摘 要

空蚀也被称为空泡腐蚀，一般发生在流体机械的高速相对运动部件，如水泵叶轮、船舶螺旋桨、气缸套等，它不仅造成巨大的经济损失，而且还带来了巨大的安全风险。利用表面工程技术和先进的涂层材料在过流部件表面制备抗气蚀涂层是解决过流部件气蚀问题的重要技术手段。

镍基合金由于具有良好抗空蚀性能和优异的工艺性而被广泛用作抗空蚀涂层材料。本文采用氧乙炔火焰喷熔工艺制备了WC增强的Ni基合金涂层，在淡水介质中进行了WC增强的Ni基合金涂层的空蚀试验，与Ni60进行对比。

实验结果表明：WC增强的Ni基合金涂层具有优异的抗空蚀性能，与Ni60相比有一定提高，所得结果对WC增强镍基合金涂层抗空蚀研究具有重要意义。

关键词：空蚀；涂层；镍基合金；碳化钨

Abstract

Cavitation corrosion, also known as cavitation corrosion, generally occurs in high speed relative motion components of fluid machinery, such as pump impeller, ship propeller, cylinder sleeve, etc., which not only causes great economic losses, but also brings great safety risks. Using surface engineering technology and advanced coating materials to prepare anti-cavitation coatings on the surface of superfluous components is an important technical means to solve the problem of cavitation erosion of superfluous components.

Nickel base alloy is widely used as anti-cavitation coating material because of its good anti-cavitation performance and excellent technology.In this article, the use of the oxyacetylene flame spray is made to prepare the WC's enhanced Ni base alloy coating, and in the freshwater medium, the cavorting experiment of the WC's enhanced ni-base alloy coating, is contrasted with Ni60.

The experimental results show that WC enhanced Ni base alloy coating has excellent cavitation erosion resistance, compared with Ni60 is, to some extent, improve the result of WC reinforced nickel-based alloy coating resistance to cavitation erosion research is of great significance.

Key Words：cavitation; coating; Nickel base alloy; WC

目 录

第1章 流体机械零件的空蚀失效机理分析 1

1.1 研究背景和研究目的 1

1.2 研究内容 1

1.3空蚀破坏的现象 2

1.3.1船舶机械的空蚀破坏 2

1.3.2 发电行业的空蚀破坏 3

1.4 空蚀概述 4

1.4.1 空蚀失效机理 4

1.4.2空蚀的影响因素 5

1.5 国内外研究现状 6

1.5.1 材料改进 6

1.5.2 增强结构 7

1.5.3 表面改性 7

第2章 流体机械零件的抗空蚀材料和方法 8

2.1流体机械零件表面抗空蚀主要材料 8

2.1.1 铁基合金 8

2.1.2 镍基合金 8

2.1.3 钴基合金 8

2.2流体机械零件表面抗空蚀主要方法 9

2.2.1 激光表面改性 9

2.2.2 热喷涂 9

2.2.3 表面渗氮 10

第3章 WC增强Ni基合金抗空蚀涂层设计 11

3.1 WC增强Ni基合金涂层简介 11

3.2 WC尺寸与添加量对镍基合金涂层性能的影响 11

3.2.1 WC尺寸对镍基合金涂层性能的影响 11

3.2.2WC添加量对镍基合金涂层性能的影响 12

第4章 WC增强Ni基合金抗空蚀涂层的制备 14

4.1 材料制备方法介绍 14

4.1.1 激光熔覆 14

4.1.2 电弧喷涂 15

4.1.3 火焰喷涂（熔） 15

4.2 制备工艺选取 15

4.3 制备工艺参数 16

4.4 涂层制备流程 17

第5章 WC增强Ni基合金涂层的空蚀试验研究 19

5.1 实验仪器 19

5.1.1 超声加工设备 19

5.1.2 超声波空蚀装置 19

5.2 操作过程 20

5.3 实验数据 21

5.4 结论分析 24

第6章 本文小结 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 流体机械零件的空蚀失效机理分析

1.1 研究背景和研究目的

空蚀又称气蚀、穴蚀，是在一定的高速流动和压力变化条件下物体表面产生空泡形成空化进而产生洞穴状腐蚀破坏的过程，通常发生在水泵零件、水轮机叶片和船舶螺旋桨等表面^[1]。在能源工业发达的二十一世纪，空蚀成为发电站和航运枢纽的主要破坏现象之一。利用最低价、最快速、最省力的方法来防治和避免空蚀的发生是水利研究人员的首要目标。

