水轮机汽蚀(“小气泡”的威力有多大？来看“气蚀”伤害)

Posted 2023-05-30

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水轮机汽蚀(“小气泡”的威力有多大？来看“气蚀”伤害)

气蚀是指固体表面与液体相对运动时，流体介质在固体表面附近形成大量的气泡，气泡运动到液体压力大于气泡压力的地方时，气泡不断的破灭。上面的叙述也许有些抽象，我们的生活中随处都有气蚀的存在，如划船时，船桨拨动湖水，在船桨的附近就会形成很多气泡，这些气泡的不断产生、破灭就会对船桨产生气蚀破坏。

（图片来自网络）

其实，流体中这些由于各种原因形成的气泡本身并不可怕，这些小的泡泡本身通常不会对固体材料构成损伤，但这些无穷多、不断形成的气泡的“破灭”会有很大的“杀伤力”，这是为什么呢？

这是因为气泡在溃灭的过程中会产生极大的冲击力和高温，正是这样的冲击力和高温不断作用于固体表面，导致“滴水穿石”效应，造成了与流体接触的固体表面的损伤。损伤的开始，固体表面仅仅是出现气蚀的小坑，进而坑中物质被掏空形成海绵状，最后，海绵状损伤联通后就形成固体材料的大面积凹坑剥落，导致材料严重的气蚀损伤，这样的损伤使得固体的零部件失去了正常有效工作的能力。可见，就是流体中的这些“美丽”小泡泡，形成了对固体表面的“滴水穿石”效应，最后导致了“万箭穿心”的灾难性后果。

然而，在科学探究过程中，气蚀过程是一个十分复杂的物理、化学过程，也是一个多学科交叉研究领域，涉及到材料学、机械设计、流动动力学、材料力学、材料物理、物理化学、腐蚀科学、摩擦学等很多学科，只有对这些学科知识的综合考虑和运用，才能解释过流部件表面不同种类材料与液体介质之间的流体力学、电化学等的耦合交互作用，进而解释相应的气蚀现象。气蚀的伤害广泛的存在于各类军民舰船螺旋桨、海洋大型装备部件、航空发动机泵体、水轮机叶片、水泵零件等，由此造成的国民经济损失巨大。

中国科学院兰州化学物理研究所磨损与表面工程课题组长年从事热喷涂涂层材料的耐气蚀性能研究。通过多年的研究积累，该团队针对WC基超硬涂层、铁基非晶涂层、Ni基金属涂层、氧化物陶瓷涂层等开展了在去离子水和人工海水的耐气蚀性能研究。

目前认为，涂层材料的硬度、韧性、致密性和耐介质腐蚀性是影响材料耐气蚀性能的关键因素。针对上述影响因素，研究人员创造性地利用“有机-无机”复合，制备了树脂增韧陶瓷耐气蚀涂层。

近期，他们又利用具有优异耐高温耐腐蚀性能的Ni基合金粉末，制备了相关耐气蚀涂层材料，揭示了涂层晶体结构演变、物相、组织改善对涂层在人工海水中耐气蚀能力提高的机理；研究了涂层表面形成的腐蚀膜与涂层气蚀性能的交互作用并进行了深入剖析；通过对涂层气蚀斑区域进行电化学测试，分析了气蚀损伤的电化学腐蚀作用机制。

研究表明，在流体介质中，涂层材料本身的力学性能、涂层中微缺陷的改善均可提升涂层的耐气蚀性能；耐腐蚀性能的提升会缓和气蚀的损伤过程，针对腐蚀-气蚀耦合作用，腐蚀会加剧气蚀损伤，但是所造成的最终材料失效，仍是以气蚀损伤为主。

8YSZ和8YSZ-ER涂层气蚀斑截面3D形貌和涂层光学照片

（图片来源：CeramicsInternational 45 (2019) 5693–5702）

不同致密度8YSZ涂层气蚀6h后气蚀斑的SEM和涂层光学形貌

（图片来源：Ultrasonics - Sonochemistry 46 (2018) 1–9）

NiCoCrAlYTa 涂层在人工海水中的气蚀质量损失和气蚀损失速率

NiCoCrAlYTa涂层气蚀-腐蚀耦合损伤示意图

（图片来源：CorrosionScience 169 (2020) 108635）

NiCrWMoCuCBFe涂层在人工海水气蚀20h后气蚀斑的TEM表征

（图片来源：AppliedSurface Science 525 (2020) 146499）

NiCrWMoCuCBFe涂层气蚀斑的电化学特性（图片来源：Applied Surface Science 525(2020) 146499）

上述研究成果近年分别发表在 Ultrasonics - Sonochemistry （Ultrasonics - Sonochemistry，46，（2018）， 1-9）、 Ceramics International （Ceramics International，45，（2019），5693-5702）、Corrosion Science（Corrosion Science ，169， (2020) 108635）、Journal of Materials Science & Technology(Journal of Materials Science & Technology，53，(2020) 19-31)和Applied Surface Science(Applied Surface Science，525，（2020）146944)。

来源：中国科学院兰州化学物理研究所