射线光电子谱或俄歇电子分析材料成分变化；采用应力腐蚀实验或疲劳实验分析材料的抗开裂能力等。

通过上述步骤，可以建立空化水的压力、温度、流速、含气量、喷嘴31类型、喷射角度、样品与喷嘴31距离等参数对材料表面强化效果的影响，通过分析表面压应力分布情况和样品的应力腐蚀或疲劳开裂性能，得到材料的最佳强化工艺参数。

采用锥面型的喷嘴31，在常温水中，控制高压水供给系统100的喷射压力30MPa，流速30L/min，无气体注入，采用淹没环境，喷嘴31与样品垂直且距离为35mm时，316L不锈钢板状样品经3 min的空化水表面强化处理后，其应力随深度分布曲线如图2所示。可以看出316L不锈钢表面强化压应力达到500MPa以上，压应力层深度约为0.2 mm。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。