雷晨慶，袁爍，林乃明，吳玉程，伏利，馬冠水

鈦合金空蝕損傷及防護(hù)的研究進(jìn)展

雷晨慶1，袁爍1，林乃明1，吳玉程1,2，伏利3，馬冠水4

（1.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.合肥工業(yè)大學(xué) 有色金屬與加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，合肥 230009；3.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012；4.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315201）

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于諸多工程領(lǐng)域。由于鈦合金存在表面硬度低、耐磨性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其在過(guò)流部件中容易發(fā)生空蝕損傷，會(huì)降低鈦合金構(gòu)件的使用壽命，因此針對(duì)鈦合金空蝕損傷行為及其防護(hù)措施的研究顯得極為重要。概述了空蝕現(xiàn)象的作用機(jī)理和理論模型，詳細(xì)介紹了材料自身的力學(xué)性能、表面狀態(tài)、介質(zhì)類型和溶液溫度等對(duì)鈦合金空蝕行為的影響，著重討論了針對(duì)鈦合金空蝕損傷的多種應(yīng)對(duì)措施，如熱處理、激光紋理加工、激光氣體氮化、化學(xué)熱處理、離子注入、添加緩蝕劑等技術(shù)，總結(jié)了相應(yīng)方法提高鈦合金抗空蝕性能的具體原因。其中，熱處理技術(shù)通過(guò)改變鈦合金自身的顯微組織來(lái)提高其抗空蝕性能；激光氣體氮化工藝可在鈦合金表面形成硬質(zhì)TiN相，以抵御空泡潰滅時(shí)的沖擊；化學(xué)熱處理技術(shù)在鈦合金表面生成了致密的陶瓷層+固溶擴(kuò)散層，緩解了空泡的潰滅能，延長(zhǎng)了空蝕的孕育期；離子注入技術(shù)依靠注入離子在鈦合金材料表面產(chǎn)生固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)增值強(qiáng)化等效果，降低其空蝕損傷。最后對(duì)鈦合金空蝕及防護(hù)研究的發(fā)展方向提出了展望。

鈦合金；空蝕；沖擊波；微射流；影響因素；損傷防護(hù)

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、韌性好、耐低溫、耐蝕性好、耐熱性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、船舶航海、化工、石油、冶金、電力、建筑等各大領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。尤其是鈦合金在海水中耐氯離子腐蝕，使得該材料在海洋工程領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。鈦合金存在硬度低、耐磨性能差等缺點(diǎn)，在用作船舶螺旋槳葉片、水輪機(jī)葉片、渦輪機(jī)、尾水管、泵、閥等過(guò)流部件時(shí)，由于流體中存在壓強(qiáng)變化區(qū)，故極易造成構(gòu)件的空蝕現(xiàn)象[4-6]。當(dāng)空化氣泡在固體邊界附近坍塌時(shí)，會(huì)使固體材料表面發(fā)生剝落，致使設(shè)備性能降低，服役壽命縮短，甚至導(dǎo)致鈦合金構(gòu)件的失效。由此可見，研究鈦合金的空蝕損傷行為及防護(hù)措施對(duì)其構(gòu)件在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用極為重要。國(guó)內(nèi)外十分重視對(duì)于金屬材料空蝕行為的研究，相應(yīng)的防護(hù)措施也越來(lái)越完善[7-8]。文中綜述了空蝕的成因、作用機(jī)理和理論模型，分析了鈦合金空蝕行為的影響因素，介紹了鈦合金空蝕失效的防護(hù)措施，旨在為鈦合金構(gòu)件在海洋工程、水利機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 空蝕機(jī)理和理論模型

在流體環(huán)境中，當(dāng)流體流經(jīng)部位的局部壓強(qiáng)低于該流體的蒸汽壓時(shí)，流體中會(huì)產(chǎn)生空化泡（空化 核）[9-10]，這些空化核或單獨(dú)存在于液體中，或附著在液體中的固體顆粒上，或存在于固體邊壁表面的微裂紋中，如圖1所示[11]。這些空化核會(huì)形成附著空腔、流動(dòng)氣泡、渦流空腔、氣泡云等一系列的宏觀結(jié)構(gòu)[12]。當(dāng)夾雜空化泡流體流經(jīng)部位的壓強(qiáng)高于氣泡內(nèi)部的壓強(qiáng)時(shí)，空泡將發(fā)生潰滅，在潰滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻率的瞬時(shí)重復(fù)機(jī)械載荷或瞬時(shí)高溫，并作用于固體表面附近，使得固體表面出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致其表面發(fā)生疲勞失效，甚至剝落，形成洞穴狀腐蝕破壞，此現(xiàn)象即為空蝕[13-17]。

圖1 空化核存在形式[11]

由于空蝕過(guò)程極為復(fù)雜，涉及材料科學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科，因此至今未出現(xiàn)一種能夠完美解決空蝕損傷的有效技術(shù)，其機(jī)理也是眾說(shuō)紛紜[18-20]。目前，已探究出的空蝕機(jī)制包括機(jī)械作用、化學(xué)腐蝕、電化學(xué)作用、熱作用等。其中，機(jī)械作用機(jī)制得到了廣泛接受和認(rèn)同[21-23]。

機(jī)械作用機(jī)制分為沖擊波和微射流等2種[24]。沖擊波的作用機(jī)制如圖2所示[25]，在空泡潰滅瞬間會(huì)形成壓強(qiáng)較大的沖擊波作用于金屬表面（圖2a），使得表面發(fā)生了局部塑性變形（圖2b）[23,26]。由于泡內(nèi)存在不溶性氣體，發(fā)生潰滅的空泡不會(huì)消失，當(dāng)潰滅至最小體積后再次流經(jīng)局部低壓區(qū)時(shí)會(huì)快速回彈，又產(chǎn)生了極強(qiáng)的沖擊波[27]，見圖2c—d?？张莸囊幌盗袧?、再生回彈、再潰滅產(chǎn)生的沖擊波重復(fù)作用于材料表面，會(huì)導(dǎo)致材料的疲勞失效，直至剝落，最終形成如圖2d所示的“海綿狀”或“蜂窩狀”空蝕形貌，甚至出現(xiàn)穿孔[28-29]。由圖3可知，空泡在再生回彈過(guò)程中會(huì)發(fā)生2次明顯的回彈，且后續(xù)回彈尺寸逐次減小[30]。

圖2 沖擊波作用機(jī)制[25]

1917年，Rayleigh L[31]在液體不可壓縮、無(wú)黏性、無(wú)表面張力、空化泡為對(duì)稱潰滅等假設(shè)下，給出了單個(gè)空泡的球?qū)ΨQ理論模型，見式（1）[32]。

上述假設(shè)與實(shí)際中的流體差距較大，因此Rayleigh L給出的理論模型還有待優(yōu)化。此后，Plesset M S[33]考慮了液體的黏性、表面張力、空泡中的含氣量等，對(duì)Rayleigh模型進(jìn)行了修正，給出了著名的Rayleigh– Plesset（R–P）模型，見式（2）[33]。

R–P模型依然假設(shè)空化泡在潰滅過(guò)程中一直為球形，且沒(méi)有考慮液體的可壓縮性，因此Noltingk等[34]、Poritsky H[35]等眾多學(xué)者不斷對(duì)空泡潰滅模型進(jìn)行了完善。1952年，Gilmore F R[36]在R–P模型的基礎(chǔ)上考慮了液體的可壓縮性，認(rèn)為沖擊波的傳播速度等于流體速度與聲速的總和，從而給出了如式（3）所示的模型[36]。

式（1）—（3）中參數(shù)所對(duì)應(yīng)的物理意義如表1所示。

上述模型均基于空泡對(duì)稱潰滅的假設(shè)，無(wú)法解釋非對(duì)稱潰滅模型。由于后者涉及的不穩(wěn)定因素更多，且實(shí)際潰滅時(shí)在空泡群之間存在相互作用，因此關(guān)于空泡潰滅的理論模型雖研究眾多[37-40]，但截至目前仍沒(méi)有一種理論可以完整地解釋整個(gè)過(guò)程。

