金屬表面抗空蝕涂層的研究再上新臺階
  

空蝕是指在高速多相流條件下,液體介質中局部壓力變化致使空泡形成和潰滅,材料連續受到高壓、高速微射流沖擊作用而產生表面破壞。長期以來,空蝕嚴重影響著水泵、水輪機、閥門等過流部件及船舶螺旋槳等的性能與服役壽命。目前,較被認可的金屬材料空蝕破壞或失效機制可概括為機械作用、腐蝕作用、熱作用以及它們聯合作用的結果,但受到服役環境(如水質、水流流速、水流含氣、沙量等)與材料性質(如工件的構型和材料本身的物理化學性能)的影響。從去離子水設備角度來看,防止空蝕破壞可以結合結構設計和材料選擇來實現。在滿足結構設計、運行條件兩方面前提下,選擇抗空蝕性能好的材料成為防止材料空蝕的關鍵所在。研究發現,提高金屬材料的空蝕孕育期可有效提高其抗空蝕性能,可從兩方面入手:一是開發抗空蝕綜合性能更優異的新型金屬材料,但新材料的研發與制造成本非常昂貴,僅僅適用于大型部件和主要部件;二是從材料構件表面著手,利用先進的表面工程技術對過流部件提供表面防護,既可節約貴重材料,又可為易發生空蝕破壞的部位提供有效防護。基于此,近年來國內外學者開始對金屬材料表面抗空蝕涂層進行深入研究,研究內容主要集中在利用現代表面改性技術,如激光表面改性技術、等離子表面改性技術、熱噴涂技術、滲氮和堆焊等方法,改善金屬的抗空蝕性能,以滿足工業生產的需求。本文對金屬表面抗空蝕涂層的制備方法及抗空蝕效果與作用機理的最新進展進行了評述,展望了未來金屬表面抗空蝕表面改性研究的發展趨勢。

1 金屬材料表面抗空蝕涂層的制備技術

近年來,隨著表面涂鍍層技術的發展,具有優異綜合力學性能的抗空蝕涂層的研究取得了較大進步,流體的力學性能和使用壽命得到有效提高。采用的表面涂鍍技術包括激光表面改性技術、等離子表面改性技術、熱噴涂技術、滲氮和堆焊等。

1.1 激光表面改性技術

基于高能量的激光輻照熱作用,通過激光表面熔覆、激光表面合金化、激光表面熔凝等技術,研究人員在不銹鋼、鑄鋼、銅合金等材料表面制備出不同種類的抗空蝕涂層。

 (1)激光表面熔覆

激光表面熔覆是利用激光輔助的熱作用,使基體表面的合金粉末(或金屬薄片)加熱至熔融態,然后在基體表面快速凝固而形成合金層。目前在過流部件金屬材料表面進行激光熔覆處理的熔覆材料可大致分為3類:(1)利用Fe、Ni、Cr、Co等多種單質元素制備合金粉末或在其中添加適量B、Si等元素獲得自熔性合金,如鎳基、鎳鉻基、鐵基等。

Kwok等采用預置粉末法在奧氏體不銹鋼表面熔覆幾百微米厚的Fe、Ni、Cr、Co、B等多種元素合金層,研究表明,涂層主要以奧氏體相為主,含有少量的碳化物與硼化物。熔覆層無裂紋和氣孔,與基體結合牢固。該類涂層的空蝕失效形式與顯微組織成分相關,涂層中含有較多的奧氏體相時表現為韌性斷裂,而含馬氏體相較多時則發生脆性斷裂。比較而言,利用含Co的鐵基合金粉末獲得的熔覆層具有較強的抗空蝕性能,原因在于Co有利于提高涂層中馬氏體含量,增加涂層硬度,從而有效降低空蝕孕育期層錯的產生與應力誘發馬氏體相變。(2)合金粉末+碳化物增強相。在NiAl合金粉末中添加TiC增強相后,激光熔覆獲得的金屬間化合物較未添加TiC的涂層的抗空蝕性能有所提高。分析認為TiC增強相提高了NiAl涂層加工硬化的性能。在Ni60中添加WC增強相后,在鑄鋼表面形成的熔覆層抗空蝕性能較基體提高了約21.43倍,原因在于涂層中緊密結合的WC顆粒強化了涂層中富Ni相。(3)NiTi合金涂層。Chiu利用激光熔覆技術在316L不銹鋼表面分別預置NiTi合金粉末或NiTi合金薄片,獲得的NiTi合金熔覆層存在差異,前者類似316L不銹鋼奧氏體相結構,而后者則以NiTiB2相為主,同時夾雜部分細小的四方結構沉淀物。利用NiTi合金薄片獲得的熔覆層具有較高的硬度、彈性回復比(接近塊體NiTi合金)及致密度,抗空蝕性能較好。綜上所述,激光熔覆涂層的原始成分與形態、預處理方式、顯微組織嚴重影響其抗空蝕性能。

