侯孟揚(yáng)，秦真波，夏大海，胡文彬

（1.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.天津市材料復(fù)合與功能化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

空蝕，又稱氣蝕，是指流體在高速流動(dòng)狀態(tài)下由于壓力變化，導(dǎo)致空泡的產(chǎn)生、生長和潰滅，并對材料表面產(chǎn)生侵蝕的行為?？瘴g是很多水動(dòng)力設(shè)備（如螺旋槳、水輪機(jī)等）的主要損傷和失效原因。空蝕損傷不僅破壞了裝備材料，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且存在很大的安全隱患。除此之外，我國確立了建設(shè)海洋強(qiáng)國的目標(biāo)，對海洋裝備的耐空蝕性能提出了更高要求。發(fā)展耐空蝕的高性能海洋裝備，是我國鞏固好海洋總體布局、抵御外部安全威脅、進(jìn)行遠(yuǎn)洋科考、開發(fā)深海資源等一系列活動(dòng)的重要前提，具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義和應(yīng)用價(jià)值。

在海洋環(huán)境中產(chǎn)生的空蝕，相比于液壓缸、管道等工程環(huán)境，具有明顯復(fù)雜多樣的特點(diǎn)。原因是海洋環(huán)境復(fù)雜，受緯度、海域等地理因素作用明顯，在此環(huán)境下工作的海洋裝備受到來自多個(gè)物理場（包括溫度場、應(yīng)力場、腐蝕場）和多相流（包括氣、液、固）等多樣因素的影響，比如不同海水含鹽量、泥沙量的不同，都會(huì)對空蝕損傷的程度有影響。因此，本文系統(tǒng)全面分析了影響海洋環(huán)境下空蝕的各種影響因素和多場多相的作用機(jī)制，綜述了近年來的空蝕研究進(jìn)展。

1 空蝕的損傷機(jī)制

對空蝕現(xiàn)象的關(guān)注可以追溯到20世紀(jì)初，Rayleigh計(jì)算了球形氣泡塌陷過程中流體內(nèi)部的壓力，指出了塌陷產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓足以對材料產(chǎn)生破壞的可能性。同樣，Okada等也通過實(shí)驗(yàn)證明，氣泡潰滅產(chǎn)生的局部壓力可以達(dá)到1.2 GPa，比部分不銹鋼的屈服強(qiáng)度還要高。多年來，人們在各種體系中觀察到空蝕現(xiàn)象，比如過去一直困擾的振蕩熱管中監(jiān)測到聲學(xué)信號的問題，Steve等利用24根平行的毛細(xì)銅管，將兩側(cè)分別設(shè)置為冷端和熱端，經(jīng)長時(shí)間工作后，在散熱區(qū)域的內(nèi)表面上觀察到蝕坑，回收液中存在銅碎片，證明了在內(nèi)徑毫米尺度的毛細(xì)管中，同樣存在空蝕現(xiàn)象。

對于空蝕損傷過程，主要包括空化氣泡的產(chǎn)生，及隨后氣泡潰滅對材料造成損傷。發(fā)展到現(xiàn)在，關(guān)于金屬材料的空蝕損傷的機(jī)制，形成了幾種觀點(diǎn)，主要包括機(jī)械作用、化學(xué)腐蝕作用、電化學(xué)腐蝕作用、熱效應(yīng)作用。

關(guān)于空化氣泡的產(chǎn)生，一般來說，空泡有2種形核方式，一種是通過外部熱量注入產(chǎn)生沸騰空泡（非慣性空化），一種是像螺旋槳在工作時(shí)，其高速旋轉(zhuǎn)加快局部流體流動(dòng)，使壓力降低到低于飽和蒸汽壓（慣性空化）。當(dāng)空泡遇冷或到達(dá)高壓位置，體積收縮，氣泡就會(huì)發(fā)生內(nèi)爆。

機(jī)械作用主要有沖擊波機(jī)理和微射流機(jī)理。沖擊波機(jī)理認(rèn)為，當(dāng)空泡潰滅后，空泡內(nèi)的勢能轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能，巨大的壓力脈沖壓縮周圍液體介質(zhì)，產(chǎn)生沖擊波，并以潰滅點(diǎn)為中心向周圍輻射傳播，使材料發(fā)生塑性變形。早期的研究中，沖擊波機(jī)理占據(jù)了主導(dǎo)地位，Okada等支持認(rèn)為沖擊波反復(fù)撞擊材料導(dǎo)致的疲勞損傷和塑性變形是空蝕損傷的主要原因。1944年，Kornfeld提出了微射流機(jī)理，基本觀點(diǎn)認(rèn)為，對于固體表面附近的空泡，由于不規(guī)則使得潰滅速度不同，遠(yuǎn)離表面的空泡潰滅較早，向表面發(fā)射類似“水錘”作用的微射流，進(jìn)行沖擊。這種觀點(diǎn)，隨著高速攝像機(jī)的引入，觀察到微射流的存在，而得到越來越廣泛的認(rèn)可。對于2種機(jī)理哪一個(gè)占主導(dǎo)地位進(jìn)行了廣泛的討論和研究，如Dular等利用高速攝像機(jī)研究單個(gè)氣泡塌陷的氣泡動(dòng)力學(xué)，得出結(jié)論，當(dāng)氣泡在材料表面附近內(nèi)爆時(shí)，微射流機(jī)制明顯，而當(dāng)氣泡遠(yuǎn)離材料表面時(shí)，沖擊波作用更重要，且在剪切流作用的特殊條件下，即使距離增大，主要損傷機(jī)制仍然為微射流。Osman等研究了純鋁上的空蝕損傷，認(rèn)為當(dāng)損傷涉及到幾百微米尺度的大塑性變形時(shí)，沖擊波機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位，并伴隨著氣泡團(tuán)簇的內(nèi)爆。Zhai等研究了氣泡在介于剛性表面和自由表面之間的彈性表面附近的塌陷，認(rèn)為當(dāng)沖擊波傳播到彈性邊界時(shí)，與剛性邊界相比，傳播距離大，沖擊壓力迅速衰減，因此沖擊波機(jī)制對彈性材料的影響較小，微射流機(jī)制是此條件下空蝕損傷的主要因素。

腐蝕作用主要包括化學(xué)腐蝕作用和電化學(xué)腐蝕作用。關(guān)于腐蝕與空蝕的關(guān)系，目前普遍觀點(diǎn)認(rèn)為是一種相互促進(jìn)的機(jī)制，腐蝕會(huì)加速空蝕，空蝕也會(huì)加速腐蝕。對于化學(xué)腐蝕作用來說，金屬與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成腐蝕產(chǎn)物膜，在空蝕的沖擊破壞下，腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜破損剝離，暴露出新鮮金屬表面與腐蝕性物質(zhì)接觸，促進(jìn)了腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展；另一方面，腐蝕產(chǎn)物的疲勞強(qiáng)度一般低于原金屬，且腐蝕后的粗糙表面使空蝕時(shí)的力學(xué)沖擊更集中，因此腐蝕加劇了空蝕損傷的程度。對于電化學(xué)腐蝕作用來說，孫冬柏等認(rèn)為空泡的潰滅過程使材料表面發(fā)生彈塑性變形，使該區(qū)域的局部表面狀態(tài)與周圍區(qū)域存在差異，內(nèi)能發(fā)生變化，電化學(xué)性質(zhì)不同，形成電偶電池，此區(qū)域作為腐蝕陽極區(qū)，電流密度高、腐蝕速率大，導(dǎo)致材料的損傷與破壞。對于腐蝕的作用，劉海濤指出，在絕緣體材料中依然存在空蝕現(xiàn)象，表明了腐蝕可以加速空蝕損傷，但并不是空蝕存在的必要條件。

對于熱效應(yīng)作用，源于氣泡潰滅時(shí)具有很高的氣體溫度，當(dāng)高溫作用于材料表面時(shí)，會(huì)使金屬材料發(fā)生相變，達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)還會(huì)發(fā)生熔融，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降，加劇空蝕損傷。對于熱效應(yīng)的研究，例如Abdel Fattah等于空蝕條件下在鈦金屬表面觀察到熔融現(xiàn)象，考慮到鈦金屬的熔點(diǎn)高達(dá)725 ℃，表明了空蝕的熱效應(yīng)可以產(chǎn)生足夠高的溫度。又如，傅蒙茹等在空蝕坑周圍發(fā)現(xiàn)彩虹光暈，即彩虹環(huán)，是空蝕破壞中熱效應(yīng)的獨(dú)特體現(xiàn)，與材料熱力學(xué)參數(shù)急劇變化、溫度梯度較大有關(guān)。

