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金属材料表面抗腐蚀涂层的研究进展
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发布日期:2018-11-2
空蚀是指在高速多相流条件下,液体介质中局部压力变化致使空泡形成和溃灭,材料连续受到高压、高速微射流冲击作用而产生表面破坏。长期以来,空蚀严重影响着水泵、水轮机、阀门等过流部件及船舶螺旋桨等的性能与服役寿命。目前,较被认可的金属材料空蚀破坏或失效机制可概括为机械作用、腐蚀作用、热作用以及它们联合作用的结果,但受到服役环境(如水质、水流流速、水流含气、沙量等)与材料性质(如工件的构型和材料本身的物理化学性能)的影响。从设备角度来看,防止空蚀破坏可以结合结构设计和材料选择来实现。在满足结构设计、运行条件两方面前提下,选择抗空蚀性能好的材料成为防止材料空蚀的关键所在。研究发现,提高金属材料的空蚀孕育期可有效提高其抗空蚀性能,可从两方面入手:一是开发抗空蚀综合性能更优异的新型金属材料,但新材料的研发与制造成本非常昂贵,仅仅适用于大型部件和主要部件;二是从材料构件表面着手,利用先进的表面工程技术对过流部件提供表面防护,既可节约贵重材料,又可为易发生空蚀破坏的部位提供有效防护。基于此,近年来国内外学者开始对金属材料表面抗空蚀涂层进行深入研究,研究内容主要集中在利用现代表面改性技术,如激光表面改性技术、等离子表面改性技术、热喷涂技术、渗氮和堆焊等方法,改善金属的抗空蚀性能,以满足工业生产的需求。本文对金属表面抗空蚀涂层的制备方法及抗空蚀效果与作用机理的最新进展进行了评述,展望了未来金属表面抗空蚀表面改性研究的发展趋势。
       金属材料表面抗空蚀涂层的制备技术:
       近年来,随着表面涂镀层技术的发展,具有优异综合力学性能的抗空蚀涂层的研究取得了较大进步,流体的力学性能和使用寿命得到有效提高。采用的表面涂镀技术包括激光表面改性技术、等离子表面改性技术、热喷涂技术、渗氮和堆焊等。
    1.1 激光表面改性技术
        基于高能量的激光辐照热作用,通过激光表面熔覆、激光表面合金化、激光表面熔凝等技术,研究人员在不锈钢、铸钢、铜合金等材料表面制备出不同种类的抗空蚀涂层。
    (1)激光表面熔覆
      激光表面熔覆是利用激光辅助的热作用,使基体表面的合金粉末(或金属薄片)加热至熔融态,然后在基体表面快速凝固而形成合金层。目前在过流部件金属材料表面进行激光熔覆处理的熔覆材料可大致分为3类:(1)利用Fe、Ni、Cr、Co等多种单质元素制备合金粉末或在其中添加适量B、Si等元素获得自熔性合金,如镍基、镍铬基、铁基等。
        Kwok等采用预置粉末法在奥氏体不锈钢表面熔覆几百微米厚的Fe、Ni、Cr、Co、B等多种元素合金层,研究表明,涂层主要以奥氏体相为主,含有少量的碳化物与硼化物。熔覆层无裂纹和气孔,与基体结合牢固。该类涂层的空蚀失效形式与显微组织成分相关,涂层中含有较多的奥氏体相时表现为韧性断裂,而含马氏体相较多时则发生脆性断裂。比较而言,利用含Co的铁基合金粉末获得的熔覆层具有较强的抗空蚀性能,原因在于Co有利于提高涂层中马氏体含量,增加涂层硬度,从而有效降低空蚀孕育期层错的产生与应力诱发马氏体相变。(2)合金粉末+碳化物增强相。在NiAl合金粉末中添加TiC增强相后,激光熔覆获得的金属间化合物较未添加TiC的涂层的抗空蚀性能有所提高。分析认为TiC增强相提高了NiAl涂层加工硬化的性能。在Ni60中添加WC增强相后,在铸钢表面形成的熔覆层抗空蚀性能较基体提高了约21.43倍,原因在于涂层中紧密结合的WC颗粒强化了涂层中富Ni相。(3)NiTi合金涂层。Chiu利用激光熔覆技术在316L不锈钢表面分别预置NiTi合金粉末或NiTi合金薄片,获得的NiTi合金熔覆层存在差异,前者类似316L不锈钢奥氏体相结构,而后者则以NiTiB2相为主,同时夹杂部分细小的四方结构沉淀物。利用NiTi合金薄片获得的熔覆层具有较高的硬度、弹性回复比(接近块体NiTi合金)及致密度,抗空蚀性能较好。综上所述,激光熔覆涂层的原始成分与形态、预处理方式、显微组织严重影响其抗空蚀性能。
    (2)激光表面熔凝
      KwokCT等利用激光熔凝技术分别处理了马氏体S42000与AISI440C不锈钢,实验结果表明,马氏体S42000不锈钢表面形成了约89%(体积分数)的残余奥氏体相,处理后的材料在3.5%NaCl溶液中的抗空蚀与抗点蚀性能显著提高,而且随着奥氏体相体积比例的增大,抗空蚀性能逐步增强,但抗空蚀性能在涂层硬度达到450HV后反而下降。与马氏体不锈钢相比,经过激光表面熔凝处理后的奥氏体S31603、S30400不锈钢在3.5%NaCl中的抗空蚀性能没有明显提高。此外,TangCH等利用2kW连续Nd∶YAG激光重熔锰镍铝青铜(MAB),研究发现,处理后的材料表面组织成分杂质降低,形成均匀的单相固溶体(β相);在3.5%NaCl中的抗空蚀性能提高约5倍。表面熔凝层的空蚀破坏过程与原始试样相比存在差别,原始MAB的空蚀破坏始于κ1相,随后在α/β相界形成进一步空蚀,产生韧性撕裂,而处理后MAB试样的相界数量减少,空蚀破坏主要始于三相间的结合点,以脆性撕裂为主。
    (3)激光表面合金化
        激光表面合金化是用激光使基体表面熔化的同时加入合金元素,以基体为溶剂,合金元素为溶质构成配制的合金层的表面处理技术。Szkodo等在碳钢表面预置Mn、Ni、Cr、Nb、Mo、Co等合金粉末,采用激光合金化获得含有奥氏体相的改性层,奥氏体相引发的应变强化作用显著提高了材料的抗空蚀性能。ZhangXB等利用激光合金化在CrNi-Mo不锈钢表面获得WC涂层,涂层与基体间的冶金结合和沉淀相的强化效应导致CrNiMo不锈钢的空蚀质量损失率降低约2/5,而在AA6061铝合金表面激光合金化SiC粉末后,其抗空蚀性能无明显改善。在其中掺杂一定比例的AlN或Si3N4后,其抗空蚀性能增强[29]。此外,在锰镍铝青铜表面利用纯Al粉末进行激光合金化处理后,表面主要形成单一硬质β相,硬度高达300HK,去离子水中抗空蚀性能提高约30倍。

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