对金属材料表面抗空蚀涂层的研究
陈丁华 ，文彬羽
科技传播
摘 要 本文对金属材料表面抗空蚀涂层进行了深入的研究 ，对金属材料空蚀原理及其影响的因素进行了综合的分析 ，首先对金属材料表面空蚀产生的原理进行了综合分析 ，之后对金属材料表面抗空蚀涂层进行了设计。本文提出并讨论了目前研究中存在的科学问题及未来抗空蚀涂层的研究方向。
关 键 词 金属 ；空蚀 ；表面涂镀技术 ；涂层
0 引言
随着现代工业社会发展步伐的不断加速 ，各行各业的生产活动都在不断的加速进行 ，特别是工业制造业和航天行业 ，在发展的同时对金属材料也提出了更高的要求 ，传统的金属材料无论是在金属材料的强度、重量、稳定性和韧性方面都无法满足现代工业的要求。为了使各种金属材料之间的优点进行一个有效的互补 ，人们用两种或者两种以上的金属材料进行一个有效的组合 ，生产出来了复合材料 ，复合材料能够有效的防止其表面发生空蚀 ，使用前景非常的广阔。
一些大型机械的关键部位的金属构件容易受到空蚀的影响 ，时间长了会对整个机械的正常使用产生较大的影响。在构件发生空蚀故障的时候维修起来不方便 ，因为对大型机械的关键构件进行抗空蚀处理已经成为了一项重要的课题。
本文首先对金属材料表面产生空蚀的原理进行了分析 ，然后对其进行了深入的研究 ，并对金属表面抗空蚀涂层的制备方法进行了详细的描述。
1 空蚀概述
空蚀是指在高速多相流条件下 ，液体介质中局部压力变化致使空泡形成和溃灭 ，在高速液体中含有空泡 ，使磨损腐蚀十分严重 ，材料连续受到高压、高速微射流冲击作用而使得金属的表面产生了破坏 ，其中最为常见的一种空蚀是空泡腐蚀。
金属液体介质中的空泡的形成是因为液体的温度或者湍流的变化而引起的 ，一旦这两个方面的因素发生了变化 ，金属液体的压力就会发生一定的变化 ，使得空泡得以产生 ，空泡内含有一定的水汽 ，但水汽存在的时间非常的短暂 ，当气泡发生破灭的时候就会产生非常大的压力冲击波 ，压力冲击波最大可以达到 4 000atm，这样一来就会使得金属表面的保护膜发生一定的破坏 ，从而引起金属塑性的变化 ，使得金属粒子发生一定的撕裂 ，表现在金属的表面就是金属的表面出现了破口 ，发生的腐蚀 ，在同一点上又形成新空泡 ，又非常快速的发生了破裂 ，这个形成和破裂的过程不断反复的进行 ，结果金属表面生成致密而深的孔 ，外表很粗糙。金属空蚀经常发生在泵叶轮和水力透平机等设备上 ，空蚀的发生严重影响了这些设备的使用寿命和使用的质量。
根据目前现有的研究表明 ，对金属表面进行空蚀破坏的原因按照类型的不同 ，可以概括为几个不同的部分 ，这几个不同的部分分别是热作用、机械作用、腐蚀作用和它们之间的联合作用 ，金属材料经常会受到所工作环境的外界因素的影响。从设备生产和使用的角度出发 ，在生产相关的设备的时候 ，要防止金属材料受到空蚀的破坏 ，在满足金属材料生产的设备的运行和结构的条件前提之下 ，设备要尽量采用能够抗空蚀的复合材料来进行设计和生产。
2 金属材料表面抗空蚀涂层的设计
目前对金属材料抗空蚀的处理 ，通常是可以在金属材料的表面镀上一个涂层 ，这个金属涂层采用特殊的材料 ，金属材料有了这个涂层的保护可以在很大的程度上保护金属材料免受空蚀的影响。
对金属材料的表面镀上一个特殊的防空蚀涂层主要从两个方面来入手进行 ：
1）从开发复合型的金属材料来入手加强科学研究 ，利用最新的科技研究成果开发出来新的复合材料。到目前为止，已经开发出来了具备抗空蚀的金属材料，但由于开发这种金属材料的成本巨大 ，所以一般开发出来的金属构件仅仅用于大型机械的主要关键部位的零件。
2）从金属材料的表面来入手利用现代工艺对一些工程部件的表面镀上涂层 ，这个涂层需要采用特殊的材质 ，并利用最新的工艺技术镀上去 ，这样可以给金属材料提供一个表面的保护 ，这样可以防止关键部位发生空蚀。
2.1 表面渗氮处理技术
金属表面渗氮处理技术是目前的一个比较新的金属抗空蚀处理技术 ，其基本原理是利用渗氮处理技术在金属表面参入一种氮化物 ，这种氮化物覆盖在金属材料的表面 ，可以使金属材料通过氮化物从而隔绝与外界的接触。
目前对金属表面渗氮处理技术的研究进展的比较顺利 ，已经有了多种比较成熟的处理技术 ，包括等离子体渗氮、离子渗氮以及激光气相渗氮技术等。