總而言之，當(dāng)空化氣泡形核、長大并潰滅后，可以通過多種作用機(jī)制影響到材料表面，產(chǎn)生侵蝕蝕坑，導(dǎo)致材料的破壞或失效。眾多研究表明，這些作用機(jī)制并不是單一孤立地或簡單加和式起作用，而是以非線性耦合的形式，協(xié)同影響著空蝕損傷。

2 空蝕的影響因素

空蝕損傷在幾種損傷機(jī)制作用的基礎(chǔ)上，還受到很多因素的影響，表現(xiàn)出來，就是具有不同表面性質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)的材料，在多場多相的各種不同環(huán)境下，空蝕損傷的程度會(huì)有較大差別。本文按照影響因素的性質(zhì)分類，將它們分為環(huán)境因素（外因）與材料性質(zhì)因素（內(nèi)因）來進(jìn)行討論。

2.1 環(huán)境因素

環(huán)境因素又可細(xì)分為自然環(huán)境因素與工作環(huán)境因素，自然環(huán)境因素主要指海水中的各種性質(zhì)，如固體顆粒、溫度、鹽度、黏度、海洋生物污損、腐蝕性雜質(zhì)離子、含氫量等；工作環(huán)境因素主要包括螺旋槳等水動(dòng)力設(shè)備的各項(xiàng)工作條件，如空蝕時(shí)間、應(yīng)力。對于多場多相的環(huán)境，溫度場與溫度因素有關(guān)，應(yīng)力場與應(yīng)力因素有關(guān)，腐蝕場主要涉及到鹽度、溫度等因素。固相主要指固體顆粒的作用；液相涉及到的因素有鹽度、黏度、海洋生物污損、腐蝕性雜質(zhì)離子；氣相主要與含氫量有關(guān)。

2.1.1 固體顆粒

多場多相中的固相主要指固體顆粒，研究固體顆粒的性質(zhì)與作用可以從大小和形狀兩方面入手。研究表明，固體顆粒的大小與空蝕有很大關(guān)系。根據(jù)ISO 14688，將處于0.002~0.063 mm的顆粒定義為淤泥，而在此范圍之外的，小于0.002 mm的固體顆粒稱為黏土，大于0.063 mm的固體顆粒稱為沙子。Stella通過向溶液中添加氧化鋁顆粒，并利用超聲波空化侵蝕設(shè)備進(jìn)行空蝕試驗(yàn)，探索了1 μm以下尺寸的固體顆粒對空蝕侵蝕的影響。關(guān)于顆粒在空蝕過程中的狀態(tài)，Stella結(jié)合之前Arora的模型，提出了3種假說，如圖1所示。通過能量計(jì)算，預(yù)測出直徑1 μm的固體顆粒碰撞的能量不足，而尺寸在30~ 70 μm的固體顆粒符合相應(yīng)的動(dòng)能閾值，粒子被微射流推向材料表面。因此得出結(jié)論，認(rèn)為平均直徑接近1 μm的顆粒不會(huì)顯著改變侵蝕速率，與微射流本身的損傷作用相比可以忽視。

圖1 空泡和粒子撞擊固體表面示意圖[23] Fig.1 Schematic representation of cavities and particles striking against a solid surface[23]

鑒于不同尺寸的固體顆粒對空蝕的影響不同，興起了臨界砂粒徑的概念。Wang等通過設(shè)置對照組試驗(yàn)，探究了不同固體顆粒濃度、大小對空蝕損傷的作用。結(jié)果顯示，當(dāng)砂粒小于其臨界粒徑時(shí)，侵蝕作用隨著砂粒徑的減小和砂粒濃度的增加而減少；大于臨界尺寸的砂粒通過空泡坍塌的噴射流機(jī)制被推向固體表面，造成侵蝕。對于2種不同趨勢，Wang等解釋當(dāng)尺寸小時(shí)，顆粒通過空化成核不能獲得足夠的動(dòng)量，此時(shí)黏度發(fā)揮主導(dǎo)作用。顆粒尺寸減小、濃度增大時(shí)，黏度增大，進(jìn)而空蝕損傷減弱。他的工作證明了臨界砂粒徑的存在，指明空蝕防護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)該放在粒徑大于臨界尺寸的淤泥或沙子。

對于固體顆粒的形狀來說，外形很難量化，一般處理方法是引入侵蝕角的概念，將其棱角的作用抽象為不同侵蝕角的影響。研究過程中，空蝕損傷一般是伴隨著沖刷侵蝕協(xié)同出現(xiàn)，實(shí)際工程應(yīng)用中，例如水輪機(jī)中金屬材料的質(zhì)量損失，就是空蝕和沖蝕的耦合作用。

固體顆粒撞擊材料表面時(shí)，不同的侵蝕角會(huì)導(dǎo)致固體顆粒對材料表面具有不同大小的作用力，進(jìn)而材料的損傷類型和損傷程度都會(huì)有變化，已經(jīng)有部分研究團(tuán)隊(duì)針對侵蝕角進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。如Abedini等探究了鋁–黃銅合金在20°～90°侵蝕角范圍下的侵蝕和侵蝕–腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)在40°侵蝕角下具有最大的侵蝕速率。Huang等研究了侵蝕角對QAl9-4合金侵蝕行為的影響，同樣類似在侵蝕角為30°時(shí)具有最大的質(zhì)量損失，具有延展性金屬的典型特征。此外，Huang等提出將沙子沖擊力分為水平和垂直分量，如圖2所示。垂直分量在表面層產(chǎn)生變形，導(dǎo)致變形損傷；水平分量類似于從材料表面切割一部分，導(dǎo)致切割損傷，認(rèn)為失效過程是2種損傷機(jī)制的組合。

圖2 侵蝕過程示意圖[28] Fig.2 Schematic of erosion process[28]

除了設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)進(jìn)行規(guī)律探索外，也有研究團(tuán)隊(duì)利用公式推導(dǎo)推測侵蝕角的影響。Huang等構(gòu)建了一種侵蝕模型，將粒子定義為具有球形形狀的磨料顆粒，將其沖擊速度分為切向速度和法向速度，來預(yù)測不同條件下的侵蝕和腐蝕類型。模型預(yù)測結(jié)果表明，侵蝕角較小時(shí)以切向切割損傷為主，如果侵蝕角接近90°，侵蝕主要是以法向變形損傷為主，發(fā)生最大損失時(shí)的侵蝕角在20°~40°，與其他團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)結(jié)論也一致。

侵蝕角與沖蝕的影響，會(huì)對材料表面造成疲勞損傷與塑性變形，改變材料表面狀態(tài)，進(jìn)而對空蝕有一定的促進(jìn)作用。同時(shí)，一些研究表明，材料經(jīng)歷空蝕與沖蝕的交互作用后，會(huì)存在加工硬化現(xiàn)象，表現(xiàn)出抵御空蝕損傷的積極一面。因此，空蝕與沖蝕間的相互作用問題仍然未解釋清楚，需要更進(jìn)一步的研究。

2.1.2 溫度

溫度作為最常見的變量之一，是多場多相中溫度場、腐蝕場的關(guān)鍵影響因素，早在20世紀(jì)60、70年代就進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。例如，Plesset利用磁致伸縮裝置的持續(xù)震蕩作用營造空蝕條件，研究了0~90 ℃下溫度變化對空蝕損傷的作用。結(jié)果顯示，空蝕損傷顯示峰形結(jié)構(gòu)，損傷最高速率的溫度在40~ 50 ℃，此溫度對材料類型不敏感，且損傷率越大的材料，峰形結(jié)構(gòu)越明顯，如圖3所示。關(guān)于解釋，Plesset認(rèn)為隨溫度升高，液體蒸汽壓增大，蒸汽密度更高，通過冷凝驅(qū)動(dòng)氣泡塌陷需要更多的熱量傳導(dǎo)，這樣抑制了氣泡的塌陷；與之相反的另一作用，溫度升高，氣體溶解度減小，氣泡塌陷更劇烈，空蝕破壞性更強(qiáng)。這兩者趨勢相反的情況共同作用，導(dǎo)致峰形結(jié)構(gòu)。

圖3 以蒸餾水為空蝕溶液、空蝕15 min后不同材料的 質(zhì)量損失隨溫度的變化曲線[31] Fig.3 Summary of curves for a variety of materials with temperature after cavitation erosion for 15 min with distilled water as the cavitating liquid[31]

到了21世紀(jì)初，Hattori考慮到振動(dòng)空化裝置不能準(zhǔn)確反映實(shí)際工作條件，因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行了流動(dòng)狀態(tài)下的溫度對空蝕的影響的探究。Hattori依據(jù)相對蒸汽壓定義相對溫度的概念后，試驗(yàn)結(jié)果趨勢同樣是峰形結(jié)構(gòu)。對相同的試驗(yàn)現(xiàn)象，Hattori提出了改進(jìn)的解釋，他認(rèn)為空化損傷增加是因?yàn)殡S溫度升高，氣泡數(shù)量增加，而把峰值以后空蝕損傷減少歸因于氣泡破裂的熱力學(xué)效應(yīng)。