微射流的作用機(jī)制如圖4所示，當(dāng)固體表面近邊壁的空泡（圖4a）或附著在固體表面的半球形空泡（圖4b）發(fā)生潰滅時(shí)，其上邊界比靠近固體表面一側(cè)塌陷得更快，空泡將變成扁球形，繼而向中心坍塌、潰滅，直至消失[25,41]。在空泡潰滅時(shí)會(huì)形成高達(dá)700 m/s甚至更高速[23,42]的微射流，并將瞬間穿透空泡邊壁，撞擊固體表面，射流速度遵循式（4）[43-44]。

式中：γ為空泡中心到固體表面的無(wú)量綱距離，γ=h/R，h為空泡中心到固體邊壁的初始距離，R為空化泡的初始半徑；Δp為介質(zhì)環(huán)境壓力與泡內(nèi)蒸汽壓的差值；ρ為環(huán)境液體的密度。

表1 模型參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的物理意義

Tab.1 Model parameters and corresponding physical meaning

圖4 微射流的作用機(jī)制[25,41]

值得注意的是，如果驅(qū)使空泡潰滅的壓強(qiáng)梯度較小，或者空泡距固體邊壁較遠(yuǎn)時(shí)，空泡會(huì)呈近似球形潰滅，在此種情況下固體表面的空蝕失效主要為沖擊波作用機(jī)制。若潰滅發(fā)生在附著空腔或者鄰近固體邊界處，非球形潰滅產(chǎn)生的微射流機(jī)制則在空蝕破壞中起主要作用。由此可見，這2種機(jī)械作用機(jī)制并不是完全分離的[18,27]。

除了機(jī)械作用機(jī)制外，其他作用機(jī)制也有其自身的理論特點(diǎn)。其中，熱作用機(jī)制[45]認(rèn)為，在空泡潰滅的瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)局部高溫，而熱交換作用不足以使此種瞬態(tài)高溫被周圍流體所冷卻。當(dāng)此種瞬時(shí)高溫作用于材料表面時(shí)，會(huì)使其表面局部被加熱至熔點(diǎn)，在出現(xiàn)局部熔融的同時(shí)也會(huì)使其強(qiáng)度急劇下降，從而破壞材料?；瘜W(xué)腐蝕機(jī)制[46-47]認(rèn)為，材料在各種腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中發(fā)生空蝕行為時(shí)，將不可避免地引起腐蝕破壞。此時(shí)，化學(xué)腐蝕行為和機(jī)械作用機(jī)制相互促進(jìn)，且兩者交互作用產(chǎn)生的破壞程度將大于兩者單獨(dú)作用時(shí)損傷程度的疊加。電化學(xué)作用機(jī)制[48-49]認(rèn)為，在空泡潰滅時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生局部塑性變形，以及出現(xiàn)表面剝落等空蝕特征，使得內(nèi)能遠(yuǎn)高于周圍未破壞區(qū)的空蝕區(qū)，空蝕區(qū)電位遠(yuǎn)低于未破壞區(qū)，從而形成以空蝕區(qū)為陽(yáng)極、周圍區(qū)域?yàn)殛帢O的電偶電池，該機(jī)制認(rèn)為空泡潰滅作用會(huì)使材料的電位發(fā)生負(fù)移。

2 影響因素

空蝕行為涉及多個(gè)領(lǐng)域，文中將針對(duì)現(xiàn)有研究成果，從內(nèi)因和外因2個(gè)方面來(lái)論述鈦合金空蝕行為的影響因素，見圖5[50]。

2.1 內(nèi)因

現(xiàn)階段，影響鈦合金空蝕損傷現(xiàn)象的內(nèi)因有材料的力學(xué)性能、表面狀態(tài)和顯微組織。由于鈦合金自身顯微組織的不同，在相同測(cè)試條件下其空蝕損傷程度也不同。例如，在熱處理后得到的魏氏組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織等均具有不同的抗空蝕性能，后續(xù)將在防護(hù)措施中的熱處理部分詳細(xì)展開論述。

材料自身的力學(xué)性能會(huì)對(duì)其空蝕行為產(chǎn)生較大的影響。其中，加工硬化能力較高的材料其消耗空泡潰滅沖擊的能力越強(qiáng)，因此材料的加工硬化能力通常與其抗空蝕性能成正比[51]。Man等[52]測(cè)試了商業(yè)純鈦和Ti6Al4V合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的空蝕現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果顯示，Ti6Al4V的抗空蝕性能大約為商業(yè)純鈦抗空蝕性能的1.34倍，且在空蝕過(guò)程中商業(yè)純鈦的加工硬化能力高于Ti6Al4V的加工硬化能力。經(jīng)綜合分析表明，僅依靠加工硬化能力來(lái)判斷鈦合金的抗空蝕性能不可取。隨后，史燁婷[53]研究了工業(yè)純鈦（TA2）和Ti6Al4V合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的空蝕損傷現(xiàn)象。結(jié)果表明，在8 h空蝕試驗(yàn)結(jié)束后，Ti6Al4V的質(zhì)量損失約為TA2質(zhì)量損失的0.56倍，材料的硬度與其抗空蝕性能呈正相關(guān)。這是因?yàn)橛捕茸陨淼亩x就是反映材料抵抗外力的能力，即在空蝕過(guò)程中，可以用硬度值來(lái)衡量材料的可吸收空泡潰滅能量。此外，TA2的內(nèi)部存在更多的包含物和粗大晶粒也是其抗空蝕性能不如Ti6Al4V的原因。

研究表明，材料的表面狀態(tài)對(duì)其空蝕行為也會(huì)產(chǎn)生一定的影響[54]。李海斌[25]將具有3種不同粗糙度的工業(yè)純鈦（TA2）和Ti6Al4V合金置于去離子水中，并測(cè)試了其空蝕行為。在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，2種鈦合金表面的粗糙度與其空蝕累積質(zhì)量損失成正比，其原因是越粗糙的表面存在越多的微觀裂縫和凹槽。前文提到，缺陷中存在“空化核”，作者認(rèn)為，這些“空化核”會(huì)使粗糙表面的空化概率高于光滑表面的空化概率，其破壞程度自然也高于光滑表面，這給其防護(hù)提供了一種思路。許滔等[54]研究了不同粗糙度（0.4、7.2、9.5、9.8 μm）的輻射桿用Ti6Al4V合金在700 ℃的2A14鋁熔體中的空蝕行為，其結(jié)果證明試樣表面粗糙度與其空蝕損傷程度并不存在絕對(duì)的單調(diào)關(guān)系。該研究結(jié)果表明，當(dāng)表面粗糙度逐漸增大時(shí)，Ti6Al4V空蝕后的質(zhì)量損失速率先增大后減小。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因：與9.8 μm的Ti6Al4V試樣相比，9.5 μm的試樣表面的平整度更差，使得該試樣與鋁熔體之間的接觸面積更大，在鋁熔體中發(fā)生擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的速率更快，因此，9.5 μm的Ti6Al4V試樣的質(zhì)量損失速率反而比9.8 μm的Ti6Al4V試樣的質(zhì)量損失速率大。除表面粗糙度外，表面鈍化膜結(jié)構(gòu)也是影響鈦合金空蝕行為的一個(gè)重要因素。Li等[55]認(rèn)為，供體密度較高、平帶電位較負(fù)的銳鈦礦型二氧化鈦鈍化膜在空蝕后的質(zhì)量損失、平均侵蝕深度小于金紅石二氧化鈦的，鈍化膜成分為銳鈦礦的鈦合金的抗空蝕性能相對(duì)較好。

圖5 空蝕行為影響因素[50]

2.2 外因

除內(nèi)在影響因素外，流體介質(zhì)類型、介質(zhì)溫度、流體含沙量等外部因素對(duì)鈦合金空蝕行為的影響也不可忽視。與試驗(yàn)研究相比，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中鈦合金構(gòu)件在流體介質(zhì)中發(fā)生空蝕損傷時(shí)，只受到單一因素作用的可能性較小，因此多因素協(xié)同作用如何影響鈦合金的空蝕行為還有待進(jìn)一步研究。

