黃加強，代青華，汪　洋，3，劉蘭軒，3，劉秀生，3（.海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北武漢 43005；.武漢材料保護研究所，湖北武漢 430030；3.特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室，湖北武漢 430030）

抗空泡腐蝕涂層的研究進展

黃加強1，代青華2，汪洋2，3，劉蘭軒2，3，劉秀生2，3
（1.海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北武漢 430205；2.武漢材料保護研究所，湖北武漢 430030；3.特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室，湖北武漢 430030）

概述了空泡腐蝕的機理及其影響因素。介紹了抗空蝕金屬涂層的制備技術。重點綜述了聚氨酯彈性體和聚脲彈性體抗空蝕有機涂層的研究進展，并與抗空蝕金屬涂層的防護性能進行了對比。探討了抗空蝕涂層技術的發(fā)展方向。

空泡腐蝕；抗空蝕金屬涂層；抗空蝕有機涂層；研究進展

0　引言

空泡腐蝕是水工建筑和水力機械使用過程中普遍存在的一種破壞形式，是屬于磨損腐蝕的一種特殊形式。它的產生原因是多相流在高速運動條件下，液體內部壓力分布不均，導致液體內部產生氣泡和氣泡潰滅，氣泡潰滅時會形成高速、高壓的微射流，微射流連續(xù)不斷地沖擊材料表面，就會導致材料表面發(fā)生嚴重破壞［1］。

解決水力過流部件的空泡腐蝕可從以下兩方面入手：一是開發(fā)抗空蝕綜合性能更優(yōu)異的新材料；二是利用先進的表面工程技術對過流部件表面提供防護。由于新材料的研發(fā)與制造成本非常昂貴，僅適用于大型部件和主要部件，在實際使用時，人們更傾向于從材料表面著手，既可節(jié)約貴重材料，又可對易發(fā)生空蝕破壞的部位進行具有針對性的高效防護［2］。

1　抗空蝕金屬涂層制備技術

近年來，國內外學者對抗空蝕涂層進行了深入研究，根據涂層材料的不同可以分為金屬涂層和有機涂層。其中金屬涂層的研究主要集中在利用現代表面改性技術，如激光表面改性技術、熱噴涂技術、微弧火花沉積、堆焊和滲氮等方法，在工件基體材料表面制備抗空蝕性能優(yōu)異的防護層，以滿足工件在空蝕環(huán)境下的使用需求。

1.1激光表面改性技術

激光表面改性技術是基于激光的高能熱輻射作用，主要通過激光熔覆、激光熔凝、激光表面合金化等技術對金屬基材進行表面處理，制備不同的抗空蝕層。

王維夫等［3］采用激光固溶+時效工藝對17-4PH不銹鋼表面進行處理。試驗結果表明：在優(yōu)化工藝參數（功率2.1 kW，掃描速率50 mm/min，460℃，時效3 h）下，可獲得最大厚度約4 mm的強化層。強化層性能呈梯度分布特征，最高維氏硬度（HV）可達約510 HV，比傳統(tǒng)的整體高溫固溶-時效處理高50～60 HV以上；蒸餾水中的空泡腐蝕性能表明：4.5 h累積損失量僅約為基體的40%。分析認為，硬度的提高和抗空泡腐蝕性能的改善主要與ε-Cu相等析出相的彌散強化有關，激光處理的高冷卻速度有利于獲得更多的位錯等微觀缺陷，因此相對于傳統(tǒng)熱處理更有利于ε-Cu相等的析出強化。王國剛等［4］利用等離子熔覆技術制備了鎳基涂層，采用SEM（掃描電鏡）、X射線衍射、顯微硬度、失重分析法對空蝕前后的涂層進行對比研究，并在旋轉圓盤空蝕試驗機上進行了空蝕試驗。SEM結果表明：等離子熔覆涂層與基體結合為冶金結合，內部組織致密，缺陷少。鎳基熔覆涂層呈現出良好的抗空蝕性能，其失重與不銹鋼對比明顯優(yōu)化。X射線衍射分析空蝕后的熔覆涂層，表面物相發(fā)生了變化，鎳基涂層在空蝕過程中出現了加工軟化。