進(jìn)一步，Dular研究了高溫下的空蝕，詳細(xì)地解釋了氣泡的熱力學(xué)效應(yīng)，并給出了氣泡動(dòng)力學(xué)模型。Dular在論文中提出2種模型，一種是認(rèn)為空化氣泡攜帶勢能，破裂時(shí)通過波輻射的形式傳遞，最后的空蝕損傷集中于一個(gè)氣泡；另一種認(rèn)為球形氣泡塌陷時(shí)釋放沖擊波，釋放的能量與塌陷速率有關(guān)。通過計(jì)算，第2種情況更符合實(shí)際情況，Dular理論預(yù)測出70 ℃以后，氣泡最大半徑減小，而不同溫度下塌陷時(shí)間基本相同。具體來說，在高溫下，液體蒸汽壓增大，氣泡內(nèi)氣壓等于液壓與大氣壓之和，因此氣泡內(nèi)氣壓變大，對應(yīng)于氣泡最大半徑變小，在塌陷時(shí)間相同的情況下，塌陷更慢，釋放的沖擊波能量更小，因而損傷變小。

除了上文討論的溫度影響溫度場來影響空蝕過程外，也可以通過影響腐蝕場來控制空蝕損傷。林翠等在探究溫度對Ti-6Al-4V的初期空蝕行為中就指出，溫度升高導(dǎo)致更高的腐蝕速率，腐蝕作用加速了點(diǎn)蝕形成，導(dǎo)致表面局部應(yīng)力集中和電化學(xué)電池的產(chǎn)生，促進(jìn)了空蝕損傷的發(fā)展。溫度繼續(xù)升高時(shí)，雖然腐蝕作用仍然促進(jìn)空蝕損傷，但微射流的沖擊強(qiáng)度明顯減弱，后者在空蝕過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，因此導(dǎo)致空蝕損傷速率的減緩。

綜合幾十年來溫度對空蝕的影響的研究進(jìn)展可以看出，人們對于溫度作用的認(rèn)識在修正中不斷發(fā)展完善，從以氣體溶解度等宏觀因素考慮轉(zhuǎn)移到氣泡熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等更本質(zhì)的原因來解釋，目前較新的研究認(rèn)為溫度通過影響蒸汽壓，進(jìn)而影響到氣泡塌陷過程?？紤]溫度在溫度場和腐蝕場中的作用，結(jié)合前文關(guān)于空蝕機(jī)制的描述，可以看出，在溫度場中溫度是通過影響微射流和沖擊波等機(jī)械作用進(jìn)而影響到空蝕過程，在腐蝕場中則與化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕作用機(jī)制有關(guān)。鑒于多場多相的環(huán)境，當(dāng)研究溫度對空蝕的影響時(shí)，需要重視材料在2種場下的協(xié)同作用。

2.1.3 鹽度

在海洋環(huán)境中，鹽度是螺旋槳工作時(shí)的一個(gè)可變因素，也會(huì)對空蝕損傷有一定的影響。根據(jù)Zakowski等在論文中提到的，海水的鹽度隨地區(qū)不同會(huì)有差異，世界平均水平與實(shí)驗(yàn)室模擬海水鹽度約為3.5%，而一些特殊地區(qū)，如波斯灣鹽度可超過5%，波羅的海由于蒸發(fā)率較低，其南部一個(gè)名叫格但斯克灣的海灣鹽度可低至0.7%~0.8%，因此探究鹽度對空蝕的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

Gou等設(shè)置了7組不同鹽度的對照組，用ASTM 1045碳鋼探究鹽度對空蝕的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。當(dāng)NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3.5%時(shí)，隨著NaCl濃度的增加，空蝕侵蝕急劇增加；但當(dāng)NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.5%時(shí)，趨于穩(wěn)定。對于這種現(xiàn)象，Rybkin等曾對NaCl水溶液中空化氣泡的形成和動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水中鹽的質(zhì)量濃度的增加導(dǎo)致產(chǎn)生的慣性空化氣泡的平均直徑減小，并且其數(shù)量逐漸減少，在水中鹽混合物濃度接近13%時(shí)幾乎完全消失，飽和鹽溶液中只存在非慣性空化氣泡。在此基礎(chǔ)上，Gou等認(rèn)為，鹽度增加導(dǎo)致空化氣泡平均直徑減小是高鹽度時(shí)空蝕損傷作用不再顯著增大的原因。

為了探究不同材料對于鹽度的影響是否都有一樣的趨勢，Smith等選用低合金鋼（UNS G43400）和3種不銹鋼（UNS S15500、UNS S31600、UNS S32760）在0.05%、3.5%和10% 3種不同鹽度的溶液中進(jìn)行了空蝕損傷試驗(yàn)。結(jié)果顯示，隨鹽度的增大，3種不銹鋼的總體積損失量略有增加，而低合金鋼在鹽度從0.05%變化到3.5%時(shí)，體積損失量劇烈增大，從3.5%變化到10%時(shí)，空蝕損傷沒有明顯增加。Smith等認(rèn)為低合金鋼較大的空蝕損傷，與其非金屬夾雜物分布不均有關(guān)。從該試驗(yàn)可以看出，不同材料對鹽度的敏感度是不同的，但總體趨勢類似，當(dāng)鹽度從極小開始增大時(shí)，空蝕作用由磨損侵蝕為主變?yōu)楦g–侵蝕共同作用，因而損傷增大，但不銹鋼等耐腐蝕的材料損傷增大趨勢比低合金鋼等材料要緩慢。

圖4 不同濃度的NaCl溶液環(huán)境下的累積質(zhì)量損失 與空蝕時(shí)間的關(guān)系[36] Fig.4 Relationships between cumulative mass loss and exposure time for various concentrations of NaCl[36]

同溫度類似，鹽度對空蝕損傷的影響，不僅是對空蝕過程本身有作用，也可以通過影響腐蝕過程、實(shí)現(xiàn)空蝕侵蝕–腐蝕協(xié)同效應(yīng)，導(dǎo)致材料損傷。Kwok等進(jìn)一步將總空蝕侵蝕–腐蝕速率（T）分為純侵蝕速率（E）、純腐蝕速率（C）和侵蝕與腐蝕協(xié)同效應(yīng)（S）產(chǎn)生的貢獻(xiàn)速率，并研究計(jì)算了各種工程合金材料對于這3種速率的相對大小，結(jié)果見表1。純侵蝕速率樣品是在蒸餾水環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)的，以排除腐蝕的作用。結(jié)果表明，空蝕侵蝕–腐蝕的協(xié)同效應(yīng)對鑄鐵材料貢獻(xiàn)占比25%，對低碳鋼的貢獻(xiàn)占比為66%。相比之下，銅合金中腐蝕作用和協(xié)同效應(yīng)的占比都低很多，對于不銹鋼材料更是可以忽略不計(jì)。這些結(jié)果與前文討論的內(nèi)容具有一致性，不同材料下具 有不同的腐蝕促進(jìn)的空蝕損傷率，歸根結(jié)底還是由材料的耐腐蝕性能決定的。

表1 3.5% NaCl溶液中各種合金侵蝕（E）、腐蝕（C）、腐蝕和侵蝕協(xié)同作用（S）貢獻(xiàn)[39] Tab.1 Contribution of erosion (E), corrosion (C), interaction between corrosion and erosion (S) of various alloys in 3.5% NaCl solution[39]

總而言之，海洋環(huán)境下流體具有一定的鹽度是不可避免的，這就注定了在此條件下研究空蝕損傷時(shí)，不能僅考慮機(jī)械損傷，腐蝕損傷機(jī)制同樣需要重視，且機(jī)械空蝕侵蝕與腐蝕之間，不是簡單的加和關(guān)系，對于部分耐蝕性能差的材料來說，兩者之間的協(xié)同效應(yīng)甚至?xí)袥Q定作用。因此，在進(jìn)行空蝕研究與防護(hù)時(shí)，有必要根據(jù)環(huán)境的性質(zhì)，選用合適的材料，把握好腐蝕在此過程中的作用。

2.1.4 黏度

Liu等利用纖維耦合光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)，探究了黏度對氣泡塌陷的影響，結(jié)果表明，黏度的增加減緩了氣泡的膨脹和坍塌，降低了液體微射流的沖擊力，氣泡的最大半徑也會(huì)隨著黏度的增加而急劇減少。因此，在多方面上，黏性液體可以有效抑制空蝕侵蝕。