材料所處的介質(zhì)環(huán)境不同，其空蝕損傷程度也存在一定的差異。張翼飛等[56]將Ti6Al4V合金分別置于蒸餾水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%的LiBr溶液中進(jìn)行了空蝕試驗(yàn)，在8 h后發(fā)現(xiàn)，Ti6Al4V合金在LiBr溶液中的累積質(zhì)量損失約為蒸餾水中的1.28倍。作者認(rèn)為原因在于LiBr溶液中的Ti6Al4V表面在空蝕過(guò)程中不但發(fā)生了機(jī)械剝落，而且與電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生了交互作用，此種交互機(jī)制對(duì)材料表面產(chǎn)生的破壞比純機(jī)械剝落更為劇烈。關(guān)昕[57]研究了工業(yè)純鈦TA2和Ti6Al4V合金均分別置于去離子水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液中的空蝕行為。在NaCl溶液中空蝕8 h后，TA2和Ti6Al4V合金的累積質(zhì)量損失分別約為在去離子水中相對(duì)應(yīng)試樣的1.1和1.2倍，且在NaCl溶液中空蝕后，合金表面的裂紋和蝕坑均多于相同空蝕時(shí)間下去離子水中的此類缺陷。這是因?yàn)殁伜辖鹪贜aCl溶液中發(fā)生空蝕損傷時(shí)同樣也存在局部腐蝕現(xiàn)象，強(qiáng)大的力學(xué)沖擊和電化學(xué)腐蝕相互促進(jìn)，加劇了材料的空蝕破壞。

介質(zhì)溫度通過(guò)影響液體的飽和蒸汽壓，改變液體中的氣體含量和溶氧量來(lái)對(duì)鈦合金的空蝕行為產(chǎn)生影響。Mochizuki等[58]研究了純鈦TB340H在30、45、60 ℃的NaCl（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%）海水中的空蝕行為。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，TB340H的空蝕損傷逐漸加重，但溫度與空蝕損傷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不完全呈正相關(guān)。楊云等[59]在不同溫度下（30～80 ℃，間隔溫度10 ℃）的LiBr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%）溶液中測(cè)試了Ti6Al4V合金的空蝕行為。結(jié)果表明，隨著溶液溫度的升高，Ti6Al4V表面的粗糙度和空蝕深度先升高后降低，且兩者均在50 ℃時(shí)達(dá)到峰值。林翠等[60]在不同溫度（25～75 ℃，間隔溫度10 ℃）的LiBr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%）溶液中測(cè)試的Ti6Al4V合金空蝕行為與楊云等[59]所測(cè)結(jié)果類似，在溫度為55 ℃時(shí)空蝕損傷相對(duì)最嚴(yán)重。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因：在低溫介質(zhì)中氣體含量和溶氧量較高，較高的氣體含量緩沖了空泡潰滅的微射流作用，溶氧含量較高增加了鈍化膜表面的修復(fù)能力。當(dāng)升高介質(zhì)溫度時(shí)，氣體含量和溶氧量均降低，既達(dá)不到以上2種方式對(duì)Ti6Al4V合金空蝕損傷的改善效果，還增大了點(diǎn)蝕傾向，形成的點(diǎn)蝕坑不僅加強(qiáng)了空蝕的力學(xué)沖擊，也在表面產(chǎn)生了更多電化學(xué)腐蝕微電池，加速了空蝕損傷。在溫度進(jìn)一步上升時(shí)，介質(zhì)中較大的飽和蒸汽壓使得空泡內(nèi)部的蒸汽量增大，加強(qiáng)了微射流的緩沖效果，致使到達(dá)合金表面的微射流沖擊破壞作用減弱，當(dāng)溫度進(jìn)一步上升時(shí)，合金表面的空蝕損傷反而降低。

除上述外部因素外，李海斌[25]研究了不同含沙量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）懸濁液中工業(yè)純鈦TA2和Ti6Al4V合金的空蝕損傷。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)含沙量逐漸增大時(shí)，2種試樣的空蝕破壞程度均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。含沙量的增加會(huì)加劇試樣表面的空蝕破壞，一方面是因?yàn)樯沉：碗s質(zhì)賦予了氣核的存留空間，提高了空化發(fā)生的傾向；另一方面是由于空泡在潰滅時(shí)會(huì)攜帶高硬度的沙粒，在微射流作用下與射流束一起沖擊試樣表面，從而產(chǎn)生空蝕和磨損交互作用。當(dāng)空蝕損傷達(dá)到峰值時(shí)，若繼續(xù)增加沙粒的含量，懸浮的沙粒會(huì)不斷研磨試樣表面，降低其表面粗糙度，減緩空蝕損傷。此外，含沙量的進(jìn)一步增加也增大了液體的黏性，減緩了空泡的潰滅過(guò)程，從而減緩了合金表面的空蝕損傷。

3 防護(hù)措施

鈦合金的耐磨性較差，在過(guò)流部件中容易發(fā)生空蝕破壞，從而導(dǎo)致構(gòu)件的失效，嚴(yán)重制約了其在流體介質(zhì)中的應(yīng)用。由此，如何對(duì)鈦合金的空蝕損傷進(jìn)行防護(hù)亦是研究重點(diǎn)。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鈦合金空蝕損傷的防護(hù)措施不斷取得新的研究進(jìn)展，下面將從整體材料熱處理、表面處理、向流體介質(zhì)中添加緩蝕劑等3個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)論述。

3.1 熱處理

研究表明，熱處理工藝通過(guò)改變鈦合金材料的顯微組織來(lái)提高其抗空蝕性能。李海斌[25]將Ti6Al4V合金在不同溫度下（1 020、950、850 ℃）進(jìn)行熱處理，分別得到了魏氏組織、雙態(tài)組織、等軸組織等。作者將熱處理得到的所有試樣在去離子水中進(jìn)行8 h的空蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明，其累積質(zhì)量損失均小于原始Ti6Al4V。其中，經(jīng)1 020 ℃+水淬處理得到的魏氏組織試樣的空蝕累積質(zhì)量損失相對(duì)最?。樵荚嚇拥?7.9%），抗空蝕系數(shù)相對(duì)最高（為原始試樣的1.83倍）。該研究表明，具有不同顯微組織的Ti6Al4V合金對(duì)應(yīng)的抗空蝕性能也存在一定的差異。在魏氏組織中含有馬氏體α′相或片狀α相，增強(qiáng)了Ti6Al4V的斷裂韌性和抗拉強(qiáng)度，材料可吸收空泡潰滅的能量增強(qiáng)。在雙態(tài)組織中的初生α相具有較強(qiáng)的加工硬化能力，β轉(zhuǎn)變組織（次生α相）則可提高材料的強(qiáng)度和硬度，同樣也增強(qiáng)了Ti6Al4V可吸收空泡潰滅的能量。在等軸組織中雖然也含有次生α相，但其含量較少，因此抗空蝕性能的提升不如雙態(tài)組織明顯。在此次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，魏氏組織的抗空蝕性能相對(duì)最佳，雙態(tài)組織次之，等軸組織的抗空蝕性能最低。

關(guān)昕[57]將退火態(tài)Ti6Al4V試樣在不同工藝下進(jìn)行固溶時(shí)效處理，分別得到了雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中空蝕測(cè)試8 h后，雙態(tài)組織表面還存在少量未剝落的原始界面，其累積質(zhì)量損失為退火態(tài)Ti6Al4V的41%；網(wǎng)籃狀組織在空蝕結(jié)束后表面還具有金屬光澤，累積質(zhì)量損失僅為退火態(tài)的13.8%。說(shuō)明這2種工藝對(duì)Ti6Al4V的抗空蝕性能均有一定的改善效果，其中網(wǎng)籃組織的改善效果相對(duì)最佳。對(duì)具有雙態(tài)組織的Ti6Al4V試樣而言，經(jīng)940 ℃固溶處理后，空蝕時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到了α相中過(guò)飽和Al溶質(zhì)原子的阻礙，致使主要發(fā)生在α相中的應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)變激活能增加，從而提高了合金抵抗沖擊波和微射流作用的能力。具有網(wǎng)籃組織的Ti6Al4V試樣的抗空蝕性能較強(qiáng)，這是因?yàn)榫W(wǎng)籃組織試樣在空蝕時(shí)需要同時(shí)考慮α和β兩相的應(yīng)變激活能。

