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  來源: 中科院之聲

  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)(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?

  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凱發體育信譽網站_沙巴體育下注網址,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塗塗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基超硬塗層、鐵基非晶塗層、Ni基金屬塗層、氧化物陶瓷塗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凱發體育信譽網站_沙巴體育下注網址,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:Ceramics International 45 (2019) 5693–5702)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:Ceramics International 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)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:Corrosion Science 169 (2020) 108635)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:Corrosion Science 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塗層在人工海水氣蝕20h後氣蝕斑的TEM表征(图片来源:Applied Surface 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)
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)。

  來源:中國科學院蘭州化學物理研究所

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