表面涂层抗空蚀性能的研究进展
江 强，周细应
材料保护
［摘 要］ 空蚀现象经常发生于水泵、水轮机和船舶螺旋桨的叶片表面以及高水头泄水建筑物的局部表面，严重影响其服役寿命。概述了材料空蚀的机理及影响因素，归纳了一些表面改性的方法和措施，介绍了激光表面改性、热喷涂、化学镀、电镀等表面涂镀技术制备的不同类涂层，并对各种涂层的效果进行了分析与比较; 指出了目前研究中存在的问题和今后努力的方向。
［关键词］ 空蚀; 机理; 影响因素; 涂层; 表面改性
0 前 言
不稳定的空化，如不定常流动中出现的空化或封闭空泡的尾端会引起空蚀［1］，严重影响水泵、水轮机和船舶螺旋桨等过流部件的性能及服役寿命［2］。采用激光表面改性、热喷涂、化学镀和电镀等方法对材料表面进行改性，可以提高材料的抗空蚀性能，延长服役寿命。近年来，国内外对此有相当的研究。以下通过分析空蚀的机理及影响因素，重点评述金属表面抗空蚀涂层的制备方法及抗空蚀效果，并展望了表面抗空蚀的研究方向。
1 空蚀机理及影响因素
1． 1 空蚀机理
空蚀破坏机理［3］主要有 2 种，冲击波理论和微射流理论。冲击波理论认为，水中空泡发生壮大后，必然在下游高压区发生溃灭，溃灭的时间极短，大约千分之几秒，空泡溃灭的空间必然由四周水体来补充;在如此短暂的时间内，四周水体向中央集中就会产生冲击波源，冲击波向四周传播，传到固壁时，其冲击力就会对边壁造成破坏。微射流理论则认为，靠近边壁的空泡溃灭时，在流场梯度的作用下，空泡不再保持球形，而是在中央向边壁方面形成一个凹坑，此凹坑逐渐发展，最终穿透空泡，形成微射流，此射流的速度高达 170 m/s，冲击固壁造成空蚀破坏。这样高的冲击作用将直接破坏物体表面而形成蚀坑，较小的冲击力反复作用最后引起物体表面疲劳破坏。
1． 2 影响因素
空蚀程度的影响因素主要有 5 种。( 1) 物体表面粗糙度、硬度及物体尺寸 表面粗糙会促进空化的发生，表面光滑会推迟空化的发生并减少空蚀; 表面硬度高，抗空蚀能力也高［4］。( 2) 材料性能 结晶粒度大的材料抗空蚀性能好; 表面有致密而坚固的表面膜层，会延缓空蚀的发展。( 3) 水质及水流含气量 由于天然水中含有大量的微粒和未溶解的微气泡，极易构成细小的水汽相间的分界面，为空化提供了前提条件。汛期的水流、海水、泥浆较清水更易于空化、空蚀; 在一定范围内，空蚀破坏力随含气量的增加而变大; 当水流中含气量超过 3%［5］时，含气将改变水流的物性，空蚀破坏减弱甚至完全消失，即所谓的“掺气减蚀”。( 4) 流体物性 主要表现为饱和蒸汽压、表面张力、流体黏性、流体密度及压缩性等。( 5) 距离 物体表面附近溃灭的空泡才能对物体表面产生破坏。一般认为，距空泡中心3 倍空泡直径的距离内，空泡溃灭压力可使表面破坏; 超过此距离，空蚀破坏能力大大降低［4］。
2 提高材料表面抗空蚀性能的技术
2． 1 激光表面改性
2． 1． 1 表面熔覆与熔凝