3.2 表面處理

由于空蝕現(xiàn)象從材料表面開始，因此對(duì)鈦合金進(jìn)行表面處理就成為提高其抗空蝕性能的一種有效措施。目前，國(guó)內(nèi)外用于提高鈦合金抗空蝕性能的表面處理技術(shù)包括激光紋理加工、激光氣體氮化、化學(xué)熱處理、離子注入、熱浸鍍等，且都取得了一定的成果。

3.2.1 激光表面紋理加工

激光表面紋理加工是一種采用激光器對(duì)工件表面進(jìn)行選擇性熔化，從而加工出具有特定排列形貌的制備技術(shù)[61-62]。此項(xiàng)技術(shù)具有加工周期短、精度高、熱影響區(qū)小、不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染等優(yōu)勢(shì)[63-64]。激光紋理加工產(chǎn)生的凹坑可以捕捉磨屑，可提高金屬表面的耐磨性[65-67]。此外，激光表面紋理加工技術(shù)還可以提高材料表面的硬度，近年來(lái)也被用來(lái)提高鈦合金的抗空蝕性能。

龐連云等[68]采用激光表面紋理加工技術(shù)在Ti6Al4V合金表面制得了3種不同的紋理結(jié)構(gòu)，并分別置于蒸餾水中研究其抗空蝕性能。在空蝕60 min后，原始試樣表面呈海綿狀形貌，紋理狀試樣僅表現(xiàn)出麻點(diǎn)、針孔和少量空蝕特征。不同試樣的抗空蝕能力由高至低依次為點(diǎn)狀紋理、網(wǎng)格紋理、直線紋理、原始Ti6Al4V試樣。激光加工技術(shù)能夠提高Ti6Al4V合金抗空蝕性能的原因在于，經(jīng)激光處理后試樣表面快速冷卻，獲得了非常細(xì)小的馬氏體組織，從而在試樣表面產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化作用，增加了表層的強(qiáng)度和硬度，使得材料承受空泡潰滅沖擊的能力增強(qiáng)。此外，表面硬度梯度的存在也有助于吸收空泡在潰滅過(guò)程中產(chǎn)生的能量。

連峰等[69]進(jìn)一步研究表明，直線紋理表面的硬度為原始Ti6Al4V合金的1.63倍，而網(wǎng)格紋理表面的硬度則是原始試樣的1.78倍。試驗(yàn)中所有激光表面紋理加工試樣的抗空蝕性能較原始Ti6Al4V試樣均有所提升，其中網(wǎng)格紋理試樣表現(xiàn)出更高的抗空蝕性能。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)了2次加工硬化后，其表面硬度和硬度梯度均大于直線紋理試樣，材料表面的抗空泡沖擊能力和吸收空泡潰滅沖擊的能力均大于直線紋理試樣。此外，作者還發(fā)現(xiàn)，試樣在已經(jīng)進(jìn)行激光表面紋理加工的基礎(chǔ)上再添加自組裝分子膜進(jìn)行復(fù)合處理，空蝕破壞面積最大的試樣也只有原始試樣的18.7%，表明添加該分子膜后Ti6Al4V合金的抗空蝕能力得到了進(jìn)一步提高。這是因?yàn)榉肿幽さ奶砑邮沟迷嚇颖砻娴乃佑|角增大，直至具有疏水特性，液體流動(dòng)的阻力減小，進(jìn)而改變了空泡潰滅發(fā)生時(shí)試樣承受的水流沖擊，最終減小了紋理加工試樣的空蝕 損傷。

激光紋理加工技術(shù)主要通過(guò)提高鈦合金表面的硬度和強(qiáng)度來(lái)改善其抗空蝕性能。經(jīng)激光紋理加工后，表面因熔化再凝固產(chǎn)生了很多凸起，需要將其表面毛刺進(jìn)行打磨，以減小表面粗糙度，避免加劇鈦合金的空蝕損傷[70]。

3.2.2 激光氣體氮化

激光氣體氮化處理是將鈦合金置于氮?dú)鈿夥罩?，利用高能激光束的作用致使合金表面加熱至熔化態(tài)，氮?dú)膺M(jìn)入熔池中與其間的高溫金屬液發(fā)生反應(yīng)，在試樣表面形成了一層含有硬質(zhì)氮化鈦相的氮化層[71-73]。該技術(shù)具有成本低、制備時(shí)間短、可實(shí)現(xiàn)局部氮化處理、生成的氮化層較厚、與基體材料呈冶金結(jié)合等優(yōu)勢(shì)[74-75]，是一種常見的用于提高鈦合金耐磨性的方法[76-78]。近年來(lái)，激光氣體氮化也成功應(yīng)用于改善鈦合金的抗空蝕性能。

Man等[52]研究了激光氣體氮化處理前后的工業(yè)純鈦和Ti6Al4V合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的空蝕行為。在空蝕8 h后，工業(yè)純鈦和Ti6Al4V合金的抗空蝕系數(shù)分別為未處理試樣的13.06倍和9.42倍。隨后，Mitelea等[79]研究了采用Nd:YAG激光器在不同脈沖持續(xù)時(shí)間（10、8、6、4 ms）下進(jìn)行激光氮化前后Ti6Al4V合金的空蝕行為。研究表明，在自來(lái)水中空蝕165 min后，4種經(jīng)激光氮化處理后試樣的抗空蝕能力均比退火態(tài)的Ti6Al4V合金強(qiáng)。當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間為4 ms時(shí)，試樣空蝕后的累積質(zhì)量損失、平均侵蝕深度、平均深度侵蝕率均相對(duì)最小。其中，平均侵蝕深度約為退火態(tài)Ti6Al4V合金的1/3。郭士銳等[80]研究了在質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的NaCl溶液中采用半導(dǎo)體激光器激光氣體氮化前后Ti6Al4V合金的空蝕行為。激光氣體氮化試樣在空蝕試驗(yàn)進(jìn)行12 h后質(zhì)量損失約為未處理Ti6Al4V合金的27.7%，表面硬度最高可提升至原始試樣的2.75倍，表面蝕坑相較于基體試樣非常微小，且表面晶粒未出現(xiàn)大量剝落現(xiàn)象。究其原因，經(jīng)激光氣體氮化處理后表面的氮化層內(nèi)含有大量立方結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)相TiN枝晶，它們緩沖了空泡的沖擊，從而提高了試樣的抗空蝕性能。

當(dāng)氣體中的含氮量降低時(shí)，鈦合金進(jìn)行激光氣體氮化后其表面還會(huì)生成除TiN之外的其他氮化鈦相[81]。Kaspar等[82]采用CO2激光器將Ti6Al4V試樣在氮?dú)?氬氣體積比低于1∶3的混合氣體中進(jìn)行激光氮化，并將去除表面氮化層后的試樣置于去離子水中研究其空蝕行為。在空蝕20 h后，所有激光氮化試樣的累積體積損失和侵蝕率相較于原始未加工試樣均不同程度地減小。作者將處理后試樣抗空蝕性能的提高歸因于氮溶解在α–Ti晶格中的固溶強(qiáng)化效果增加了其硬度和強(qiáng)度。值得注意的是，在氮化層中出現(xiàn)了脆性TiN0.3相，其脆性斷裂加大了激光氮化試樣在空蝕過(guò)程中的損耗。

事實(shí)上，激光氣體氮化主要通過(guò)在鈦合金的表面上形成硬質(zhì)TiN相，以改善其抗空蝕性能。當(dāng)TiN表層由于較薄或含量較少被去除時(shí)，鈦合金表面抗空蝕性能的提高則主要?dú)w因于富氮α–Ti(N)層的存在。該技術(shù)目前存在設(shè)備昂貴、試驗(yàn)結(jié)果很難互相驗(yàn)證、工藝參數(shù)復(fù)現(xiàn)性不大、易導(dǎo)致工件發(fā)生變形、工藝?yán)碚撋胁怀墒斓热毕荩沟么隧?xiàng)技術(shù)還處于工藝實(shí)驗(yàn)研究階段[83]。