1.2熱噴涂技術

近年來，由于熱噴涂技術對基體熱影響小、變形小、生產效率高等特點，越來越廣泛地應用于各種過流金屬部件的抗空蝕上。熱噴涂是利用熱源將涂層材料加熱到半熔融或熔融狀態(tài)，利用高速氣體或焰流使之霧化并噴射到基體表面，形成一種具有抗空蝕作用的保護涂層。目前采用的熱噴涂材料主要有NiTi合金、銅基合金、鎳基合金等。

張夢婷［5］以Ni包覆Ti作為原始粉末，采用低溫超音速火焰噴涂制備Ti-Ni涂層，并采取熱處理方法改善涂層性能。對不同熱處理工藝下涂層的物相組成進行分析，并測試不同涂層的抗空蝕性能。試驗結果表明：經950℃熱處理5 h后，涂層中形成更多的Ni-Ti合金相，涂層抗空泡腐蝕性能良好。王國剛等［4］利用熱噴涂技術制備了鎳基涂層，采用SEM、X射線衍射對空蝕前后的涂層進行了對比研究，并在旋轉圓盤空蝕試驗機上進行了空蝕試驗。SEM結果表明：熱噴涂涂層由堆積的變形粒子組成，與基體多為機械結合，涂層具有層狀疊加組織結構，其中孔隙較多。熱噴涂涂層因內部結合力較低，特別容易被空蝕微射流或沖擊波所破壞。

1.3微弧火花沉積技術

微弧火花沉積是以脈沖微弧直接放電的方式向基體表面提供能量，從而改變表面層的元素成分和金相結構的表面處理方法。在高脈沖、高能量下，會慢慢將陽極上的沉積材料熔覆在陰極表面，其最顯著的特點是對基體的熱影響非常小，理想狀態(tài)下可以獲得沒有裂紋的沉積，同時不會改變基材的性能和結構。

陳明聯［6］采用高能焊補以及微弧火花沉積技術在316不銹鋼表面制備了Stellite合金（鈷基合金）涂層。Stellite合金涂層的磨損性能明顯高于基體，其磨損主要為黏著磨損、氧化磨損和磨粒磨損，并且隨著法向載荷的增大，摩擦因數逐漸減??；Stellite合金涂層的抗空蝕性能也明顯優(yōu)于基體，相同時間下Stellite合金涂層的空蝕失重僅為基體的20%，而空蝕之后Stellite合金涂層的硬度有所提高，進而又提高了其自身的抗空蝕性能。

1.4堆焊技術

堆焊作為材料表面改性的一種經濟而快速的工藝方法，越來越廣泛地應用于各個工業(yè)部門零件的制造修復中，其堆焊層也呈現出良好的抗空蝕性能。等離子弧堆焊技術是采用等離子弧堆焊方法，利用等離子弧高溫、電流密度大的特點，將高硬度顆粒均勻地嵌鑲于堆焊層金屬中，而硬質顆粒不會熔化或很少會熔化，形成復合堆焊層。采用等離子弧堆焊技術獲得的復合堆焊層質量穩(wěn)定可靠，可使堆焊層達到無氣孔、無裂紋，以及碳化物無燒損、無熔解等缺陷。在磨損嚴重的工況條件下，復合堆焊層的耐磨性和抗空蝕性能優(yōu)異，較通常的鐵、鈷、鎳基合金表面保護層耐磨使用壽命可提高幾倍甚至十幾倍。同時，由于堆焊層與被保護工件表面是冶金結合，可以滿足很高的強度要求，與熱噴涂獲得的復合耐磨保護層相比，堆焊層結合強度是熱噴涂涂層結合強度的3～8倍。

雷玉成等［7］將一種新型的Cr-Ni-Co奧氏體堆焊材料用鎢極氬弧焊（TIG）堆焊到304不銹鋼表面。在人工海水的條件下，利用超聲波振動設備對堆焊層與304不銹鋼基體進行抗空泡腐蝕試驗，用失重法評價這兩種材料的抗空蝕性，用掃描電鏡（SEM）對Cr-Ni-Co堆焊層不同時間的空蝕形貌進行跟蹤觀測。試驗結果表明：與304不銹鋼的失重相比，Cr-Ni-Co堆焊層的失重顯得很小，呈現出優(yōu)良的抗空蝕性能；從SEM觀測到的空蝕形貌圖的變化中看出，滑移和相變是Cr-Ni-Co堆焊層吸收空泡沖擊能的主要方式，應力集中使得材料易產生裂紋，進而導致材料的斷裂和剝落。

