【中科院之聲】“小氣泡”的威力有多大?來看“氣蝕”傷害

  氣蝕是指固體表面與液體相對運動時,流體介質在固體表面附近形成大量的氣泡,氣泡運動到液體壓力大于氣泡壓力的地方時,氣泡不斷的破滅。上面的敘述也許有些抽象,我們的生活中隨處都有氣蝕的存在,如劃船時,船槳撥動湖水,在船槳的附近就會形成很多氣泡,這些氣泡的不斷產生、破滅就會對船槳產生氣蝕破壞。

   

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  其實,流體中這些由于各種原因形成的氣泡本身并不可怕,這些小的泡泡本身通常不會對固體材料構成損傷,但這些無窮多、不斷形成的氣泡的“破滅”會有很大的“殺傷力”,這是為什么呢?

  這是因為氣泡在潰滅的過程中會產生極大的沖擊力和高溫,正是這樣的沖擊力和高溫不斷作用于固體表面,導致“滴水穿石”效應,造成了與流體接觸的固體表面的損傷。損傷的開始,固體表面僅僅是出現氣蝕的小坑,進而坑中物質被掏空形成海綿狀,最后,海綿狀損傷聯通后就形成固體材料的大面積凹坑剝落,導致材料嚴重的氣蝕損傷,這樣的損傷使得固體的零部件失去了正常有效工作的能力??梢?,就是流體中的這些“美麗”小泡泡,形成了對固體表面的“滴水穿石”效應,最后導致了“萬箭穿心”的災難性后果。

  然而,在科學探究過程中,氣蝕過程是一個十分復雜的物理、化學過程,也是一個多學科交叉研究領域,涉及到材料學、機械設計、流動動力學、材料力學、材料物理、物理化學、腐蝕科學、摩擦學等很多學科,只有對這些學科知識的綜合考慮和運用,才能解釋過流部件表面不同種類材料與液體介質之間的流體力學、電化學等的耦合交互作用,進而解釋相應的氣蝕現象。氣蝕的傷害廣泛的存在于各類軍民艦船螺旋槳、海洋大型裝備部件、航空發動機泵體、水輪機葉片、水泵零件等,由此造成的國民經濟損失巨大。

  中國科學院蘭州化學物理研究所磨損與表面工程課題組長年從事熱噴涂涂層材料的耐氣蝕性能研究。通過多年的研究積累,該團隊針對WC基超硬涂層、鐵基非晶涂層、Ni基金屬涂層、氧化物陶瓷涂層等開展了在去離子水和人工海水的耐氣蝕性能研究。

  目前認為,涂層材料的硬度、韌性、致密性和耐介質腐蝕性是影響材料耐氣蝕性能的關鍵因素。針對上述影響因素,研究人員創造性地利用“有機-無機”復合,制備了樹脂增韌陶瓷耐氣蝕涂層。

  近期,他們又利用具有優異耐高溫耐腐蝕性能的Ni基合金粉末,制備了相關耐氣蝕涂層材料,揭示了涂層晶體結構演變、物相、組織改善對涂層在人工海水中耐氣蝕能力提高的機理;研究了涂層表面形成的腐蝕膜與涂層氣蝕性能的交互作用并進行了深入剖析;通過對涂層氣蝕斑區域進行電化學測試,分析了氣蝕損傷的電化學腐蝕作用機制。

  研究表明,在流體介質中,涂層材料本身的力學性能、涂層中微缺陷的改善均可提升涂層的耐氣蝕性能;耐腐蝕性能的提升會緩和氣蝕的損傷過程,針對腐蝕-氣蝕耦合作用,腐蝕會加劇氣蝕損傷,但是所造成的最終材料失效,仍是以氣蝕損傷為主。

 

8YSZ和8YSZ-ER涂層氣蝕斑截面3D形貌和涂層光學照片

(圖片來源:CeramicsInternational 45 (2019) 5693–5702)

 

不同致密度8YSZ涂層氣蝕6h后氣蝕斑的SEM和涂層光學形貌

(圖片來源:Ultrasonics - Sonochemistry 46 (2018) 1–9)

 

NiCoCrAlYTa 涂層在人工海水中的氣蝕質量損失和氣蝕損失速率

NiCoCrAlYTa涂層氣蝕-腐蝕耦合損傷示意圖

(圖片來源:CorrosionScience 169 (2020) 108635)

 

NiCrWMoCuCBFe涂層在人工海水氣蝕20h后氣蝕斑的TEM表征

(圖片來源:AppliedSurface Science 525 (2020) 146499)

 

NiCrWMoCuCBFe涂層氣蝕斑的電化學特性

(圖片來源:Applied Surface Science 525(2020) 146499)

  上述研究成果近年分別發表在 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)。

  原文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/6hznOeHG5w3TiKHM9qc7PQ

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