“小氣泡”的威力有多大？來(lái)看“氣蝕”傷害！

氣蝕是指固體表面與液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體介質(zhì)在固體表面附近形成大量的氣泡，氣泡運(yùn)動(dòng)到液體壓力大于氣泡壓力的地方時(shí)，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(shí)，船槳撥動(dòng)湖水，在船槳的附近就會(huì)形成很多氣泡，這些氣泡的不斷產(chǎn)生、破滅就會(huì)對(duì)船槳產(chǎn)生氣蝕破壞。

（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

其實(shí)，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(huì)對(duì)固體材料構(gòu)成損傷，但這些無(wú)窮多、不斷形成的氣泡的“破滅”會(huì)有很大的“殺傷力”，這是為什么呢？

這是因?yàn)闅馀菰跐绲倪^(guò)程中會(huì)產(chǎn)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(dǎo)致“滴水穿石”效應(yīng)，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(xiàn)氣蝕的小坑，進(jìn)而坑中物質(zhì)被掏空形成海綿狀，最后，海綿狀損傷聯(lián)通后就形成固體材料的大面積凹坑剝落，導(dǎo)致材料嚴(yán)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(duì)固體表面的“滴水穿石”效應(yīng)，最后導(dǎo)致了“萬(wàn)箭穿心”的災(zāi)難性后果。

然而，在科學(xué)探究過(guò)程中，氣蝕過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，也是一個(gè)多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，涉及到材料學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、流動(dòng)動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、材料物理、物理化學(xué)、腐蝕科學(xué)、摩擦學(xué)等很多學(xué)科，只有對(duì)這些學(xué)科知識(shí)的綜合考慮和運(yùn)用，才能解釋過(guò)流部件表面不同種類材料與液體介質(zhì)之間的流體力學(xué)、電化學(xué)等的耦合交互作用，進(jìn)而解釋相應(yīng)的氣蝕現(xiàn)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(fā)動(dòng)機(jī)泵體、水輪機(jī)葉片、水泵零件等，由此造成的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失巨大。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所磨損與表面工程課題組長(zhǎng)年從事熱噴涂涂層材料的耐氣蝕性能研究。通過(guò)多年的研究積累，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(rèn)為，涂層材料的硬度、韌性、致密性和耐介質(zhì)腐蝕性是影響材料耐氣蝕性能的關(guān)鍵因素。針對(duì)上述影響因素，研究人員創(chuàng)造性地利用“有機(jī)-無(wú)機(jī)”復(fù)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(yōu)異耐高溫耐腐蝕性能的Ni基合金粉末，制備了相關(guān)耐氣蝕涂層材料，揭示了涂層晶體結(jié)構(gòu)演變、物相、組織改善對(duì)涂層在人工海水中耐氣蝕能力提高的機(jī)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(jìn)行了深入剖析；通過(guò)對(duì)涂層氣蝕斑區(qū)域進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，分析了氣蝕損傷的電化學(xué)腐蝕作用機(jī)制。

研究表明，在流體介質(zhì)中，涂層材料本身的力學(xué)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(huì)緩和氣蝕的損傷過(guò)程，針對(duì)腐蝕-氣蝕耦合作用，腐蝕會(huì)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(xué)照片

（圖片來(lái)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(xué)形貌

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

NiCoCrAlYTa 涂層在人工海水中的氣蝕質(zhì)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(lái)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(lái)源：AppliedSurface Science 525 (2020) 146499）

NiCrWMoCuCBFe涂層氣蝕斑的電化學(xué)特性（圖片來(lái)源：Applied Surface Science 525(2020) 146499）

上述研究成果近年分別發(fā)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(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所