 (2)激光表面熔凝

KwokCT等利用激光熔凝技術分別處理了馬氏體S42000與AISI440C不銹鋼,實驗結果表明,馬氏體S42000不銹鋼表面形成了約89%(體積分數)的殘余奧氏體相,處理后的材料在3.5%NaCl溶液中的抗空蝕與抗點蝕性能顯著提高,而且隨著奧氏體相體積比例的增大,抗空蝕性能逐步增強,但抗空蝕性能在涂層硬度達到450HV后反而下降。與馬氏體不銹鋼相比,經過激光表面熔凝處理后的奧氏體S31603、S30400不銹鋼在3.5%NaCl中的抗空蝕性能沒有明顯提高。此外,TangCH等利用2kW連續Nd∶YAG激光重熔錳鎳鋁青銅(MAB),研究發現,處理后的材料表面組織成分雜質降低,形成均勻的單相固溶體(β相);在3.5%NaCl中的抗空蝕性能提高約5倍。表面熔凝層的空蝕破壞過程與原始試樣相比存在差別,原始MAB的空蝕破壞始于κ1相,隨后在α/β相界形成進一步空蝕,產生韌性撕裂,而處理后MAB試樣的相界數量減少,空蝕破壞主要始于三相間的結合點,以脆性撕裂為主。

 (3)激光表面合金化

激光表面合金化是用激光使基體表面熔化的同時加入合金元素,以基體為溶劑,合金元素為溶質構成配制的合金層的表面處理技術。Szkodo等在碳鋼表面預置Mn、Ni、Cr、Nb、Mo、Co等合金粉末,采用激光合金化獲得含有奧氏體相的改性層,奧氏體相引發的應變強化作用顯著提高了材料的抗空蝕性能。ZhangXB等利用激光合金化在CrNi-Mo不銹鋼表面獲得WC涂層,涂層與基體間的冶金結合和沉淀相的強化效應導致CrNiMo不銹鋼的空蝕質量損失率降低約2/5,而在AA6061鋁合金表面激光合金化SiC粉末后,其抗空蝕性能無明顯改善。在其中摻雜一定比例的AlN或Si3N4后,其抗空蝕性能增強[29]。此外,在錳鎳鋁青銅表面利用純Al粉末進行激光合金化處理后,表面主要形成單一硬質β相,硬度高達300HK,去離子水設備中抗空蝕性能提高約30倍。

采用激光處理技術對材料進行表面改性后,表面改性層的組織結構、硬度、均勻性與致密性以及與基體間的結合強度決定了其抗空蝕性能。而金屬基體材料性質與激光處理參數、熔覆或合金化用合金材料的變化導致涂層的抗空蝕作用效果和機理存在差異。獲得同時具備抗空蝕磨損與抗電化學腐蝕性能的激光表面改性層,以及正確理解激光技術制備涂層的空蝕破壞機理是未來需要努力的方向。

1.2 熱噴涂技術

近年來,具有對基體熱影響小、變形小和生產效率高等特點的熱噴涂技術被用于控制各種過流金屬部件的空蝕。熱噴涂是利用某種熱源將涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態,同時借助于焰流或高速氣體將其霧化,并推動這些霧化后的粒子噴射到基體表面,沉積成具有某種功能的涂層技術。目前,采用的熱噴涂材料主要有銅基合金、鎳基合金、鐵基自熔性合金、鈷基合金及NiTi合金等。而制備技術則逐步集中到能夠獲得更均勻、更低孔隙率、涂層與基體結合更好、生產效率更高的先進熱噴涂方法。