水电是清洁能源，可再生、无污染、运行成本低，易于进行调峰，对于提高资源利用率和经济社会综合效益十分有利。在日趋紧张的传统能源世界中，世界各国普遍优先发展水电，充分利用水电资源。中国水资源丰富，无论是水资源储量还是水能资源开发潜力，中国都稳居世界首位。然而，相比于发达国家，中国水电资源的开发利用还不是很高。截至2005年底，中国水电站装机容量已超过1亿千瓦，但开发率仅为24%，远低于发达国家50%~70%的开发利用率。因此，在一个相当长的时期内，我国水力资源开发潜力巨大^[2]。

水利机械如水轮机等水电站的主机设备，是将水能转化为电能的装置。这些设备的运行直接关系到水电站乃至整个电力系统运行的技术经济水平。通过对许多水电站的现场调查，发现水力机械部件尤其是螺旋桨和叶轮的空化损伤是当前水轮机运行中最突出的问题^[3]。因此，本课题的研究将有助于解决水力机械寿命短、提高运行可靠性、减少经济技术损失等工程问题。

1.2 研究内容

针对流体机械零件淡水中的空蚀分析，找到一个有效的、可行的抗空蚀方法，其中主要内容包括：

1. 流体机械零件的空蚀失效机理分析

根据流体机械零件在水中正常运行时的工作环境导致失效特征分析确定是机械空化造成的空蚀后果。对于不同的材料、不同的实验条件，往往得到不同的结论，分类讨论空蚀磨损的失效机理，其中包括形成过程和五种损伤机制。

1. 流体机械零件的抗空蚀材料和方法

对于流体机械零件抗空蚀方面有着许多的材料和方法。为了找到一种在淡水中经济的、高效的、易于推广的材料或方法，本文需要对现有的抗空蚀材料与方法大致进行分析，通过对比选择最优者。

1. WC增强Ni基合金抗空蚀涂层的设计

碳化钨增强下的镍基合金涂层是目前综合性能较为优良的抗空蚀涂层之一，这里通过分析WC颗粒的尺寸和质量分数所决定的硬度、抗磨损性等角度决定合金涂层的选型。

1. WC增强Ni基合金抗空蚀涂层的制备

讨论了现有对镍基合金涂层的主要制备方法，对结论得出的氧乙炔火焰喷熔的各项要求和参数作出规范。

1. WC增强Ni基合金涂层的空蚀试验研究

通过超声波空蚀实验对NiWC35合金涂层进行实验性的研究，验证此涂层抗空蚀的可行性和其抗空蚀的效果。

1.3空蚀破坏的现象

空蚀的形式通常是海绵状和蜂窝状，有时会产生针孔和麻点，此外，还伴有鱼鳞坑。在扫描显微镜下有时能观察到疲劳裂纹。裂纹沿晶界的扩展、扩展和连接导致晶体脱离，这是气蚀的一种重要失效形试。

空蚀破坏主要存在于在海洋油气平台、船舶机械部件、能源发电等领域。海洋油气平台中的各种泵体，如钻井泵、离心泵等会发生严重的空蚀破坏，降低了输送的效率；船舶行业中过流部件都存在明显的空蚀现象，如船舶柴油机气缸套、螺旋桨叶片、船舶尾轴等；在能源发电领域，脱硫浆液循环泵、蒸发器调节阀、水轮机等由于空蚀损坏导致失效。这些关键部件的性能下降可能造成巨大的能源损失，严重的空蚀现象甚至导致设备停运维护而造成巨大的经济损失并产生安全隐患。

1.3.1船舶机械的空蚀破坏

（1）螺旋桨的空蚀

螺旋桨的空蚀破坏是船舶机械中最典型的空蚀现象，螺旋桨材质与形状的差异导致空蚀破坏的程度也有所不同，一般而言，不锈钢材质的螺旋桨空蚀面积大，其空蚀缓慢；铜质螺旋桨作为硬度较低的材料，易产生较深的空蚀坑^[4]-[5]。当叶片周围的局部压力降低到临界值时，大量气泡继续生长并塌陷，表面受到连续冲击，从而加速了对已空蚀叶面的剥蚀。图1.2所示是螺旋桨发生了严重的空蚀。

图1.2 螺旋桨的空蚀实例

（2）船舶尾轴的空蚀

船舶尾轴空蚀的部位一般是水润滑尾轴与轴承间隙，其原理与柴油机缸套的空蚀类似。中、大型船体航行时，不可避免地产生振动，高频的振动使尾轴轴体和轴承之间的间隙发生相应的周期性变化。当尾轴某区域的间隙变大时，该处的压力会急剧减小，并伴随着水的气化；当该区域的间隙变小时，产生瞬时高压使得气泡凝结破裂，对尾轴材料表面产生强烈的冲击，导致尾轴轴向的区域内尾轴轴体和轴瓦之间的材料表面产生蚀坑，影响船舶的正常运行。