对 HT200 和 ZG230-450 水泵过流部件进行预置粉末法激光熔覆，可使其抗空蚀性能分别提高 14． 91倍和 20． 43 倍［6］，同时也提高了其抗磨损性能，解决了涂层加工中的热变形问题。对 45 钢和 2Cr13 不锈钢表面采用预置 Fe，Ni，Cr，Co，B 等粉末进行激光熔覆，厚度达 0． 1 ～ 0． 5 mm，熔覆层具有铁素体与奥氏体结合的组织，空蚀孕育期可提高 2 ～ 4 倍［7］。采用预置粉末和预置条带法在多种不锈钢表面制得厚度为0． 1 ～0． 5 mm 的 NiTi，TiC 增强 NiAl，NiAl-Ni3Al 等多种熔覆层，可使基材的抗空蚀性能显著提高［8］。
激光表面熔覆( 凝) 技术基本不受材料种类限制，可获得较深的熔凝层( 2 ～ 3 mm) ，易实现局部处理，对基体的组织、性能尺寸影响很小，且操作方便。对马氏体 S4200 与 AISI440C 不锈钢进行激光熔凝处理，前者表面形成了约 89%( 体积分数) 的残余奥氏体相，在3． 5%NaCl 溶液中的抗空蚀性能显著提高，且随着奥氏体相体积比的增大，抗空蚀性能逐步增强［9］。
2． 1． 2 表面合金化
激光表面合金化可改变材料表面的化学成分、结构及物理状态，使廉价基材获得良好的表面性能，被广泛应用于磨损、腐蚀、高温氧化等工况条件下服役的工件表面强化及磨损件的修复。利用激光合金化在 CrNiMo 不锈钢表面制备 WC 涂层，与基体间实现冶金结合和沉淀相的强化效应，使其空蚀质量损失率降低了约 40%［10］; AA6061 铝合金表面激光合金化SiC 粉末后，抗空蚀性能无明显变化，但若在其中掺杂一定比例的 AlN 或 Si3N4，其抗空蚀性能将得到增强［11］; 在碳钢表面预置 Mn，Ni，Cr，Nb，Mo，Co 等合金粉末，采用激光合金化获得奥氏体相的改性层，奥氏体相引发的应变强化作用显著提高了材料的抗空蚀性能［12］。
采用激光处理技术对材料进行表面改性后，其组织结构、硬度、均匀性与致密性以及与基体的结合决定了其抗空蚀性能。获得同时具备抗空蚀磨损与抗电化学腐蚀性能的激光表面改性层和正确认识激光技术制备涂层的空蚀破坏机理是未来发展的方向。
2． 2 热喷涂
目前，喷涂材料主要有镍基合金、铁基自熔性合金、钴基合金、铜基合金及 NiTi 合金等，研究重点主要是找到孔隙率更低、涂层与基体结合更好、更容易生产的热喷涂方法。
利用激光等离子体混合喷涂在钛合金表面制备NiTi 涂层，发现富含 Ni 的涂层抗空蚀性能优于等原子比的 NiTi 涂层，这是因为 NiTi 奥氏体相的超弹性与富含 Ni 相的高工作硬化能力导致其抗空蚀性能提高［13］。采用预合金化处理，利用 NiTi 合金粉末制备的真空等离子喷涂涂层中非形状记忆相的含量降低，表现出更好的抗空蚀性能［14］。在热喷涂材料中添加微量的稀土元素，使基体强韧化，不仅改善了涂覆层的组织，而且提高了涂层的抗腐蚀能力和耐磨性［15］。
纳米结构涂层在结合强度、韧性、耐磨和抗疲劳等方面都比传统涂层有显著的改善，且部分涂层可以同时具有上述多种性能，扩大了热喷涂技术的应用领域。不锈钢、司太立合金及 CNx/ TN 纳米复合涂层具有优异的抗水蚀性能，可以作为汽轮机末级叶片抗水蚀用涂层，具有良好的市场应用前景［16］。
热喷涂层尤其是超音速火焰喷涂非晶纳米涂层正逐渐从实验研究走向实用化，在水电站的水轮机叶片抗空蚀领域表现出广阔的应用前景。提高热喷涂层的耐高温性能，改善涂层的硬度和韧性，增强涂层与基体间的结合力，降低涂层的孔隙率是亟待解决的问题。
2． 3 表面渗氮