此外，有研究表明，空蝕過程也會(huì)影響?zhàn)ざ?。Mercantili等利用超聲波處理多種黏度較大的油性液體，發(fā)現(xiàn)超聲波可以有效切割碳基有機(jī)油的碳鏈，而使黏度下降。當(dāng)超聲停止后，液體黏度又會(huì)恢復(fù)。Mercantili等認(rèn)為這種反應(yīng)為自由基反應(yīng)，并當(dāng)加入自由基清除劑后，有效防止了后續(xù)黏度增加。這種現(xiàn)象只出現(xiàn)于碳基油，對硅油等非有機(jī)油無效，Mercantili等認(rèn)為是與C—C和Si—O的鍵能差異有關(guān)。

Gou在研究含固體顆粒的液體在空蝕下的表現(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，含有小于0.04 mm砂顆粒懸浮液的黏度隨著砂粒徑的減小和砂濃度的增加而增加。向自來水中加入高濃度細(xì)砂，可以抑制空化侵蝕。結(jié)合前文對固體顆粒的影響的討論，得出結(jié)論，低于臨界尺寸的顆粒是通過影響懸浮液的黏度來減少空蝕損傷的。

2.1.5 海洋生物污損

螺旋槳在海洋環(huán)境中進(jìn)行工作時(shí)，海洋生物污損的作用是一個(gè)不可忽視的因素。在過去的研究工作中，主要集中于海洋生物污損對電化學(xué)腐蝕的影響，總結(jié)出微生物影響腐蝕和微生物影響腐蝕抑制2種作用。對于微生物影響腐蝕，一方面微生物的代謝產(chǎn)物可能作為電子導(dǎo)體加速電子轉(zhuǎn)移，加快腐蝕電化學(xué)速率；另一方面，微生物堆積形成的非均相表面可能會(huì)加大局部腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。例如，Zhang等發(fā)現(xiàn)通過添加核黃素等電子介質(zhì)，可以加快普通脫硫弧菌生物膜對304不銹鋼的腐蝕作用。對于微生物影響腐蝕抑制，研究人員認(rèn)為微生物生物膜的形成可以抑制電子轉(zhuǎn)移，本身也可以作為保護(hù)屏障避免基體材料與海水環(huán)境的直接接觸，提高耐腐蝕性能。例如，Li等詳細(xì)研究了蠟樣芽孢桿菌生物膜對316L不銹鋼的腐蝕作用，發(fā)現(xiàn)生物膜可以阻斷細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而抑制點(diǎn)蝕。

目前關(guān)于海洋生物粘附對空化侵蝕的影響的研究鮮見報(bào)道。Tian等注意到了這一點(diǎn)，因此探究了芽孢桿菌附著在空蝕條件下對鎳鋁青銅的腐蝕的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，芽孢桿菌生物膜顯著降低了空蝕損傷。對于作用機(jī)制，Tian等認(rèn)為生物膜抑制了表面Cu和Al的溶解，延緩了腐蝕過程，這一點(diǎn)與上文提到的微生物影響腐蝕抑制類似。更重要的一點(diǎn)是，這種延遲腐蝕也保護(hù)鎳鋁青銅中的硬質(zhì)κ相更少地剝離，保證了基體材料有足夠的硬度抵御空化侵蝕作用，空蝕損傷程度大大減少。

然而，只有部分細(xì)菌粘附展現(xiàn)出微生物影響腐蝕抑制作用，其他的細(xì)菌表現(xiàn)出微生物影響腐蝕作用，腐蝕速率的加快可能會(huì)對抗空化侵蝕產(chǎn)生不利影響。此外，隨著生物粘附程度的加深，材料表面不僅會(huì)有各種細(xì)菌、真菌生物膜，還會(huì)粘附藤壺、苔蘚等大型海洋生物，總體的對空蝕的影響機(jī)制會(huì)更加復(fù)雜。這就要求未來需要更多關(guān)于此領(lǐng)域的研究來進(jìn)行深入探索。針對海洋生物污損，目前較為廣泛的措施還是添加各種防污涂層，消除海洋生物污損的影響，提高螺旋槳的效率。例如，Yang等向聚氨酯中加入ZIF納米顆粒構(gòu)成的復(fù)合涂料，同時(shí)具有較好的抗污和抗氣蝕性能。

2.1.6 腐蝕性雜質(zhì)離子

20世紀(jì)時(shí)，銅合金憑借優(yōu)異的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，占到螺旋槳材料的70%以上。但近年來隨著工業(yè)廢物的大量排放，加上海洋微生物產(chǎn)生的代謝廢物，海水成分發(fā)生變化，硫化物含量顯著提高。硫化物在銅合金表面形成的銅氧化物和硫化物薄膜結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致耐空蝕性能明顯變差。因此，研究以硫化物為代表的腐蝕性雜質(zhì)離子對空蝕損傷的作用，對螺旋槳乃至對海洋裝備工程來說都有十分重要的意義。

2017年，Song團(tuán)隊(duì)研究了鎳鋁青銅（NAB）和錳鎳鋁青銅（MAB）在硫化物污染的人工海水中的腐蝕和空蝕損傷行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫化物存在時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的腐蝕，導(dǎo)致表面粗糙度增大，降低了不同相之間的內(nèi)聚力，增加了空蝕損傷程度。對于MAB來說，無論是含硫化物與否，空蝕條件下均以機(jī)械損傷為主導(dǎo)。相比之下，NAB對空蝕條件下硫化物的存在較為敏感，硫化物的存在使NAB發(fā)生嚴(yán)重腐蝕、表面粗糙，隨著硬質(zhì)κ相的脫落，空蝕損傷程度大大加深。在硫化物污染嚴(yán)重的海水中，對于NAB螺旋槳必須采取防護(hù)措施。

在此工作基礎(chǔ)上，Song等進(jìn)一步研究了不同硫化物濃度對MAB腐蝕和空蝕損傷的影響程度的問題。對于純腐蝕來說，當(dāng)硫化物質(zhì)量濃度低于20 mg/L時(shí)，HS含量較少，陰極過程為氧還原反應(yīng)，反應(yīng)式見式（1），陽極過程為Cl主導(dǎo)，反應(yīng)式如（2）、（3）；隨著硫化物濃度的增大，陽極過程逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒆S主導(dǎo)，反應(yīng)式見式（4）—（6），當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到50 mg/L時(shí)，陰極過程由析氫反應(yīng)主導(dǎo)，腐蝕電位很負(fù)，反應(yīng)式見式（7）。此外，可以形成硫化銅膜，膜的形成受到HS擴(kuò)散過程的控制，表現(xiàn)在極化曲線中為存在極限電流區(qū)域。當(dāng)硫化物質(zhì)量濃度低于100 mg/L時(shí)，形成的腐蝕產(chǎn)物膜厚而不均勻，導(dǎo)致浸泡一段時(shí)間后的質(zhì)量損失率高于對比樣；當(dāng)硫化物質(zhì)量濃度增大到200 mg/L時(shí)，形成薄而均勻的硫化銅膜，因此表現(xiàn)出更低的質(zhì)量損失。當(dāng)考慮空蝕條件時(shí)，腐蝕和磨損侵蝕間存在正協(xié)同效應(yīng)，腐蝕增大了表面粗糙度，降低相界內(nèi)聚力，促進(jìn)了磨損侵蝕。磨損侵蝕引起材料表面變形，增大了腐蝕的活性面積。此外，空蝕也破壞了腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜，因此腐蝕速率增大?？偠灾煌蚧餄舛认碌目瘴g損傷比蒸餾水對比組要大，但由于MAB的空化損傷以κ相的剝離和β相的斷裂導(dǎo)致的機(jī)械損傷為主，當(dāng)硫化物質(zhì)量濃度大于50 mg/L時(shí)，形成的腐蝕產(chǎn)物膜具有保護(hù)作用，減小了空化侵蝕的影響，腐蝕和空化侵蝕的協(xié)同作用反而比低濃度時(shí)要小。

從上文的討論中可以看出，硫化物對銅合金空蝕的影響，也是通過影響腐蝕過程間接影響到空蝕。低濃度時(shí)，腐蝕促進(jìn)了空蝕損傷，而達(dá)到一定濃度后，形成的腐蝕產(chǎn)物膜反而起到了保護(hù)作用。這樣就為銅合金在海水中的空蝕防護(hù)提供了解決思路，比如添加涂層、構(gòu)筑人工保護(hù)膜。除此之外，也可以合理選用材料，比如上文提到的MAB就比NAB對硫化物的敏感性要小，錳元素的引入，如何影響硫化物的腐蝕過程，這類機(jī)理層面的問題，值得進(jìn)一步探究。