1.3.2 发电行业的空蚀破坏

（1）蒸发器调节阀的空蚀

核电与火电机组均普遍采用蒸汽供应系统，利用燃料加热供应回路中的水来产生蒸汽来驱动蒸汽轮机，蒸汽涡轮驱动发电机发电，实现“核能（或者煤炭的化学能）——蒸汽热能——电网电能”这样的能量转换。蒸发器调节阀在阀门开度较小时，通过的流体流速急剧增加，同时压力的急剧下降在阀杆的一端形成低压区。流体由于文丘里效应在通过细小的喉口时，流通面积过小导致流速增大，局部的压力过小，部分流体发生气化。大量的气泡影响阀门流通的连续性，并产生振动和噪声，流体快速流过的过程中，伴随着大量气泡的产生与溃灭，产生的高压冲击使得阀门底部的分流片处产生了空蚀。

（2）水轮机叶片的空蚀

水轮机被广泛应用在水利发电行业，水库泄流时，水流推动水轮机旋转，带动发电机产生电能，实现水库蓄水势能向电能的转化。水轮机叶片主要的失效形式是磨蚀，即泥沙的机械冲击和空蚀作用的共同影响，泥沙对叶轮表面局部区域产生高速的撞击，使材料表面局部区域产生微小的材料变形，空蚀则容易在这些产生缺陷的区域发生，使该区域的金属表面产生麻点状的蚀坑和孔洞，泥沙又对这些蚀坑和孔洞不断地冲刷和磨损，泥沙造成的磨蚀加剧了空蚀破坏的发展，在泥沙的机械冲击和空蚀作用的共同影响下，蚀点不断长大并形成较大的蚀坑，对水轮机叶轮表面产生严重的破坏^[6]。

1.4 空蚀概述

1.4.1 空蚀失效机理

空蚀作用会使固壁产生表面腐蚀破坏，经过以往学者的探究表明：产生空蚀破坏的机理主要包括机械作用机理、电化学腐蚀机理、化学反应机理、热学机理等，所以空蚀作用是一个复杂的物理化学过程^[7]。其中以机械作用机理为主的微射流和冲击波模试是造成固壁空蚀破坏的主要原因。一般而言空蚀的破坏程度随时间的延长而加剧，并展现出阶段性特征。通常可分为4个阶段：空蚀初生期(孕育期)、加速期、减弱期和稳定期。

（1）机械作用

根据机械作用理论，工件与流体接触的壁面引起的空化损伤是由于气泡破裂时产生的微射流和冲击波撞击表面造成的。Hammitt通过计算和实测得出，当移动气泡塌陷时，微射流在近壁处的速度可以达到70~180m/s。物体表面的冲击压力可高达140~170MPa(部分计算达到582GPa)，微射流直径约为2-3μm，表面撞击次数约为100~1000倍，每次冲击时间仅为100~1000次^[8]。如此高的冲击力在几微秒内将直接破坏物体的表面并形成蚀刻坑。较小的冲击力的重复作用将对物体表面造成疲劳损伤。

（2）化学腐蚀作用

在一般情况下，化学腐蚀和机械空化往往相互促进，气蚀和腐蚀两者的速度趋势是同步的，这样的情况会严重破坏工件表面。

因为水中含有大量的氯离子、熔化的氧气、硫化氢、二氧化硫等化学品，当蒸汽气泡破裂时，释放大量热能，产生巨大的冲击压力，在这种高温高压的条件下，这些化学离子便会与接触的金属工件表面发生氧化还原反应。

2Fe 3Cl₂=2FeCl₃

4Fe 3O₂=2Fe₂O₃

这样一系列的化学作用会导致生锈，加剧了金属的化学腐蚀过程同时也促进的空蚀的发生。

（3）电化学作用

在泡沫破裂的瞬间，产生局部高温。实验表明，当气泡被冷凝时，局部瞬时高温可达300℃。这将导致局部加热材料与周围材料之间的较大的局部温差，并形成热电偶。在工件工作中，热电偶中的电流通过材料，导致热电效应、电化学腐蚀和金属材料表面层的破坏。

（4）热力作用

空泡溃灭时，空泡中的气体的温度相当高(大致可达几百度)，当工件表面与这些高温气体接触时，其将被加热到熔点，局部强度因此而降低，最终导致破坏。

本文认为，气蚀的危害程度分为初始腐蚀(破坏深度1~2mm)、严重腐蚀(3~几十毫米的损伤深度)和极为严重的腐蚀(腐蚀型底侵)。

综上所述，在论述空蚀原理的文章中，单一的理论往往无法对空蚀现象给出合理的解释，空蚀现象应是多种机制的联合作用，在众多的空蚀理论中，微射流冲击理论和冲击波理论占主导地位，一部分科学家通过模型试验以及现象学分析，观察和模拟特定环境下空泡产生、长大和溃灭的过程，并且模拟出金属材料在各种破坏机制下的损伤过程，通过构建关于流体运动、空泡演变和空蚀破坏的数学物理模型来研究空蚀破坏现象。