3.2.3 化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本較低、可節(jié)省大量勞力等優(yōu)點(diǎn)[84]，在提高鈦合金抗空蝕性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。Li等[85]在高純氮?dú)夥罩袑?duì)商業(yè)純鈦（CP–Ti）、Ti6Al4V合金進(jìn)行了不同溫度（700、850、1 000 ℃）的滲氮處理，并測(cè)試了滲氮前后2種合金試樣在蒸餾水中的空蝕現(xiàn)象。結(jié)果表明，經(jīng)700 ℃氣體滲氮后CP–Ti試樣的抗空蝕系數(shù)相對(duì)最高，為原始CP–Ti試樣的2.65倍。Ti6Al4V試樣在經(jīng)過(guò)1 000 ℃氣體滲氮處理后，其抗空蝕系數(shù)相對(duì)最高，可達(dá)原始Ti6Al4V的6.72倍，空蝕后累積質(zhì)量損失也顯著降低。此研究表明，致密、無(wú)缺陷的硬質(zhì)α–Ti（N）氮擴(kuò)散區(qū)的存在有利于提高CP–Ti、Ti6Al4V合金的抗空蝕性能。Mitelea等[86]研究結(jié)果表明，在570 ℃下對(duì)Ti6Al4V合金進(jìn)行氣體滲氮后，在自來(lái)水中的空化保護(hù)效果較退火態(tài)提高了77%。Li等[87]在850 ℃下對(duì)CP–Ti進(jìn)行氣體滲氮4 h后發(fā)現(xiàn)，在蒸餾水中空蝕8 h后，原始試樣的累積質(zhì)量損失為氣體滲氮試樣的4.5倍，在侵蝕之后表面復(fù)合層仍較完整，這歸因于表面存在附著力好且沒(méi)有缺陷的含TiN復(fù)合層。對(duì)于保溫8、16 h氣體氮化處理的CP–Ti試樣而言，將表面含有缺陷的復(fù)合層輕磨掉并進(jìn)行相同條件下的空蝕試驗(yàn)后，2種氣體氮化試樣累積質(zhì)量損失和平均侵蝕率約為原始試樣的13%和33%，這是因?yàn)榈阝佒械墓倘軘U(kuò)散區(qū)可以有效提高CP–Ti的抗空蝕性能。

除氣體滲氮之外，其他傳統(tǒng)化學(xué)熱處理技術(shù)對(duì)提高鈦合金的抗空蝕性能也有各自的貢獻(xiàn)。Li等[88]采用包埋滲碳法在Ti6Al4V合金表面上制備了一層比較均勻的陶瓷涂層，該涂層富含硬質(zhì)TiC相，不僅可以有效吸收空泡潰滅時(shí)的能量，也可抑制表面裂紋的萌生，減小了試樣的空蝕損傷，使得經(jīng)不同工藝滲碳處理后的試樣在蒸餾水中測(cè)得的抗空蝕性能達(dá)到了原始試樣的3.44～6.68倍。李海斌等[89]采用不同的方式對(duì)Ti6Al4V進(jìn)行了化學(xué)熱處理，并比較了這3種技術(shù)對(duì)鈦合金抗空蝕性能的提高幅度。結(jié)果表明，在去離子水中空蝕8 h后，滲氮、滲碳、碳氮共滲試樣表面僅出現(xiàn)了極少量的孔洞，空蝕損傷明顯減小，3種試樣的抗空蝕性能分別為未處理試樣的5.8倍、2.7倍、4.1倍。此后，李海斌等[90]對(duì)TA2進(jìn)行了熱氧化+氧擴(kuò)散處理，并在去離子水中進(jìn)行空蝕試驗(yàn)12 h，處理后試樣的累積質(zhì)量損失僅為原始TA2試樣的24.3%。由于處理后試樣表面的氧化物層較疏松，所有處理過(guò)的試樣在空蝕初期的質(zhì)量損失均比未處理試樣的大。經(jīng)熱氧化+氧擴(kuò)散處理后，TA2的抗空蝕性能提高的原因在于致密的氧擴(kuò)散層中氧原子在α–Ti中存在固溶強(qiáng)化作用。

上述研究表明，采用傳統(tǒng)的滲碳、滲氮、滲氧法對(duì)鈦合金進(jìn)行化學(xué)熱處理時(shí)，試樣需在高溫下保溫較長(zhǎng)時(shí)間，這樣不僅容易導(dǎo)致晶粒粗大，爐膛中氧的殘余也容易導(dǎo)致試樣表面生成一層薄氧化皮，并與表面生成的硬質(zhì)陶瓷層共同導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。這將導(dǎo)致試樣表面的陶瓷層中產(chǎn)生裂紋、凹坑等缺陷，減小了該項(xiàng)技術(shù)對(duì)鈦合金空蝕損傷的改善作用。為了降低持續(xù)高溫對(duì)鈦合金空蝕損傷的影響，李海斌等[91]后續(xù)采用可在較低溫度下處理的非接觸滲鋁工藝對(duì)Ti6Al4V合金進(jìn)行了表面滲鋁。結(jié)果表明，在去離子水中進(jìn)行空蝕試驗(yàn)12 h后，所有滲鋁試樣的質(zhì)量損失均不同程度地下降。經(jīng)750 ℃保溫1 h處理的滲鋁試樣在空蝕后僅出現(xiàn)了局部空蝕坑，且其累積質(zhì)量損失相對(duì)最低，約為未處理試樣的17.7%。在該工藝下得到的滲層均勻、致密、平整、無(wú)裂紋，既含有較多更細(xì)小的硬質(zhì)相，又含有較少尺寸不均勻、具有室溫脆性的Al3Ti相，可以很好地抵抗空泡潰滅時(shí)的射流沖擊。此外，Shi等[92]采用包埋滲硼處理在Ti6Al4V合金表面制得含TiB2和TiB雙相化合物的致密陶瓷層，它對(duì)于空蝕損傷也起到了良好的保護(hù)作用。

綜上所述，當(dāng)采用化學(xué)熱處理技術(shù)在鈦合金表面形成致密的陶瓷層、擴(kuò)散層后，試樣的表面硬度得到提升，這可以有效抵御空泡潰滅產(chǎn)生的能量。同時(shí)，致密的表面滲層也可通過(guò)防止表面裂紋的萌生、擴(kuò)展，延長(zhǎng)空蝕過(guò)程的孕育期，進(jìn)而提高鈦合金的抗空蝕性能。由于化學(xué)熱處理存在工藝保溫時(shí)間長(zhǎng)、能耗較大、易造成環(huán)境污染等缺陷，因此提高工藝的經(jīng)濟(jì)性就成為此項(xiàng)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)[93-95]。

3.2.4 離子注入

離子注入是利用高能離子高速撞擊材料表面使所需元素注入其表面的一種先進(jìn)的改性技術(shù)[96-97]。采用此方法獲得的改性層與基體間的結(jié)合非常牢固，且兩者之間沒(méi)有明顯的突變界面[98]。由于注入的離子不受各項(xiàng)熱力學(xué)參數(shù)的限制，因此該方法可以實(shí)現(xiàn)任意元素的注入，且注入離子的濃度和深度均可控[99-100]。注入的元素以置換形式或間隙形式處于基體材料表面，并不會(huì)發(fā)生試樣尺寸的改變，也很好地保持了其表面粗糙度，所以離子注入可作為部件的最后一道處理工序[101]。

關(guān)昕[57]研究表明，經(jīng)離子注入鉬后的Ti6Al4V合金試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中空蝕8 h后，其累積質(zhì)量損失為退火態(tài)Ti6Al4V試樣的55.9%。處理后的試樣由于改性層很薄，在空蝕結(jié)束后表面仍然呈現(xiàn)蜂窩狀形貌，空蝕累積質(zhì)量損失比之前熱處理得到的雙態(tài)組織的累積質(zhì)量損失稍大，約為雙態(tài)組織的1.36倍，說(shuō)明在Ti6Al4V表面離子注入鉬后雖然可提升其抗空蝕性能，但效果不如熱處理工藝好。