2.1.7 空蝕時(shí)間

時(shí)間因素是影響空蝕損傷程度的較為直觀的一個(gè)因素，隨著空蝕時(shí)間的增加，空蝕損傷程度也會(huì)加深、質(zhì)量損失率不斷提高，但空蝕損傷速率可能在不同階段會(huì)有所變化。例如，Dong等研究了鈦合金輻射棒在空蝕侵蝕條件下不同處理時(shí)間與質(zhì)量損失的關(guān)系（見圖5），可根據(jù)曲線斜率將侵蝕過程分為4個(gè)階段：潛伏期、加速期、穩(wěn)定期、下降期。

圖5 不同侵蝕時(shí)間下的累計(jì)質(zhì)量損失–時(shí)間關(guān)系曲線[52] Fig.5 Cavitation period in cumulative mass loss-time curve[52]

4個(gè)階段的侵蝕速率不同，也與形貌特征有一定的對應(yīng)關(guān)系。Al-Hashem等研究了鎳鋁青銅合金在海水中的空化腐蝕行為，掃描電鏡結(jié)果顯示，隨著空化時(shí)間的增加，表面形貌逐漸經(jīng)歷了表面粗糙度增大（3 h后）、開始產(chǎn)生空腔（13 h后）、局部產(chǎn)生體積更大的空腔（25 h后）、空腔數(shù)量進(jìn)一步擴(kuò)大（40 h后）、覆蓋整個(gè)表面、表面變形等具有不同特征的階段。Park等研究了鋁青銅在海水中的空化腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)只有空化時(shí)間超過25 h才能顯示出宏觀視覺上可識別的損傷。根據(jù)Dong等的觀點(diǎn)，潛伏期內(nèi)空化效應(yīng)導(dǎo)致材料表面形成球形顆粒并剝落，主要是粗糙度增加；當(dāng)形成性質(zhì)較脆的金屬間化合物時(shí)，促進(jìn)空腔蝕坑產(chǎn)生，質(zhì)量損失速率明顯增加，會(huì)進(jìn)入空蝕的加速階段；隨著時(shí)間進(jìn)一步延長，空腔變大變深，才會(huì)出現(xiàn)宏觀損傷。

由此可見，時(shí)間因素影響下的4個(gè)階段，是反映質(zhì)量損失速率的一種表觀現(xiàn)象，歸根結(jié)底還是受材料本身性質(zhì)決定，材料不同，4個(gè)階段的時(shí)間跨度、峰值、斜率等曲線信息也會(huì)有所不同。微觀上抵御空腔產(chǎn)生與發(fā)展的能力越強(qiáng)，一般潛伏期也較長，加速階段的斜率較緩，穩(wěn)定下降期的累積質(zhì)量損失也會(huì)較小。

2.1.8 應(yīng)力

當(dāng)螺旋槳工作時(shí)，葉片會(huì)受到海水的反作用力，導(dǎo)致葉片表面會(huì)存在拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。應(yīng)力場是海洋環(huán)境中多場的重要組成部分，會(huì)對空蝕損傷的效果有較大的影響，其中拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用效果不同，需要分別研究。

對于拉應(yīng)力，Matsumura等早在20世紀(jì)70、80年代就研究了其對空蝕的影響。他們的研究結(jié)果表明，拉應(yīng)力可以顯著加快空蝕損傷，對脆性材料施加拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致潛伏期縮短、損傷加?。欢鴮λ苄圆牧鲜┘永瓚?yīng)力，Matsumura等認(rèn)為，拉應(yīng)力一定程度上阻礙了材料表面的塑性變形，潛伏期會(huì)延長，但一旦進(jìn)入加速期，材料開始發(fā)生明顯質(zhì)量損失，拉應(yīng)力同樣會(huì)加快空蝕損傷。拉應(yīng)力對材料抗空蝕性能的毒害作用，可以參考純腐蝕下的應(yīng)力腐蝕開裂。Panahi等的研究表明，拉應(yīng)力會(huì)破壞具有保護(hù)性的產(chǎn)物膜，導(dǎo)致腐蝕加劇，而在空蝕條件的腐蝕–侵蝕的協(xié)同作用下，這種破壞作用帶來的影響可能會(huì)更嚴(yán)重。

對于壓應(yīng)力，Qin等進(jìn)行了最新研究，探究了壓應(yīng)力對304不銹鋼的空蝕損傷的影響，結(jié)果表明，壓應(yīng)力明顯降低了空化損傷的程度，質(zhì)量損失率減小。據(jù)此，Qin等提出了壓應(yīng)力的作用機(jī)制，無壓應(yīng)力時(shí)，在空蝕反復(fù)機(jī)械沖擊作用下，材料表面發(fā)生塑性變形，不僅因疲勞導(dǎo)致材料撕裂而形成空腔，而且變形誘導(dǎo)的馬氏體作為堅(jiān)硬而脆的相，在空化沖擊下導(dǎo)致晶間斷裂。相比之下，當(dāng)存在壓應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的晶格畸變使原子能增加，誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體不僅可以吸收塌陷氣泡的能量，起到緩沖作用，而且提高了材料的硬度，綜合作用，壓應(yīng)力降低了304不銹鋼的空蝕損傷。

總結(jié)應(yīng)力的作用來看，更需要明晰條件，具體情況具體分析。比如應(yīng)力本身，就需要明確是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，兩者對空蝕損傷產(chǎn)生相反的作用效果。對于馬氏體來說，需要明確是由于空蝕作用導(dǎo)致的變形馬氏體，還是由于壓應(yīng)力的晶格畸變誘導(dǎo)產(chǎn)生的馬氏體，2種條件下產(chǎn)生的馬氏體也會(huì)對材料的抗空蝕性能有不同的作用。應(yīng)力場作為螺旋槳等裝備在工作時(shí)的外部環(huán)境，可能不容易改變，但可以通過各種材料處理技術(shù)來人工引入殘余壓應(yīng)力。

2.1.9 含氫量

對于多場多相的海洋環(huán)境來說，氣相主要體現(xiàn)在含氫量的多少。研究表明，氫氣會(huì)影響金屬材料的力學(xué)性能，氫氣會(huì)集中在晶界、裂紋尖端等地方，促進(jìn)晶間裂紋和疲勞裂紋的擴(kuò)展，對力學(xué)性能有不利影響，這也是所謂的“氫脆”。如對于NiTi改性的316L 不銹鋼，空蝕電阻降低是由于硬度下降，而對于塊體NiTi來說，氫化物形成而產(chǎn)生的表面裂紋是空蝕電阻降低的主要原因。

關(guān)于空蝕過程中氫氣的來源，Wang等給出了解答，他們認(rèn)為不僅水中含有溶解氫，而且可以通過空蝕過程由水分解產(chǎn)生。在試驗(yàn)中選用了純Ti和高氮奧氏體不銹鋼2種具有易于溶解氫氣的晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，與對比樣相比，經(jīng)歷空蝕以后，2種材料的吸氫率提高。Wang等認(rèn)為，在空蝕過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫足以使水分解產(chǎn)生氫，增加液相中的氫濃度；微射流可以攜帶溶解氫以高速移向材料表面；高密度位錯(cuò)、孿晶等缺陷為氫提供了擴(kuò)散路徑；空蝕過程中表面鈍化膜被破壞，也有利于吸氫率的提高。這些綜合因素的共同作用，促進(jìn)了金屬材料表面氫的富集，降低了空蝕電阻，增大了空蝕損傷的程度。

為了降低材料表面的含氫量，進(jìn)而抑制空蝕損傷，研究人員也進(jìn)行了相關(guān)探索。如Takakuwa等利用氣蝕噴丸技術(shù)引入了表面殘余壓應(yīng)力，一方面殘余壓應(yīng)力本身對空蝕損傷起到抑制作用；另一方面，氫含量與殘余壓應(yīng)力也存在線性相關(guān)性，殘余壓應(yīng)力對含氫量起到抑制作用。Takakuwa等認(rèn)為，殘余壓應(yīng)力帶來的裂紋閉合效應(yīng)減輕了裂紋尖端的應(yīng)力集中，降低了裂紋尖端附近的氫濃度。此外，殘余壓應(yīng)力使原子間距變小，氫氣更難被富集在材料表面。

總結(jié)一下關(guān)于含氫量對空蝕的作用的研究，考慮的內(nèi)容已經(jīng)較為全面，從氫脆的危害、氫氣分布到產(chǎn)生的原因，以及如何抑制，為如何針對某一因素開展研究提供了良好的范例。當(dāng)然，針對一些細(xì)節(jié)問題還有待更深入研究，比如對于氫富集的原因，究竟何種因素占據(jù)主導(dǎo)地位、除殘余壓應(yīng)力外，氫富集還可以通過什么方法抑制等。