顧曉波等發現利用超音速火焰噴涂技術在Q235基體上噴涂的CuNi涂層具有較低的孔隙率,其耐空蝕性能優于氧-乙炔火焰噴涂的CuNi涂層,CuNi涂層的空蝕破壞類似于面心立方金屬空蝕破壞,失重均勻分布在涂層表面。王國剛等利用自熔性Ni46合金粉末,分別采用活性燃燒高速燃氣噴涂與直弧等離子冶金熔覆技術在304不銹鋼表面制備涂層,與直弧等離子冶金熔覆鎳基涂層相比,活性燃燒高速燃氣噴涂鎳基涂層屬于變形粒子堆積結構,涂層與基體及涂層內層間主要形成機械結合,孔隙較多,抗空蝕性能差,空蝕實驗進行6h后已發生嚴重破壞,失重嚴重,而前者在實驗進行36h后表面僅僅出現了稍微粗糙化,材料失重少;分析認為等離子熔覆鎳基涂層內部的冶金組織結構保證了其具備較強的結合強度和沖擊韌性,此外,涂層中高含量的Cr增加了涂層的熔融潤濕性,促使其形成完整的大塊熔覆體。王華仁等發現采用低壓等離子噴涂(Low plasma spray,LPS)制備的鈷基合金涂層比高速氧燃料氣火焰噴涂(High veloci-ty oxygen fuel thermal spray,HVOF)涂層具有更優越的抗空蝕性,在蒸餾水中的空蝕失重分別為18.0mg和420mg;但是熱處理(1073K×1h)后HVOF鈷基合金涂層的抗空蝕性能顯著提高,空蝕失重降為6.1mg。HiragaH等利用激光等離子體混合噴涂(Laser plasma hybrid spraying,LPHS)在鈦合金表面制備NiTi涂層,發現富Ni涂層的抗空蝕性能優于等原子比的NiTi涂層,分析認為NiTi奧氏體相的超彈性與富Ni相的高工作硬化能力導致其具有高抗空蝕性能。StellaJ等進一步研究發現,采用預合金化處理利用NiTi合金粉末制備的真空等離子噴涂涂層中非形狀記憶相的含量降低,表現出更好的抗空蝕性能。

王國剛利用超音速火焰噴涂技術制備了非晶納米Ni基/WC和Fe基涂層,發現涂層保持了良好的納米和非晶復合結構,主要相的晶粒粒徑為20~40nm。涂層結構致密、孔隙率低,與基體在界面元素互擴散形成微冶金結構,微硬度為HV300800~1000。涂層在模擬黃河泥沙的沖蝕實驗中表現出優于不銹鋼的耐沖蝕性能,制備到梯級水電站的水輪機葉片的涂層在經過3個月的真機考核后都基本完好無損。WuYP等采用HVOF技術在1Cr18Ni9Ti不銹鋼表面噴涂Fe-Cr-Si-B-Mn自熔性涂層,涂層主要由非晶相與尺度為10~50nm的納米晶顆粒構成,以富Fe、Cr相物質和硼化物為主。在純水中的抗空蝕性能較好,材料的損失主要發生在介于未熔化或半熔化狀態的顆粒與母材之間的孔洞或間隙的邊緣。

熱噴涂涂層,尤其是超音速火焰噴涂非晶納米涂層正逐漸從實驗研究走向實用化,在水電站的水輪機葉片抗空蝕領域表現出廣闊的應用前景。提高熱噴涂涂層的耐高溫性能,改善涂層的硬度與韌性,增強涂層與基體間的結合力,降低涂層的孔隙率是未來研究的重要方向。

綜上所述,通過表面工程技術來強化過流金屬部件材料表面,提高其抗空蝕性能是可行的。空蝕是由多種因素綜合作用的極為復雜的過程,其中材料的表面是控制空蝕動力學的關鍵,表面質量決定空蝕控制的效果。具有良好力學性能和抗腐蝕性能的材料表面可有效延長空蝕破壞的孕育期,抑制腐蝕介質對其產生的空蝕破壞。針對金屬材料抗空蝕表面改性,今后應進一步加強以下幾方面的研究。

 (1)空蝕涉及腐蝕介質、流動條件及材料性質等眾多因素作用,針對抗空蝕涂層的研究應多學科交叉進行,既要考慮實際工況條件下材料服役時的響應特性,又要考慮空泡產生的動態過程和機理。

 (2)以抗空蝕涂層與金屬母材之間的結合強度為切入點,進一步探討抗空蝕涂層與金屬基體的結合工藝,利用復合工藝獲得具有實用價值的、質地致密均勻、高硬度、高回彈性的涂層材料。

 (3)目前尚未建立針對涂層材料較為完整的空蝕物理模型和理論,因此,涂層材料的空蝕機理應是未來研究的重要內容。只有徹底了解涂層材料的空蝕破壞原因,才能為抗空蝕涂層的研發提供理論依據。

 


 
 
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