1.5 表面滲氮處理技術

采用離子滲氮、等離子體滲氮等技術對材料進行表面處理，可以在基體材料表面形成氮化物層，有效提高其抗空蝕性能。

Huang W H等［8］利用離子滲氮技術對碳鋼進行表面改性處理，形成的氮化層可顯著提高碳鋼在純水和3.5%NaCl溶液中的抗空蝕性能，但在3.5%NaCl溶液中氮化層較高的腐蝕速率降低了其抗沖蝕性能。氮化溫度升高到1 423 K，以及提高N2+Ar混合氣體中的N2比例后，相對于固溶處理的AISI 304L，氮化處理后的材料在蒸餾水中的磨蝕速率降低約2/17［9］。

2　抗空蝕金屬涂層存在的問題

金屬涂層或者改性處理在抗空蝕領域發(fā)揮的作用毋庸置疑，但它在實際應用中還存在一定的問題：激光表面熔覆會使基體產生較大的熱變形，并影響基材的熱處理效果；熱噴涂涂層與基體間的結合力不夠高，涂層的孔隙率較大；電鍍或化學鍍不需要在高溫下進行，可以很好地保證零件的尺寸精度，但鍍層一般較薄，在抗空蝕方面的作用有限；單一滲氮處理后，碳鋼材料在腐蝕介質中的電化學腐蝕作用會提高其整體的沖蝕速率，呈現出敏感的沖蝕磨損性能。同時金屬涂層或者改性處理對工作環(huán)境及操作水平的要求都十分苛刻，成本較高，很難大面積推廣使用。

3　抗空蝕有機涂層

有機涂層比金屬涂層具有更好的抗腐蝕性，在空蝕過程，特別是在海洋環(huán)境下的空蝕過程中，可以有效地降低基體材料發(fā)生電化學腐蝕的可能性，這是金屬涂層無法達到的；同時有機涂層具有施工難度小、成本低等特點，在抗空蝕領域的研究發(fā)展較快，并取得了一定的成果，在一些工程和設備上得到了較大規(guī)模的應用。目前研究比較多的抗空蝕有機涂層主要有彈性有機硅樹脂、聚脲彈性體、聚氨酯彈性體等。

3.1聚氨酯彈性體

聚氨酯彈性體是近年來快速發(fā)展的一類新型彈性體材料，具有優(yōu)良的力學性能、抗疲勞性能和耐介質性能。

聚氨酯彈性體化學結構中含有大量重復的氨基甲酸酯鏈段，分子主鏈由玻璃化溫度低于室溫的柔性鏈段和玻璃化溫度高于室溫的剛性鏈段嵌段而成。低聚物多元醇構成軟鏈段，異氰酸酯和小分子擴鏈劑構成硬鏈段［10-11］。聚氨酯的原材料品種較多，其彈性體的配方也多種多樣，性能可調范圍非常大，既可制成邵氏硬度低至A10以下的低模量橡膠，也可制成邵氏硬度D85、彈性模量高達數百兆帕的高抗沖擊彈性體材料，大大超出了其它橡膠的彈性模量；與同等硬度的其它橡膠相比，聚氨酯彈性體的抗拉強度、抗壓強度等要高出許多［12］。

聚氨酯彈性體具有相對較高的損失因子，在受到外力沖擊或高頻振動時，能吸收高達60%以上的能量，可有效消除或減緩外力沖擊、高頻振動等所產生的破壞。因此，聚氨酯彈性體是適宜制備抗空泡腐蝕彈性體的一類新型材料。