史燁婷[53]通過(guò)對(duì)工業(yè)純鈦TA2和Ti6Al4V合金表面離子注入相同劑量的鈮元素，并將2種材料置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液中空蝕測(cè)試8 h后，兩者的累積質(zhì)量損失分別為相應(yīng)未處理試樣的66.3%和33.6%，2種鈦合金的空蝕損傷得到了有效緩解。注入鈮后，TA2和Ti6Al4V合金表面仍然出現(xiàn)了典型的蜂窩狀空蝕形貌，作者認(rèn)為這是因?yàn)殁夒x子在鈦合金中的注入深度只能達(dá)到10～100 nm，空蝕時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使得復(fù)合層剝落，從而抑制表面抵御空泡沖擊的能力。由此可見，對(duì)鈦合金表面進(jìn)行鈮離子注入只能減緩空蝕前期的損傷行為，并不能有效改善長(zhǎng)期過(guò)程中的損傷。

離子注入技術(shù)依靠注入離子在鈦合金基體中實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化作用，以提高鈦合金表面的硬度和強(qiáng)度[102]，從而提升材料的抗空蝕性能。由于在離子注入時(shí)產(chǎn)生的晶格損傷難以消除，注入的離子也很難完美占據(jù)原晶格的空位格點(diǎn)，且該技術(shù)的成本較高，改性層非常薄，難以抵抗長(zhǎng)時(shí)間的空泡沖擊，因此目前采用該技術(shù)提高鈦合金抗空蝕性能的研究還較少[103-105]。

3.2.5 其他表面處理技術(shù)

除了采用以上表面處理技術(shù)來(lái)提高鈦合金的抗空蝕性能外，其他相關(guān)表面技術(shù)也被用于鈦合金空蝕損傷的控制。徐垚等[106]采用熱浸鍍+熱處理技術(shù)在Ti6Al4V合金表面制備了均勻且致密的Al3Ti涂層，在蒸餾水中空蝕20 h后熱浸鍍鋁試樣的累積質(zhì)量損失為原始Ti6Al4V合金的53.7%，Al3Ti涂層顯著提高了Ti6Al4V合金的抗空蝕性能。這是由于采用該技術(shù)得到的涂層不僅均勻、致密、無(wú)缺陷，而且其顯微硬度也顯著高于基體試樣，增強(qiáng)了合金抗空泡潰滅沖擊的能力。

Duraiselvam等[107]利用激光合金化技術(shù)，將鋁粉分別與VC和Cr3O2混合，在Ti6Al4V表面制得了含TiC增強(qiáng)相的γ–TiAl和α2–Ti3Al涂層。在蒸餾水中空蝕10 h后，3種涂層的平均侵蝕深度均大幅下降，對(duì)應(yīng)的抗空蝕系數(shù)也顯著提高。這是由于表面固溶體間增強(qiáng)相的均勻分布有助于提高合金層的硬度，而硬度的提升有助于改善其抗空蝕性能。

Mitelea等[108]采用等離子噴涂+激光重熔技術(shù)在雙相Ti6Al4V合金表面沉積了ZrO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%）+ CaO（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%）氧化物涂層。在磁致伸縮儀中空蝕165 min后，已處理試樣的體積損失和空化侵蝕率較退火態(tài)試樣的略低，空蝕坑的尺寸減小，抗空蝕性能提高了約20%。激光重熔修復(fù)了等離子噴涂處理后表面的裂紋和微孔隙等缺陷，獲得了較為均勻的涂層組織，提高了鈦合金的抗空蝕性能。

Mann等[109]采用電弧噴涂技術(shù)在Ti6Al4V表面制得了TWAS SHS7170Plus B涂層，隨后又使用大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了激光熱處理。在水中空蝕9 h后，體積損失僅為未處理Ti6Al4V的12.9%，平均深度侵蝕率也僅為原始試樣的13.6%。作者將抗空蝕性能的提升歸結(jié)為激光熱處理的促進(jìn)作用，其在消除TWAS涂層的氣孔等缺陷的同時(shí)也細(xì)化了晶粒。

徐垚[110]采用微弧氧化技術(shù)在Ti6Al4V合金表面制備了TiO2陶瓷膜層，除去疏松層后分別測(cè)試了處理前后試樣的空蝕行為。結(jié)果表明，在空蝕20 h后，微弧氧化處理試樣在蒸餾水中的累積質(zhì)量損失為未處理試樣的54.2%，而在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaCl溶液中的累積質(zhì)量損失為原始Ti6Al4V的59.8%，這表明微弧氧化處理使得Ti6Al4V的抗空蝕性能得到了有效提升。原因是含TiO2相的膜層的硬度較高，抵御空泡潰滅過(guò)程中的沖擊能力較強(qiáng)，因此其抗空蝕性能較好。

張帥康[111]采用雙陰極等離子濺射沉積技術(shù)在Ti6Al4V表面分別制得了TaSi2涂層和Ta(Si0.875Al0.125)2涂層。在0.5 mol/L的HCl溶液中空蝕9 h后，2種涂層試樣的累積質(zhì)量損失均小于未處理Ti6Al4V合金的累積質(zhì)量損失。其中，涂層為Ta(Si0.875Al0.125)2的試樣累積質(zhì)量損失相對(duì)最小，約為未處理Ti6Al4V的一半。在空蝕9 h后，Ti6Al4V表面完全剝落，TaSi2涂層表面出現(xiàn)了比Ta(Si0.875Al0.125)2涂層表面更大的淺型凹坑，2種涂層均保留了部分完整表面。由于2種涂層在酸性溶液中均會(huì)生成鈍化膜，Al的添加也使得涂層更加致密，因此Ta(Si0.875Al0.125)2涂層的耐蝕性能相對(duì)最好。此外，雖然處理前后Ti6Al4V合金在0.5 mol/L的HCl溶液中的空蝕機(jī)制均為機(jī)械剝落與腐蝕的交互作用，但機(jī)械剝落占主導(dǎo)地位。

3.3 添加緩蝕劑

鈦合金在腐蝕環(huán)境下發(fā)生的空蝕損傷通常會(huì)涉及腐蝕破壞的協(xié)同作用，因此添加緩蝕劑不失為一種提高鈦合金抗空蝕性能的有效方式。張翼飛[112]研究了Ti6Al4V合金在LiBr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%）溶液+陽(yáng)極型緩蝕劑NaNO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%）溶液中的空蝕損傷行為。結(jié)果表明，在含有緩蝕劑的LiBr溶液中空蝕1 h后，表面空洞相較于未加緩蝕劑表面明顯減少；在空蝕8 h后，累積質(zhì)量損失為未加緩蝕劑的90.5%。該緩蝕劑的加入所產(chǎn)生的NO2?會(huì)被吸附在鈍化膜表面具有較強(qiáng)活性的空洞中，使得再鈍化膜更容易生成，抑制了Ti6Al4V的電化學(xué)腐蝕，從而降低了由力學(xué)與電化學(xué)腐蝕共同作用產(chǎn)生的空蝕損傷，但添加緩蝕劑后試樣的電化學(xué)腐蝕未被完全抑制。

4 結(jié)語(yǔ)

鈦合金的硬度較低、耐磨性較差，作為過(guò)流部件會(huì)發(fā)生空蝕損傷和失效，在水中的空蝕失效機(jī)制為純機(jī)械剝落，在腐蝕性介質(zhì)（如NaCl溶液、LiBr溶液）中易遭受機(jī)械剝蝕、化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕的共同作用。此外，影響鈦合金空蝕損傷行為的主要因素包括其自身組織、硬度、強(qiáng)度、加工硬化能力、表面狀態(tài)，以及空蝕介質(zhì)的類型、溫度、含沙量等。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金空蝕損傷的防護(hù)研究都獲得了顯著成果。在所有的防護(hù)措施中，采用化學(xué)熱處理工藝來(lái)提高鈦合金抗空蝕損傷的研究最為成熟，它通過(guò)在鈦合金表面生成致密的陶瓷層+固溶擴(kuò)散層，在抵御空泡潰滅沖擊的同時(shí)也通過(guò)防止裂紋的萌生和擴(kuò)展，延長(zhǎng)了空蝕損傷的孕育期。就目前的研究現(xiàn)狀而言，還有很多方面值得關(guān)注。

1）雖然已有很多學(xué)者提出了空蝕過(guò)程的機(jī)理模型，但由于空蝕損傷涉及的學(xué)科眾多，因此目前還沒(méi)有一種理論模型能夠全面系統(tǒng)地解釋空泡的潰滅過(guò)程，還需要進(jìn)行深入研究。