2.2 材料性質(zhì)因素

材料性質(zhì)因素，是指與材料本身有關(guān)的各種因素，如表面狀態(tài)（缺陷、表面鈍化膜、粗糙度）、晶體結(jié)構(gòu)、晶粒大小、元素組成、殘余應(yīng)力、潤濕性等，它們對空蝕損傷的影響可以認(rèn)為是內(nèi)因。

2.2.1 晶粒大小

關(guān)于晶粒大小對空蝕損傷的影響，Bregliozzi等曾選用氮合金奧氏體不銹鋼作為研究材料進(jìn)行了探索。試驗(yàn)結(jié)果表明，奧氏體不銹鋼抗空蝕性隨晶粒尺寸的減小而增加。據(jù)此，Bregliozzi等認(rèn)為，空蝕損傷是由于發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致產(chǎn)生空腔等損傷，晶界作為滑動(dòng)障礙物限制了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，晶粒尺寸越小，晶界數(shù)量越多、越密集，對位錯(cuò)的抑制作用越大，因此抗空蝕能力越強(qiáng)。此外，該團(tuán)隊(duì)還探究了抗空蝕性、晶粒尺寸與硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能間的相關(guān)性，普遍觀點(diǎn)認(rèn)為小尺寸晶粒由于細(xì)晶強(qiáng)化作用從而具有更好的力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果也表明，硬度等力學(xué)性能的改善可以提高抗空蝕能力，但存在的問題是，所有力學(xué)性能都有促進(jìn)作用，還未找到一個(gè)力學(xué)性能物理量來最適宜地描述抗空蝕性。

Lo等利用不同溫度固溶處理后淬火的方法獲得了具有不同晶粒尺寸的材料，并研究了不同晶粒尺寸對空蝕侵蝕的影響。在結(jié)論上，對晶粒尺寸的作用進(jìn)行了補(bǔ)充，認(rèn)為大晶粒尺寸不僅會(huì)降低鋼的強(qiáng)度等力學(xué)性能，而且不易產(chǎn)生穩(wěn)定的鈍化層；此外，大晶粒尺寸在淬火后更易形成硬而脆的馬氏體相，容易引發(fā)空蝕蝕坑。關(guān)于馬氏體的作用，前文也曾提到，但有很大不同，如果馬氏體是在空蝕環(huán)境前材料本身就存在的，會(huì)作為脆相削弱抗空蝕能力；如果馬氏體是在空蝕過程中形成的，會(huì)吸收沖擊波的能量，起到緩沖作用，進(jìn)而提高抗空蝕能力。

鑒于小晶粒尺寸對抗空蝕性能的優(yōu)良作用，減少晶粒尺寸就成了改善耐腐蝕或空蝕性能的一種重要途徑。Kwok等利用空化退火技術(shù)制備了具有納米結(jié)構(gòu)層的316L不銹鋼，獲得了尺寸僅為91 nm的超細(xì)晶粒，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕性能。Wang等對Ti6Al4V合金在大氣環(huán)境中進(jìn)行了熱處理，發(fā)生重結(jié)晶后得到了尺寸較小的晶粒，與處理前相比具有更好的鈍化能力和耐空蝕能力。

2.2.2 元素組成

傳統(tǒng)的金屬材料一般是基于單相或雙相基體，摻入少量其他元素而構(gòu)成的合金，如銅合金、鋁合金、鈦合金等，這些類型的合金對元素的摻入數(shù)量有限制，防止形成復(fù)雜的金屬間化合物，影響材料的力學(xué)性能。與之相反，10多年前興起了高熵合金的概念，這種合金至少含有5種元素，常見的是由過渡金屬元素（如Fe，Ni，Co和Cr）和其他一些合金元素（如Al，Mn，Mo，V和Ti）混合組成的，每種元素的原子分?jǐn)?shù)在5%~35%，接近等比例。由于高構(gòu)型熵和緩慢擴(kuò)散的影響，高熵合金傾向于形成面心立方、體心立方、密排六方等簡單結(jié)構(gòu)的晶體物相，具有高強(qiáng)度和高硬度，展現(xiàn)出良好的耐蝕性能、力學(xué)性能等。

近年來，高熵合金的優(yōu)良性能引起了空蝕領(lǐng)域的研究學(xué)者的注意，并進(jìn)行了相關(guān)耐空蝕性能的試驗(yàn)研究。考慮到高熵合金中摻入了很多昂貴的合金元素，一般在利用時(shí)是通過表面合金化或高熵合金涂層的形式，集中于表面合成。空蝕損傷一般是材料表面被微射流或沖擊波反復(fù)沖擊而疲勞破壞，主要由材料的表面特性而不是本體特性決定，因此與高熵合金在抗空蝕損傷的應(yīng)用恰好適配。

例如，Wu等通過激光表面合金化在304不銹鋼上涂覆了一層FeCoCrAlNiTi高熵合金涂層，通過改變Ti元素的含量來研究其對相變和空化侵蝕–腐蝕行為的影響。Fe、Cr、Ni、Co元素具有幾乎相同的原子大小，并且這4種元素之間的原子間的混合焓近似于0，因此FeCrNiCo傾向于表現(xiàn)出固溶狀態(tài)。相比之下，Ti和Al的原子半徑遠(yuǎn)大于其他元素。當(dāng)Ti元素?fù)饺霑r(shí)，一方面由于原子半徑差異大，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)；另一方面，形成較硬的TiNi金屬間化合物，明顯提高了高熵合金的硬度?；诖耍?dāng)在蒸餾水條件下進(jìn)行空蝕時(shí)，損傷形式本質(zhì)上是機(jī)械損傷，Ti含量越多，抗空蝕能力越強(qiáng)；但在人工海水條件下進(jìn)行空蝕時(shí)，腐蝕誘導(dǎo)侵蝕作用明顯，高Ti含量下生成的金屬間化合物作為陰極相，破壞了表面的鈍化狀態(tài)，耐空蝕性能反而不如低Ti含量時(shí)的情況。類似地，Nair等通過真空電弧熔煉合成了摻有Al的高熵合金AlCoCrFeNi，與316L不銹鋼相比，表現(xiàn)出更高的抗純侵蝕性（9倍）、抗侵蝕腐蝕性（4倍）、更長的潛伏期和加工硬化能力，是一種有前途的耐空蝕材料。

對于應(yīng)用高熵合金涂層來實(shí)現(xiàn)空蝕防護(hù)，限制因素還是由于高熵合金的高成本問題，涂層本身比基體材料更昂貴。因此，可以考慮改進(jìn)點(diǎn)在于，優(yōu)化高熵合金涂層制備工藝、降低生產(chǎn)成本，引入陶瓷材料、高分子材料、碳材料等構(gòu)筑復(fù)合材料涂層，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本與優(yōu)良性能的交融共存。

2.2.3 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力也是影響空蝕損傷的一個(gè)因素，與工作環(huán)境中的應(yīng)力場不同，殘余應(yīng)力是由于材料在制備和處理過程中，或主觀或客觀地被引入材料中的。比如，高速氧燃料噴涂工藝中，在基體材料上沉積涂層會(huì)產(chǎn)生沉積應(yīng)力，是一種壓應(yīng)力；冷卻過程中，涂層和基體材料間熱膨脹不匹配，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，其是一種拉應(yīng)力，兩者相互抵消后，材料內(nèi)部仍剩余的應(yīng)力就為殘余應(yīng)力。Pukasiewicz等就利用高速氧燃料噴涂工藝涂覆FeMnCrSi涂層，并探究了殘余應(yīng)力對涂層空化的影響。結(jié)果表明，較大的壓縮殘余應(yīng)力對應(yīng)于更好的抗空蝕性，此涂層也具有更高的顯微維氏硬度。Pukasiewicz等解釋是壓縮應(yīng)力促使涂層的粘附力增加，且空化氣泡內(nèi)爆產(chǎn)生的應(yīng)力與壓縮殘余應(yīng)力相互抵消，導(dǎo)致裂紋尖端的應(yīng)力降低，減少了空蝕疲勞損傷對涂層的影響。鑒于壓縮殘余應(yīng)力在抗空蝕過程中的積極作用，Pukasiewicz等據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出在噴涂過程中需要注重降低進(jìn)料速率、提高燃料流量、原位監(jiān)測涂層沉積過程中的殘余應(yīng)力等方式，盡可能獲得更大的壓縮殘余應(yīng)力。

對于一些高熱輸入噴涂技術(shù)，如電弧噴涂和等離子噴涂，如果冷卻淬火時(shí)的拉伸熱應(yīng)力效果更明顯，則殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，此時(shí)對涂層的抗空蝕性有不利影響。如Hauer等研究了電弧噴涂鋁青銅涂層時(shí)殘余應(yīng)力狀態(tài)和空蝕侵蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴涂時(shí)橫移速度較低時(shí)，熱應(yīng)力較小，彈性模量更高，具有更好的內(nèi)聚性能，殘余拉伸應(yīng)力較低，表現(xiàn)出更高的抗空蝕性。

