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  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,這些氣泡的不斷産生、破滅就會對船槳産生氣蝕破壞。

   

  (圖片來自網絡)

  其實,流體中這些由于各種原因形成的氣泡本身並不可怕,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”,這是爲什麽呢?

  這是因爲氣泡在潰滅的過程中會産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,最後,海綿狀損傷聯通後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。可見,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,最後導致了“萬箭穿心”的災難性後果。

  然而,在科學探究過程中,氣蝕過程是一個十分複雜的物理、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。

  目前認爲,塗層材料的硬度、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”複合,制備了樹脂增韌陶瓷耐氣蝕塗層。

  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,制備了相關耐氣蝕塗層材料,揭示了塗層晶體結構演變、物相、組織改善對塗層在人工海水中耐氣蝕能力提高的機理;研究了塗層表面形成的腐蝕膜與塗層氣蝕性能的交互作用並進行了深入剖析;通過對塗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,塗層材料本身的力學性能、塗層中微缺陷的改善均可提升塗層的耐氣蝕性能;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,仍是以氣蝕損傷爲主。

 

8YSZ和8YSZ-ER塗層氣蝕斑截面3D形貌和塗層光學照片

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

 

不同致密度8YSZ塗層氣蝕6h後氣蝕斑的SEM和塗層光學形貌

(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塗層氣蝕-腐蝕耦合損傷示意圖

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

 

NiCrWMoCuCBFe塗層在人工海水氣蝕20h後氣蝕斑的TEM表征

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

 

NiCrWMoCuCBFe塗層氣蝕斑的電化學特性

(图片来源: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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