2）關(guān)于鈦合金空蝕損傷的影響因素尚未研究全面，如外觀結(jié)構(gòu)、液體流速、合金元素、外界壓強(qiáng)等對(duì)鈦合金空蝕損傷的影響需后續(xù)學(xué)者進(jìn)行補(bǔ)充完善。此外，由于在實(shí)際應(yīng)用中鈦合金構(gòu)件發(fā)生空蝕損傷時(shí)一般不會(huì)只受到單一因素的作用，因此多因素協(xié)同作用對(duì)鈦合金空蝕損傷的具體影響還有待后續(xù)學(xué)者深入研究。

3）目前，針對(duì)鈦合金的空蝕損傷、防護(hù)研究主要集中于工業(yè)純鈦TA2、Ti6Al4V合金，因此鈦合金的基體種類還有待擴(kuò)展。即使是目前較為成熟的鈦合金空蝕損傷防護(hù)措施（化學(xué)熱處理技術(shù)）也存在能耗大、工藝經(jīng)濟(jì)型不足等缺陷，因此有關(guān)鈦合金空蝕損傷的防護(hù)措施還需進(jìn)一步豐富和完善。

[1] PAN Yu, LI Wei-bin, LU Xin, et al. Microstructure and Tribological Properties of Titanium Matrix Composites Reinforced withSynthesized TiC Particles[J]. Materials Characterization, 2020, 170: 110633.

[2] ZHU Yan-song, LIU Yun-fei, WEI Xing-nong, et al. Tribological Characteristics of the Dual Titanium Boride Layers (TiB2+TiB) on Titanium Alloy[J]. Ceramics Inte-rn-ational, 2021, 47(10): 13957-13969.

[3] JEYAPRAKASH N, YANG Che-hua. Microstructure and Wear Behaviour of SS420 Micron Layers on Ti-6Al-4V Substrate Using Laser Cladding Process[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2020, 73(6): 1527-1533.

[4] KHAYATAN N, GHASEMI H M, ABEDINI M. Syn-erg-istic Erosion-Corrosion Behavior of Commercially Pure Titanium at Various Impingement Angles[J]. Wear, 2017, 380/381: 154-162.

[5] CHEN Fei-jun, YAO Cheng, YANG Zhen-guo. Failure Analysis on Abnormal Wall Thinning of Heat-Transfer Titanium Tubes of Condensers in Nuclear Power Plant Part Ⅱ: Erosion and Cavitation Corrosion[J]. Engineering Failure Analysis, 2014, 37: 42-52.

[6] LISIECKI A, KURC-LISIECKA A. Erosion Wear Resis-tance of Titanium-Matrix Composite Ti/TiN Produced by Diode-Laser Gas Nitriding[J]. Materiali in Tehnologije, 2017, 51(1): 29-34.

[7] SHI Zhen-ping, WANG Zheng-bin, WANG Ji-qiang, et al. Effect of Ni Interlayer on Cavitation Erosion Resistance of NiTi Cladding by Tungsten Inert Gas (TIG) Surfacing Process[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2020, 33(3): 415-424.

[8] WEI Zheng, WU Yu-ping, HONG Sheng, et al. Effect of WC-10Co on Cavitation Erosion Behaviors of AlCoCrFeNi Coatings Prepared by HVOF Spraying[J]. Ceramics Inter-national, 2021, 47(11): 15121-15128.

[9] KRELLA A, TEKUMALLA S, GUPTA M. Influence of Micro Ti Particles on Resistance to Cavitation Erosion of Mg-Ti Composites[J]. Mechanics of Materials, 2021, 154: 103705.

[10] LI D G, WANG J D, CHEN D R, et al. Influence of Passive Potential on the Electronic Property of the Passive Film Formed on Ti in 0.1 M HCl Solution during Ultra-sonicCavitation[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016, 29: 48-54.

[11] HEATHCOCK C J. Cavitation erosion of materials[D]. Cape town: University of Cape Town, 1980: 5-6.

[12] GENG Lin-lin, CHEN Jian, DE LA TORRE O, et al. Numerical Simulation of Cavitation Erosion Aggressiv-eness Induced by Unsteady Cloud Cavitation[J]. Applied Sciences, 2020, 10(15): 5184.

[13] 劉海霞, 陳金豪, 陳杰, 等. NaCl溶液腐蝕后304不銹鋼的射流空蝕特征[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2020, 56(10): 1377- 1385.

LIU Hai-xia, CHEN Jin-hao, CHEN Jie, et al. Chara-cteristics of Waterjet Cavitation Erosion of 304 Stainless Steel after Corrosion in NaCl Solution[J]. Acta Metallu-rgica Sinica, 2020, 56(10): 1377-1385.

[14] WANG Yi-jing, HAO En-kang, AN Yu-long, et al. The Interaction Mechanism of Cavitation Erosion and Corro-sion on HVOF Sprayed NiCrWMoCuCBFe Coating in Artificial Seawater[J]. Applied Surface Science, 2020, 525: 146499.

[15] ESPITIA L A, DONG Han-shan, LI Xiao-ying, et al. Cavitation Erosion Resistance and Wear Mechanisms of Active Screen Low Temperature Plasma Nitrided AISI 410 Martensitic Stainless Steel[J]. Wear, 2015, 332/333: 1070-1079.

[16] SREEDHAR B K, ALBERT S K, PANDIT A B. Cavit-ation Erosion Testing of Austenitic Stainless Steel (316L) in Liquid Sodium[J]. Wear, 2015, 328/329: 436-442.

[17] HONG Sheng, WU Yu-ping, ZHANG Jian-feng, et al. Ultrasonic Cavitation Erosion of High-Velocity Oxygen- Fuel (HVOF) Sprayed Near-Nanostructured WC-10Co-4Cr Coating in NaCl Solution[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2015, 26: 87-92.

[18] PENG Guo-yi, SHIMIZU S, FUJIKAWA S. Numerical Simulation of Cavitating Water Jet by a Compressible Mixture Flow Method[J]. Journal of Fluid Science and Technology, 2011, 6(4): 499-509.

[19] AMANN T, WAIDELE M, KAILER A. Analysis of Mechanical and Chemical Mechanisms on Cavitation Erosion-Corrosion of Steels in Salt Water Using Electro-chemical Methods[J]. Tribology International, 2018, 124: 238-246.

[20] KARIKALAN N, ELAVARASAN M, YANG T C K. Effect of Cavitation Erosion in the Sonochemical Exfolia-tion of Activated Graphite for Electrocatalysis of Acebut-olol[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2019, 56: 297-304.

[21] 沈燦, 李廣慧, 尹凝霞, 等. 高速內(nèi)冷銑孔空蝕機(jī)理的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(2): 322- 330.

SHEN Can, LI Guang-hui, YIN Ning-xia, et al. Numerical Simulation and Experiment of Cavitation Erosion Mechanism of High Speed Internal Cooling Milling Holes[J]. Surface Technology, 2020, 49(2): 322-330.

[22] 趙雙杰. 水輪機(jī)的空蝕機(jī)理與舉措[J]. 價(jià)值工程, 2016, 35(18): 94-96.

ZHAO Shuang-jie. Cavitation Erosion Mechanism and Measures of Water Turbine[J]. Value Engineering, 2016, 35(18): 94-96.

[23] 陳衛(wèi). 幾種海洋工程常用金屬的空泡腐蝕性能[J]. 熱加工工藝, 2015, 44(8): 17-20.

CHEN Wei. Cavitation Corrosion Performance of Several Oceaneering Metals[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(8): 17-20.

[24] 張志萍, 周勇, 張健. 抗空蝕金屬材料的研究進(jìn)展[J]. 熱處理技術(shù)與裝備, 2011, 32(6): 1-3.

ZHANG Zhi-ping, ZHOU Yong, ZHANG Jian. Research and Development on Metallic Material of Cavitation Erosion Resistant[J]. Heat Treatment Technology and Equipment, 2011, 32(6): 1-3.

[25] 李海斌. TA2和TC4合金空蝕行為及抗空蝕涂層的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2013: 2-5, 40-63.