2.2 激光表面改性技术
激光表面改性技术是一种比较常见的抗空蚀技术 ，其基本原理是利用激光的热作用来使得覆盖在金属材料表面的合金粉末或者一些金属的薄片融化 ，从而在金属材料的表面形成一种覆盖 ，覆盖之后可以迅速的凝固并形成一种合金层 ，这个合金层可以很好的保护金属材料免受外界空蚀的影响。
金属材料在经过了激光表面改性技术之后 ，可以使金属材料表面覆盖物金属颗粒的性质发生变化 ，这使得外界的空蚀环境无法影响金属材料本身 ，起到一个绝缘的作用。
2.3 热喷涂技术
热喷涂技术是近年来的一种热门的技术 ，其原理是利用热能量将金属材料加热到一种融化和半融化的状态 ，金属材料达线路瞬时接地、自动重合闸以及备用电源自启动等 ，很有可能造成化工企业供电系统电压瞬间降低或者消失 ，即业界所说的晃电现象。关于晃电定义 ，笔者认为可以从其对电气设备的影响小大来定义 ，凡是能使设备失去功能的电压变化都应该列入晃电。为防止晃电发生 ，具体措施除从供配电系统方面采取措施外 ，对控制方面也应采取相应措施。
2.1.1 低压电动机控制回路防晃电措施
低压电动机是化工企业生产装置中使用数量较多的设备，为保证低压电动机不受晃电影响，可以在控制回路中采取措施。如 ：使用常规时间继电器、使用交流 UPS 电源或者直流电源、设计单独使用的 PLC 控制柜等。
2.1.2 变频器控制设备防晃电措施
变频器在化工企业生产装置中使用越来越多 ，由于变频器对供配电系统电压变化的极其敏感 ，很小的电压波动都有可能导致变频器控制设备出现停机。关于变频器晃电问题的解决，主要有以下两种方案 ：第一 ，使用变频器控制的普通设备 ，可以通过设置、调整变频器参数来解除变频器自身的低电压报警、停机功能 ；二是对于变频器控制的重要设备 ，可以考虑使用直流支撑系统为变频器供电 ，如果出现交流停电 ，直流支撑系统可以立即运行 ，保证设备不停机。
2.1.3 大型机组防晃电措施
化工企业生产设备多为大型机组 ，这些大型机组基本都使用独立控制中心 ，如 ：ITCC 控制盘和 PLC 控制盘等 ，化工企业大型机组运行的所有控制操作基本都能通过控制盘完成 ，但控制盘对供配电线路的电压变化是比较敏感的 ，稍有电压波动都有可能导致机组保护性停机 ，为了避免化工企业生产过程中设备出现不必要的停机 ，因此要为控制盘接上不间断电源。
2.2 积极的使用漏电保护设备
我国化工企业生产规范中 ，规定化工企业生产设备应该使用 TN-S 系统 ，化工企业多使用 380V/220V 低压系统 ，保护方式都基本使用接地方式。但笔者认为 ，上述规范有其不合理之处 ，需要向发达国家相关标准学习 ，修改规范推动我国电气行业标准化。可以说 TN-S 系统并不是理想的保护方式 ，因为化工生产设备中的低压负荷基本全部为电动机负荷 ，是没有中性线需要的 ，PE 线保护也并不完全可靠 ，由于保护 PE 线长度要 300m，保护作用相对有限。国内曾有专家建议使用 IT 系统、TT 系统替代 TN-S 系统 ；但笔者认为单独使用 IT 系统、TT 系统可以有效节约电缆 ，但关于供配电系统安全性的提高作用却有限 ，建议通过加装漏电继电器来提高系统可靠性。
2.3 交流变频技术的应用
化工企业的生产特点 ，决定其需要使用大量的泵、风机设备。关于上述设备的流量压力的控制，传统方法是使用调节阀，即通过调节旁路调节阀开度来调节泵出口流量、压力等参数 ；调节阀的使用很容易造成资源性浪费 ，单个调节阀投资可能是单个变频器的多倍 ，使用变频器更能节约投资和电能 ；并且调节阀需要经常性的对其磨损、物料堵塞等进行检修 ，无形中加重工作量 ；而使用变频器调节电动机的转速 ，则能显著提高泵的运行稳定性 ，提高化工企业生产设备运行安全可靠性。
4 结论
为促进化工企业生产安全性的提高 ，本文针对化工企业供配系统的控制维护问题进行了探讨 ，较为系统性阐述了提高化工企业设备系统安全性、可靠性和稳定性的措施与建议 ，期望能对同行有参考价值。
参考文献略
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