陶業(yè)立［13-14］使用MDI（二苯基甲烷二異氰酸酯）和PTMG 1000在85℃下反應2.5 h，制得聚氨酯彈性體；將MOCA（莫卡，3，3’-二氯-4，4’-二氨基二苯基甲烷，聚氨酯用固化劑）與PTMG 1000混合，制得擴鏈劑/固化劑，制備的彈性體具有較長的凝膠時間，且性能優(yōu)異，拉伸強度達15 MPa，斷鏈伸長率達300%。當涂層厚度>1 000 μm時，空蝕160 h后，涂層與基材外觀仍完好，沒有出現明顯的表面破壞。同時，彈性體涂層還具有優(yōu)異的柔韌性和抗沖擊性；與金屬基材的附著力較大；彈性體涂層具有優(yōu)異的耐鹽霧性、耐恒溫海水浸泡性，在恒溫海水中浸泡90 d，綜合性能基本保持不變。

張瑞珠等［15］采用全氟烷基乙醇（TEOH-10）對二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）進行修飾的方法引入氟元素，同時通過控制反應過程中MDI加入量和加入時機，制備了無親水—CH2OH基團、且具備含氟鏈段的聚氨酯（FPU）。耐水性試驗結果表明：由于低表面能的氟碳鏈（—CF2CF3）向材料表面遷移，并在表面形成“疏水荷葉效應”的有機氟膜，FPU呈現出很強的疏水性。當TEOH-10的物質的量為MDI理論用量的0.3%～0.5%時，FPU的吸水率僅在0.014 6%～ 0.018 2%之間，并在吸水浸泡試驗3 200 h后，保持10.31～10.79 MPa的高黏結力?？箾_蝕磨損試驗結果表明：FPU涂層具有優(yōu)異的抗沖磨和氣蝕性能，隨著氟含量的增加，聚氨酯硬段組分中含氟F-MDI分子間的內聚能增加，提高了硬段微區(qū)的彈性模量和抗張強度，并通過氫鍵結構協(xié)同軟段分子鏈的運動，緩沖了高速磨損顆粒和氣泡潰滅時對涂層產生的巨大反復的沖擊力，使FPU的空蝕量由2.375 6×10-3kg降低到0.933 4×10-3～1.245 4×10-3kg，涂層的抗氣蝕磨損性能得到明顯提高。綜合考量水下過流部件防護涂層實際應用的性能要求，當TEOH-10/MDI的物質的量之比約為0.5，即氟元素的質量分數約為9.39%時，FPU具備較好的耐水性、黏結力和抗氣蝕磨損性能，可望用作一些氣蝕現象嚴重的水下過流部件的防護涂層。

3.2聚脲涂層

聚脲是在聚氨酯基礎上發(fā)展形成的一種新型環(huán)保材料，聚天冬氨酸酯聚脲是其發(fā)展的最新階段。與傳統(tǒng)聚脲相比，聚天冬氨酸酯聚脲因空間位阻的原因，與異氰酸酯組分反應速度緩慢，由其制備的涂層對基材具有更好的浸潤性，且涂層缺陷少，其凝膠時間可調。

李寧等［16-17］研制了一種聚天冬氨酸酯聚脲彈性體材料，制成涂層后，在空蝕模擬試驗機上進行抗加速空蝕性能研究。試驗結果表明：研制的聚天冬氨酸酯聚脲彈性體材料與改性環(huán)氧樹脂材料和剛性聚天冬氨酸酯聚脲材料相比，具有更優(yōu)異的抗空蝕性能。由此得出結論：柔性高分子材料比剛性高分子材料的抗空蝕性能要高出許多倍，且材料的抗拉強度越高，其抗空蝕能力越強。聚天冬氨酸酯聚脲彈性體作為一種性能優(yōu)良的聚合物材料，在抗空蝕領域有一定的應用前景。

除此之外，何劍雄等［18］通過模壓成型工藝制得納米SiO2、玻璃微珠顆粒共混改性的UHMWPE復合材料，采用MRH-SA型環(huán)塊磨損試驗機研究載荷，以及玻璃微珠含量對UHMWPE復合材料摩擦磨損性能的影響；利用轉盤式空蝕磨損試驗裝置對復合材料進行空蝕磨損試驗。試驗結果表明：適量的納米SiO2和玻璃微珠顆粒填充可以提高UHMWPE的硬度，有效改善UHMWPE的摩擦磨損性能和抗空蝕性能，質量分數10%的納米SiO2和2%的玻璃微珠改性UHMWPE復合材料的抗空蝕性能是純UHMWPE的3倍。