1.4.2空蚀的影响因素

空蚀是流体动力学、材料学和物理化学的复杂现象，其问题复杂，因此影响因素较多，目前还未有一个成熟的定论，只能将其大致分为内因和外因两类。其中前者是从环境因素出发研究特性，后者通过材料本身的结构和特点来研究其微观反应。

（1）外部环境因素

空蚀开始时磨损效果随着流体温度的升高而加剧，温度达到流体温度的沸点一半时，该现象剧烈程度达到最大。然后液体温度继续上升，空蚀逐渐减缓；而液体的粘度和表面张力降低，会导致空蚀的加剧。在含固相颗粒液体介质中产生的空蚀一般称之为磨蚀。低于临界含量时磨蚀会随着固相粒子的浓度增加，当浓度高于临界浓度时，浓度增加，磨损减小。腐蚀程度取决于材料和液体介质的性质。腐蚀介质中空化引起的材料损失由介质中材料的损失率、腐蚀介质引起的附加材料的损失率和空化腐蚀的高温等几部分组成^[9]。

（2）材料自身因素

工件的外形对空蚀的影响。空化可能发生在压力变化的区域，导致气蚀。它通常发生在低压区的液体流动，而汽蚀发生在高压区。高压区气泡压缩或失效引起的局部水力冲击对金属表面有剥蚀作用。以液压系统为例，按空蚀产生的机理来看启闭阀、节流位置、不光滑吸油或安装过大的油泵吸油口等，均有可能产生空蚀。在液压、水循环和液压系统中，工件的形状对工件的空化生成和空蚀有着非常重要的影响，所以应当尽量避免在操作过程中不同部位的气蚀现象。

工件材料本身对空蚀的影响包括材料的晶体结构、材料的力学性能、表面粗糙度等，与材料的抗气蚀性密切相关。这些因素都直接影响空蚀过程中材料吸收能量的大小。面心立方晶格金属在高应力下容易发生塑性变形，它对高应变率、长潜伏期和良好的抗空蚀性不具有很强的敏感性。体心立方晶格和密排六方晶格金属对应变速率非常敏感，其空蚀失效主要体现为快速穿晶断裂和解理断裂，不耐汽蚀。然而，如果马氏体在金属空化过程中发生变化，其抗气蚀性能将大大提高。因为交变滑移发生在下断层叠层的位错结构中，在空蚀过程中容易阻碍位移并形成孪晶，使材料具有较高的加工硬化速率和均匀的变形能力，具有良好的抗汽蚀性能。晶粒尺寸小，材料的抗空蚀性相对较高。晶粒细化不仅改善了夹杂物的分布，而且改善了强度、硬度和塑性等力学性能，并由于晶界强化而提高了加工硬化能力。

1.5 国内外研究现状

进入本世纪以来，特别是过去的30年里，随着科技的发展和进步，在以水利围绕的流体机械零件行业部门的国内外许多学者对空化和空蚀机理进行了广泛的研究，最初的空化和空化试验、泡沫动力学影响因素，空化和空蚀强度的耐蚀性，材料等方面的研究取得了很大进展^[10]。

目前国内外为了针对流体零件因空蚀产生的磨损和危害，主要采用三种方试：①材料改进，对机械零件表面改用抗空蚀性能更优异的基体材料；②增强结构，对部件的几何结构进行抗空蚀优化；③表面改性，在已有基体材料表面制备抗空蚀涂层。

1.5.1 材料改进

目前流体机械零件的硬度是空蚀破坏速度的原因之一，故材料应该优先考虑结构紧密、质量均匀、力学性能好得，但此方法缺点是整块使用成本较高。我国在上世纪以来主要用普通碳素钢、不锈钢、低合金钢和高强度不锈钢被用作液压机械的基体材料。碳钢和不锈钢的成本较低，但气蚀性能较差；不锈钢的抗空蚀性能良好，但成本高。考虑到维修损失和机械性能等因素，高强度不锈钢在如今制造行业中被大范围应用。

1.5.2 增强结构

对流体零件结构进行优化达到物理上减小空蚀磨损，其中包含：降低零件的表面粗糙度来减小流体流动阻力；用于提高空化区压强的形体设计；令部件压力分布均匀用以减少空泡发生。此方法缺点在于目前大多数的流体机械结构设计技术已经成熟，难以通过优化来达到显著改观。

1.5.3 表面改性