对材料表面渗氮可获得硬度较高、耐磨性、抗腐蚀性较好的氮化物层，还能赋予材料表面层残余压应力，提高其抗疲劳性能。目前，工业应用主要是气体渗氮和离子渗氮。离子渗氮可显著提高碳钢在纯水和3． 5%NaCl 溶液中的耐空蚀性能［17］; 对 Q235 钢进行低温气体多元共渗，其抗空蚀性能大幅度提高，Fe-N 化合物中含有 N，S 可以使抗空蚀性能进一步提高［18］。
对还原铁粉进行气体渗氮得到含氮铁基粉末，再进行冷等静压成形得到含氮铁基粉末冶金材料，其成分为Fe，Fe4N 和少量的 Fe2O3，耐磨性是一般铁基粉末冶金材料的5 倍，抗蚀性约提高了10 倍［19］。单一渗氮处理后碳钢表面硬度显著提高，可提供很好的减摩抗磨作用，但在腐蚀介质中表现出敏感的冲蚀磨损性。今后应将渗氮技术与其他改性技术联合应用，以获得既抗磨损又抗冲蚀的复合涂层。
2． 4 其 他
化学镀与电镀法不经过高温，无热变形，能保证构件的几何形状和尺寸精度，其镀层与基材既有机械结合，也有电化学结合，结合力远高于基材与有机涂层间的，与高温喷涂( 喷焊) 层的效果相当。Ni -P 化学镀层热处理后在水中与 3． 5%NaCl 溶液中的空蚀率较未处理镀层大大降低，这是由于热处理过程中的析出硬化作用增强了镀层的力学性能［20］。在镀 Ni液中掺杂纳米与微米 TiO2或 SiC 颗粒，通过细化与弥散强化作用使镀层的硬度增强，有利于提高其耐空蚀性能。
将 Fe-Cr-Ni-Co 合金堆焊在 304 不锈钢表面，将其冷却后再进行表面重熔，其堆焊层和重熔层的耐空蚀性能远高于 304 不锈钢，重熔层的耐蚀性优于堆焊层; 空蚀过程中发生奥氏体向马氏体的转变，吸收了空蚀能量，延缓了空蚀的进行; 堆焊层表面重熔使得晶粒细化，对裂纹发展有阻止作用，从而提高了耐空蚀性能［21］。
离子注入法也是改善材料表面性能的重要方法，形成的“新材料表面”无明显分界面，与金属基体融为一体，不产生表层剥落，也不改变工件的形状和大小。运用离子注入技术对电站水轮机材料 0Cr13Ni9Ti 的空蚀改性效果进行了研究，结果表明: N+注入后0Cr13Ni9Ti 不锈钢的抗空蚀能力提高了 2 倍以上，并且其空蚀改性效果随着 N+注入量增加而增加［22］。
其他非金属涂层材料还包括环氧聚合物系列、复合尼龙、DP 和 DL 涂层等。非金属涂层与金属母材为机械结合，结合强度较低，在水电生产运行中短期内便脱落，难以显示其抗空蚀的效果，但是非金属涂层比金属涂层更耐腐蚀，可以有效地降低空蚀过程中电化学腐蚀的协同作用，这是金属涂层材料难以比拟的。因此，进一步提高非金属涂层与金属母材间的结合强度是非金属涂层研究的重点［23］。
3 结 语
今后金属材料抗空蚀表面改性的研究方向: ( 1)空蚀涉及腐蚀介质、流动条件及材料性质等诸多因素，对抗空蚀涂层的研究应多学科交叉进行，既要考虑实际工况条件下材料服役时的响应特性，又要考虑实施的成本和利润; ( 2) 探讨抗空蚀涂层与金属基体的结合工艺，以获得实用、致密均匀、高硬度的涂层材料; ( 3) 和非金属涂层结合，研发抗空蚀性能更好的材料。
［ 参 考 文 献 ］略
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