4　結語

空蝕是一個極為復雜的過程，迄今為止，尚未建立較為完整的空蝕物理模型和理論。僅從材料的角度來研究和預防空蝕是遠遠不夠的，應當把不同工況條件下的空蝕作用機理與材料的抗空蝕性聯系起來，更好、更全面地進行防蝕研究。例如，彈性材料和脆性材料的空蝕能否用同樣或類似的機理進行解釋；抗拉強度、斷裂伸長率和硬度，哪一個對材料的抗空蝕性能影響更大等，同時需考慮腐蝕對空蝕的影響。材料空蝕機理是今后空蝕研究的重要內容，尤其是腐蝕介質中的空蝕機理，對于抗空蝕材料的選擇具有重要的指導意義。由于空蝕與材料的性質和流動條件等眾多問題有關，空蝕研究應多學科交叉進行，加強不同學科間的合作，才能早日解決該難題。

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5 張夢婷.Ti-Ni涂層的研制及其空泡腐蝕性能研究［D］.湖南長沙：中南大學，2013.

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阿克蘇諾貝爾隊率先加入2017-18沃爾沃環(huán)球帆船賽 揚帆啟航冒險征程

阿克蘇諾貝爾日前宣布，將攜手荷蘭著名帆船運動員西蒙·蒂安蓬（Simeon Tienpont）組建阿克蘇諾貝爾帆船隊，以安全環(huán)保的方式角逐2017-18沃爾沃環(huán)球帆船賽冠軍，并邀請世界各地愛好者關注這一偉大征程。阿克蘇諾貝爾隊是新賽季首支確認參賽隊。作為全球頂尖的離岸帆船賽事，2017-18沃爾沃環(huán)球帆船賽將造訪11個主辦城市：阿利坎特（西班牙）、里斯本（葡萄牙）、開普敦（南非）、香港（中國）、廣州（中國）、奧克蘭（新西蘭）、伊塔加（巴西）、紐波特（美國）、卡迪夫（威爾士）、哥德堡（瑞典）、海牙（荷蘭）。整個賽事將傳承荷蘭引以為豪的航海傳統(tǒng), 并為阿克蘇諾貝爾提供與世界各地的新老客戶近距離交流的機會。

在荷蘭席凡寧根舉行的發(fā)布會上，阿克蘇諾貝爾負責高性能涂料業(yè)務執(zhí)理會成員康睿德（Conrad Keijzer）表示：“與西蒙·蒂安蓬的合作可謂強強聯手。阿克蘇諾貝爾擁有市場領先的高性能船舶和游艇涂料，而西蒙·蒂安蓬是天才的帆船運動員，重視團隊合作，意志堅定并極具感召力，這些都是阿克蘇諾貝爾所珍視的寶貴品質。”

發(fā)布會在色彩紛呈的席凡寧根港碼頭（靠近賽事終點）舉行。發(fā)布會之前阿克蘇諾貝爾對碼頭標志性的五十根立柱進行了涂裝，以防止海浪等環(huán)境侵蝕。此次帆船比賽也將為投資當地社區(qū)、改善居民生活和提高城市吸引力創(chuàng)造更多機會。

The Research Progress of Cavitation Erosion Resistant Coating

Huang Jiaqiang1，Dai Qinghua2，Wang Yang2，3，Liu Lanxuan2，3，Liu Xiusheng2，3
（1.PLA Navy Representative Offi ce in 719th Research Institute，Wuhan Hubei，430205，China；2.Wuhan Research Institute of Materials Protection，Wuhan Hubei，430030，China；3.State Key Laboratory of Special Surface Protection Materials and Application Technology，Wuhan Hubei，430030，China）

The mechanism and influence factors of cavitation erosion were summarized. The preparation technology of metal coating with cavitation erosion resistance was introduced. The research progress on the cavitation erosion resistant organic coating from polyurethane elastomer and polyurea elastomer were emphatically summarized. In addition，the contrast of protection performance between organic coating mentioned above and metal coating were conducted. The development direction of cavitation erosion resistant coating were discussed.

cavitation erosion；metal coating with cavitation erosion resistance；organic coating with cavitation erosion resistance；research progress

TQ 630.7

A

1009-1696（2016）04-0029-05

2016-01-20

黃加強（1968—），男，工學博士，高級工程師，主要從事艦艇總體設計工作。