除此之外，也有一部分研究人員采取各種噴丸技術(shù)，主動(dòng)向材料中引入壓縮殘余應(yīng)力，噴丸技術(shù)主要有氣蝕噴丸、噴丸強(qiáng)化和激光噴丸。Kumagai等對此3種噴丸技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的對比研究，結(jié)果表明，氣蝕噴丸表面存在最大的壓縮殘余應(yīng)力，噴丸強(qiáng)化可以引入更大的表面硬度和位錯(cuò)密度，氣蝕噴丸和激光噴丸穿透深度較噴丸強(qiáng)化更深。

綜上殘余應(yīng)力的作用，關(guān)鍵思想是促進(jìn)壓縮殘余應(yīng)力、抑制拉伸殘余應(yīng)力。到目前為止，壓縮殘余應(yīng)力對于抑制空蝕的微觀層面的作用機(jī)理，還有待進(jìn)一步研究。比如前文就曾提到壓縮殘余應(yīng)力可以抑制氫富集，因此可以考慮壓縮殘余應(yīng)力是否對材料表面相結(jié)構(gòu)等有作用。此外，對于工藝問題來講，在噴涂時(shí)如何更有效地降低熱應(yīng)力，始終是改善材料力學(xué)性能的重要途徑。

2.2.4 表面狀態(tài)

考慮到空蝕損傷是空化氣泡產(chǎn)生的微射流或沖擊波反復(fù)撞擊材料表面而導(dǎo)致的材料疲勞損傷或剝落，因此材料的表面狀態(tài)是影響空蝕損傷程度的重要因素之一。一般來說，對于空蝕條件，可能會(huì)有影響作用的表面狀態(tài)涉及到缺陷、表面鈍化膜、粗糙度等多個(gè)方面。

對于缺陷來說，金屬材料的孔隙、微裂紋等缺陷會(huì)對抗空蝕性能有不利影響，因?yàn)榭瘴g損傷過程中就涉及到空腔、裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展，比如空蝕的4個(gè)階段中的加速期時(shí)，其中一個(gè)特征就是有空腔和微裂紋的產(chǎn)生。如果材料本身就存在這些缺陷，相當(dāng)于跳過了4個(gè)階段中的潛伏期，直接進(jìn)入損傷和質(zhì)量損失加速增長的階段，不利于抗空蝕性能。因此，研究人員進(jìn)行了各種嘗試來減少缺陷的影響。Tian等利用環(huán)氧樹脂對高速氧燃料噴涂制備出的WC-10Co4Cr涂層進(jìn)行密封處理，與密封前2.52%的孔隙率相比，密封后，孔隙率低至0.78%，并展現(xiàn)出更高的耐腐蝕性和抗空蝕性。當(dāng)沒有密封處理時(shí)，氧氣和氯化物很容易通過孔隙和裂紋滲入涂層內(nèi)部，發(fā)生腐蝕，在空蝕下也會(huì)優(yōu)先在涂層缺陷處生長蝕坑；當(dāng)有密封處理時(shí)，腐蝕性介質(zhì)的滲透率大大降低，從而降低了腐蝕和空蝕損傷的速率。此外，Takahashi等利用氣蝕噴丸和噴丸強(qiáng)化處理具有裂紋狀表面缺陷的鋁合金，結(jié)果表明，2種方法可以分別使深度為0.1、0.2 mm的裂紋疲勞強(qiáng)度增加，即將缺陷無害化，延緩了裂紋的發(fā)展與失效，提高了抗空蝕能力。

對于表面鈍化膜的作用，Cao等進(jìn)行了專門研究，基體材料選用316L不銹鋼，采用脈沖和連續(xù)空化模式進(jìn)行對比。結(jié)果表明，當(dāng)采用脈沖空化模式時(shí)，鈍化膜周期性地產(chǎn)生與破壞，而在連續(xù)空化模式下，材料表面不斷受到氣泡的機(jī)械沖擊作用而不能形成鈍化膜。脈沖模式下空蝕間歇形成的鈍化膜抵抗了空蝕損傷，減小了質(zhì)量損失，空蝕侵蝕與腐蝕間表現(xiàn)出負(fù)協(xié)同效應(yīng)；而連續(xù)空化模式下，無鈍化膜保護(hù)作用，損傷較前者多，且空蝕侵蝕與腐蝕間表現(xiàn)出正協(xié)同效應(yīng)。

對于粗糙度，普遍觀點(diǎn)認(rèn)為粗糙度較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，促進(jìn)疲勞裂紋的生長，對抗空蝕能力有不利影響。Lin等探究了不同表面粗糙度對電弧噴涂制備的鐵基非晶納米晶涂層在空化條件下的腐蝕和侵蝕行為，結(jié)果表明，隨著初始表面粗糙度的增加，涂層累積質(zhì)量損失增大。因此，為減少粗糙度較大造成的不利影響，有部分研究針對于降低材料表面粗糙度。Zhang 等采用激光沖擊加工法處理ANSI 304不銹鋼，對表面進(jìn)行改性，與沖擊處理前相比，粗糙度下降，經(jīng)歷空蝕后形成的蝕坑大小和分布均勻，且尺寸較小，表面抗空蝕性能得到改善。粗糙度不僅會(huì)影響空蝕損傷程度，反過來，空蝕損傷也會(huì)增大材料的粗糙度，空蝕潛伏期內(nèi)的一個(gè)明顯特征就是粗糙度增大。再者，最近Altay等研究粗糙度對空化氣泡動(dòng)力學(xué)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗糙度增大時(shí)，表面波傳播速度較慢、散射增加，導(dǎo)致氣泡尺寸減小，體現(xiàn)出有利于抗空蝕損傷的一面?？偠灾?，粗糙度的影響是一個(gè)機(jī)制復(fù)雜的因素，有待更多更深入的研究。

2.2.5 晶體結(jié)構(gòu)

晶體物相結(jié)構(gòu)也會(huì)影響到空蝕損傷，因?yàn)椴煌锵嘟Y(jié)構(gòu)對空蝕的敏感性不同。材料的結(jié)構(gòu)決定了空蝕下的變形模式和應(yīng)變速率，進(jìn)而影響到材料緩解氣泡塌陷的沖擊能量的能力。一般來說，從晶體結(jié)構(gòu)的種類角度看，體心立方和密排六方晶格結(jié)構(gòu)的材料具有高應(yīng)變率敏感性，容易發(fā)生裂解斷裂，抗空蝕能力差；面心立方晶格結(jié)構(gòu)的材料具有良好的塑性變形能力，潛伏期更長，因而抗空蝕能力較強(qiáng)。從晶體結(jié)構(gòu)的形態(tài)角度看，等軸晶粒比柱狀晶粒表現(xiàn)出更好的抗空蝕性。對于相關(guān)的研究工作，如Peng等在TC11鈦合金基體上制備了具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)的TiCN納米晶涂層，認(rèn)為柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的失效變形模式為柱狀晶界的剪切，裂紋很容易通過柱間向更深處發(fā)展，晶間內(nèi)聚強(qiáng)度很低。相比之下，等軸晶粒結(jié)構(gòu)裂紋路徑曲折，裂紋擴(kuò)展需要更多的能量，因而提高了斷裂韌性。

在實(shí)際材料應(yīng)用中，很多材料的晶體結(jié)構(gòu)一般不只是單一物相結(jié)構(gòu)，比如合金中含有金屬件化合物，或者研究人員利用各種方法使晶體發(fā)生相變，制備具有多相結(jié)構(gòu)的材料。Selvam等采用固定式摩擦攪拌處理，使局部區(qū)域發(fā)生重結(jié)晶而晶粒細(xì)化，其他部分保持不變，最終獲得粗?；|(zhì)中嵌入細(xì)粒的雙峰晶粒結(jié)構(gòu)，具有比超細(xì)晶粒鋼更高的屈服強(qiáng)度和更優(yōu)異的力學(xué)性能，抗空蝕性能是316L不銹鋼的4～7倍。Zheng 等對高速氧燃料噴涂的鐵基非晶涂層進(jìn)行了熱處理，實(shí)現(xiàn)了非晶涂層結(jié)晶化，在不同溫度下分別獲得馬氏體、碳化物、硼化物等硬質(zhì)相，提升了涂層的硬度，在蒸餾水中表現(xiàn)出更好的抗空蝕性。Zhang等詳細(xì)研究了鎳鋁青銅微觀結(jié)構(gòu)對抗空蝕性的影響，鎳鋁青銅主要由軟質(zhì)α相和硬質(zhì)κ相構(gòu)成。α相堆垛層錯(cuò)能低，塑性變形時(shí)容易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯(cuò)，防止疲勞裂紋形核和生長；尺寸較小的κ相均勻分布在α相中，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，抑制垂直裂紋膨脹，使鎳鋁青銅成為一種優(yōu)良的耐空蝕材料。

除了晶體物相結(jié)構(gòu)以外，晶界和相界也是在空蝕損傷中不容忽視的因素。一般來說，材料中的晶界或?qū)\晶邊界是空蝕攻擊的首選部位，如鎳鋁青銅的腐蝕侵蝕破壞優(yōu)先集中在α相和κ相的相界面。Qin等通過在450 ℃下淬火和老化處理后，對鑄造鎳鋁青銅顯微組織進(jìn)行了細(xì)化均質(zhì)化，有效消除了選擇性相腐蝕，空化腐蝕速率是無熱處理鎳鋁青銅樣品的1/8，歸因于精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)提升了材料的硬度。Wang等對晶界特性進(jìn)行了研究，引入了泰勒系數(shù)的概念，其描述了晶體相對于參考晶體取向滑動(dòng)的趨勢，較大的泰勒系數(shù)表示更硬的顆粒。結(jié)果表明，泰勒系數(shù)中2個(gè)晶?；?qū)\晶之間的較大差異對其共同邊界產(chǎn)生較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)，且空化損傷主要發(fā)生于泰勒系數(shù)低的晶粒和孿晶。此外，邊界相干的柱形晶界抗空蝕能力較差，因此指出在熱機(jī)械加工時(shí)，需要控制退火溫度和退火時(shí)間，保證具有足夠的冷應(yīng)變，抑制相干邊界的產(chǎn)生。

2.2.6 潤濕性

表面潤濕性是近年來在空蝕研究中人們新關(guān)注的一種特性，源于注意到潤濕性與表面粗糙度之間存在一定的相關(guān)性。Zhang等通過研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度在涂層從親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷赃^程中起著關(guān)鍵作用。如果粗糙度小于5.4 μm，則涂層為親水性；如果粗糙度大于9 μm，則涂層變?yōu)槭杷浴Ｋ麄冎苽涑龅臒o定形鐵基疏水涂層，其具有高硬度和優(yōu)良的耐腐蝕性能。Chen等的試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)，隨著空化時(shí)間的增加，材料的表面粗糙度增大，侵蝕面的接觸角也增大，被認(rèn)為是通過空化侵蝕獲得超疏水性金屬表面的新方法。除此之外，有觀點(diǎn)認(rèn)為疏水性表面本質(zhì)上減小了材料與海水等介質(zhì)的接觸面積，從而降低了腐蝕性離子攻擊材料表面的可能性，具有更高的化學(xué)惰性，促進(jìn)凹坑再鈍化，導(dǎo)致更高的極化電阻。Liang等研究了電弧噴涂鐵基非晶涂料的潤濕性和腐蝕行為，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了噴涂涂層的電位變化與涂層的潤濕性變化高度吻合，揭示了潤濕性與耐蝕性之間的內(nèi)在相關(guān)性。

由此，出現(xiàn)了部分研究工作，致力于制備超疏水涂層，來改善材料的抗空蝕能力。如Fahim等采用硫酸陽極氧化和硅烷表面化學(xué)改性兩步法在5083鋁合金上制備了疏水涂層，結(jié)果顯示，疏水涂層使產(chǎn)生的空化氣泡較小，涂層表面形成的空腔深度低，沒有影響到基體材料，展現(xiàn)出良好的抗空蝕性能。

3 多因素耦合抗空蝕應(yīng)用

在多場多相的海洋環(huán)境中，影響因素的復(fù)雜多樣性注定了空蝕過程的耦合與協(xié)同效應(yīng)。這種耦合與協(xié)同效應(yīng)不僅像前文中所提到的，空蝕可以與沖蝕、腐蝕等其他形式的損傷過程相互促進(jìn)，也體現(xiàn)在當(dāng)考慮實(shí)際應(yīng)用問題時(shí)，需要利用各種影響因素間的耦合作用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的抗空蝕性能。

例如前文提到的Yang等人設(shè)計(jì)制備了ZIF-8增強(qiáng)的聚氨酯抗空蝕涂料，來優(yōu)化抗空蝕性能。其中，聚氨酯基體涂層賦予材料良好的表面疏水性能，ZIF-8作為一種納米尺度的金屬有機(jī)框架，摻入聚氨酯中構(gòu)成的復(fù)合涂層表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。除此之外，ZIF-8具有良好的抗菌性能，與聚合物復(fù)合后，水解速率降低，可以更穩(wěn)定地連續(xù)釋放鋅離子，破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu)，抑制硅藻等生物污損作用。這樣一種涉及到疏水性、力學(xué)性能、生物污損等多因素的涂層，實(shí)現(xiàn)了抗空蝕與抗污性能的高效復(fù)合。

4 結(jié)論

本文綜述了空蝕的幾種作用機(jī)制，并討論分析了多場多相條件下影響空蝕損傷程度的各種影響因素，主要結(jié)論如下：

1）空蝕損傷過程包括空化氣泡的產(chǎn)生、生長及潰滅后對材料的破壞，對材料的損傷機(jī)理主要有微射流和沖擊波的物理作用、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕作用、熱作用等，它們以非線性耦合的形式，協(xié)同影響著材料的損傷破壞。

2）在多場多相的海洋環(huán)境中，各種影響因素間協(xié)同作用，且同一影響因素在不同條件下也會(huì)表現(xiàn)出不同的作用。比如依據(jù)固體顆粒的大小，小于臨界尺寸時(shí)，黏度起主要作用；大于臨界尺寸時(shí)，噴射機(jī)制引發(fā)的固體顆粒的侵蝕起主導(dǎo)作用。

3）膜可以用來保護(hù)材料、減少空蝕損傷。無論是海洋生物因素中提到的生物膜，或者是材料在海水中生成的鈍化膜，都對抗空蝕起到了積極的作用。對基體材料添加涂層，實(shí)質(zhì)上就是引入了“人工膜”，將基體材料與腐蝕性介質(zhì)隔離開來，起到保護(hù)作用。

4）環(huán)境因素與材料因素的作用各有側(cè)重點(diǎn)。如果說環(huán)境因素決定了總體趨勢，比如時(shí)間因素，隨時(shí)間延長，逐漸出現(xiàn)失重速率不同的4個(gè)階段，那么材料因素的作用就是決定每個(gè)階段的細(xì)節(jié)，硬度大、有涂層防護(hù)的材料，一般來說潛伏期更長，達(dá)到的峰值也更低。

5）在對空蝕的研究過程中，空蝕損傷主要影響的是材料表層的性質(zhì)。在空蝕防護(hù)時(shí)，目前主流的也是采用各種表面方法（如表面加工、表面改性、添加涂層等），來改變材料表面的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（如相結(jié)構(gòu)、粗糙度、潤濕性、表面壓應(yīng)力狀態(tài)等），進(jìn)而提高材料的抗空蝕性能。

對于多場多相的空蝕環(huán)境來說，根據(jù)本文綜述各種因素的作用，未來關(guān)于空蝕研究的方向主要有以下幾個(gè)方面：

1）表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)優(yōu)化?？瘴g損傷主要針對材料的表面造成破壞，因此研究重點(diǎn)應(yīng)放在表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改進(jìn)。從結(jié)構(gòu)上，可以改變材料表面相結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力等狀態(tài)來提高抗蝕能力，也可以添加防護(hù)涂層、促進(jìn)鈍化膜形成等形成保護(hù)屏障；從性質(zhì)上，可以從表面吸氫率、疏水性等表面性質(zhì)入手。

2）影響因素機(jī)制研究。文中詳細(xì)介紹了目前諸多影響因素的研究進(jìn)展，機(jī)制研究是需要不斷探求真理的基礎(chǔ)的科學(xué)研究，明確弄清每個(gè)因素的作用，重視各個(gè)因素間協(xié)同效應(yīng)的影響，秉持繼承與批判的態(tài)度來對待前人的結(jié)論，不斷發(fā)展完善空蝕機(jī)制。

3）高性能材料制備工藝改進(jìn)。制備具有高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)良的力學(xué)性能的材料來抵御空蝕侵蝕損傷，同時(shí)兼顧成本、壽命等問題，滿足材料的應(yīng)用化需求。高力學(xué)性能需要不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，同時(shí)降低材料的熱應(yīng)力，減少空蝕損傷。高熵合金涂層等存在的成本問題，可以考慮與陶瓷等其他材料復(fù)合來實(shí)現(xiàn)，除此之外，近年來興起的3D打印，也為解決成本問題提供了新途徑。