LI Hai-bin. Study on Cavitation Erosion Behavior and Cavitation Resistance Coatings of TA2 and TC4 Alloy[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013: 2-5, 40-63.

[26] 柳偉, 鄭玉貴, 姚治銘, 等. 金屬材料的空蝕研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2001, 21(4): 250-255.

LIU Wei, ZHENG Yu-gui, YAO Zhi-ming, et al. Research Progress on Cavitation Erosion of Metallic Materials[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2001, 21(4): 250-255.

[27] SREEDHAR B K, ALBERT S K, PANDIT A B. Cavi-tation Damage: Theory and Measurements - a Review[J]. Wear, 2017, 372/373: 177-196.

[28] TAM K F, CHENG F T, MAN H C. Laser Surfacing of Brass with Ni-Cr-Al-Mo-Fe Using Various Laser Proce-ssing Parameters[J]. Materials Science and Engineering: A, 2002, 325(1/2): 365-374.

[29] 吳志偉, 陳靈, 梁思祖, 等. 低碳鋼的空泡腐蝕特征[J]. 機(jī)械工程材料, 2008, 32(6): 82-84.

WU Zhi-wei, CHEN Ling, LIANG Si-zu, et al. Cavitation Corrosion Characteristics of Low-Carbon Steel[J]. Mate-rials for Mechanical Engineering, 2008, 32(6): 82-84.

[30] 屈紅崗. 淺談水輪機(jī)的空化和空蝕機(jī)理以及抗空化的措施[J]. 湖南水利水電, 2008(3): 96-97.

QU Hong-gang. Discussion on Cavitation and Cavitation Mechanism of Hydraulic Turbine and Anti-Cavitation Measures[J]. Hunan Hydro & Power, 2008(3): 96-97.

[31] RAYLEIGH L. Ⅷ on the Pressure Developed in a Liquid during the Collapse of a Spherical Cavity[J]. Philoso-phical Magazine Series 6, 1917, 34(200): 94-98.

[32] 韓冰. 激光空泡相互作用及非對(duì)稱潰滅的力學(xué)特性研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013: 10-16.

HAN Bing. Interaction of Laser-Induced Cavitation Bubbles and Mechanical Effects from the Nonspherical Bubble Collapse[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013: 10-16.

[33] PLESSET M S. The Dynamics of Cavitation Bubbles[J]. Journal of Applied Mechanics, 1949, 16(3): 277-282.

[34] NOLTINGK B E, NEPPIRAS E A. Cavitation Produced by Ultrasonics[J]. Proceedings of the Physical Society Section B, 1950, 63(9): 674-685.

[35] PORITSKY H. The Collapse or Growth of a Spherical Bubble or Cavity in a Viscous Fluid[J]. Journal of Applied Mechanics-Transaction of The Asme, 1952, 18(3): 813- 821.

[36] GILMORE F R. The Growth or Collapse of a Spherical Bubble in a Viscous Compressible Liquid[R]. California: Hydrodynamics Laboratory, California Institute of Technology, 1952.

[37] KELLER J B, MIKSIS M. Bubble Oscillations of Large Amplitude[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1980, 68(2): 628-633.

[38] BLAKE J R, ROBINSON P B, SHIMA A, et al. Intera-ction of Two Cavitation Bubbles with a Rigid Boun-dary[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1993, 255(1): 707.

[39] 李疆, 陳皓生. Fluent環(huán)境中近壁面微空泡潰滅的仿真計(jì)算[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 28(4): 311-315.

LI Jiang, CHEN Hao-sheng. Numerical Simulation of Micro Bubble Collapse near Solid Wall in Fluent Enviro-nment[J]. Tribology, 2008, 28(4): 311-315.

[40] 郭文璐, 李泓辰, 王靜竹, 等. 單空泡與自由液面相互作用規(guī)律研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 51(6): 1682- 1698.

GUO Wen-lu, LI Hong-chen, WANG Jing-zhu, et al. Reserch Progress on Interaction between a Single Cavit-ation and Free Surface[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2019, 51(6): 1682-1698.

[41] KORNFELD M, SUVOROV L. On the Destructive Action of Cavitation[J]. Journal of Applied Physics, 1944, 15(6): 495-506.

[42] GREWAL H S, AGRAWAL A, SINGH H, et al. Cavit-ation Erosion Studies on Friction Stir Processed Hydro-turbine Steel[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2012, 65(6): 731-734.

[43] DULAR M, PO?AR T, ZEVNIK J, et al. High Speed Observation of Damage Created by a Collapse of a Single Cavitation Bubble[J]. Wear, 2019, 418/419: 13-23.

[44] PLESSET M S, CHAPMAN R B. Collapse of an Initially Spherical Vapour Cavity in the Neighbourhood of a Solid Boundary[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1971, 47(2): 283-290.

[45] 王者昌, 張毅, 張曉強(qiáng). 空蝕過(guò)程中的熱效應(yīng)[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2001, 15(3): 287-290.

WANG Zhe-chang, ZHANG Yi, ZHANG Xiao-qiang. Thermal Effect of Cavitation Erosion[J]. Chinese Journal of Material Research, 2001, 15(3): 287-290.

[46] RYL J, DAROWICKI K, SLEPSKI P. Evaluation of Cavitation Erosion-Corrosion Degradation of Mild Steel by Means of Dynamic Impedance Spectroscopy in Galva-nostatic Mode[J]. Corrosion Science, 2011, 53(5): 1873- 1879.

[47] BASUMATARY J, NIE M, WOOD R J K. The Syner-gistic Effects of Cavitation Erosion-Corrosion in Ship Propeller Materials[J]. Journal of Bio- and Tribo-Corro-sion, 2015, 1(2): 12.

[48] 湯大友. 淺談金屬材料的空蝕研究進(jìn)展分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2014(18): 76.

TANG Da-you. Analysis of Research Progress of Cavitation Erosion of Metal Materials[J]. Technology Innovation and Application, 2014(18): 76.

[49] 孫冬柏, 張秀麗, 俞宏英, 等. 空蝕過(guò)程中電化學(xué)電位變化規(guī)律研究[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2000, 20(5): 308-311.

SUN Dong-bai, ZHANG Xiu-li, YU Hong-ying, et al. Experimental Study on Electrochemical Potential in the Process of Cavitation Damage[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2000, 20(5): 308- 311.

[50] 林翠, 趙曉斌, 張翼飛. 金屬材料的空化腐蝕行為及影響因素研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2016, 36(1): 11-19.

LIN Cui, ZHAO Xiao-bin, ZHANG Yi-fei. Research Progress on Cavitation-Corrosion of Metallic Materials[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2016, 36(1): 11-19.

[51] KARIMI A, MARTIN J L. Cavitation Erosion of Mate-rials[J]. International Metals Reviews, 1986, 31(1): 1-26.

[52] MAN H C, CUI Z D, YUE T M, et al. Cavitation Erosion Behavior of Laser Gas Nitrided Ti and Ti6Al4V Alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2003, 355(1/2): 167-173.

[53] 史燁婷. 純鈦及TC4鈦合金抗空蝕性能的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2012: 17-23, 40-52.

SHI Ye-ting. The Research on the Resistance of the Cavit-ation Performance of Pure Titanium and TC4 Titanium Alloy[D]. Tianjin: Tianjin University, 2012: 17-23, 40-52.

[54] 許滔, 董方, 李曉謙. 超聲場(chǎng)對(duì)不同粗糙度的輻射桿端面空蝕行為的影響[J]. 熱加工工藝, 2019, 48(1): 17-21.

XU Tao, DONG Fang, LI Xiao-qian. Effect of Ultrasonic Field on Cavitation Behavior of Radiant Rod with Diffe-rent Roughnesses[J]. Hot Working Technology, 2019, 48(1): 17-21.

[55] LI D G, WANG J D, CHEN D R, et al. Ultrasonic Cavitation Erosion of Ti in 0.35% NaCl Solution with Bubbling Oxygen and Nitrogen[J]. Ultrasonics Sonoche-mistry, 2015, 26: 99-110.

[56] 張翼飛, 林翠, 杜楠, 等. TC4鈦合金在溴化鋰水溶液中的空蝕行為[J]. 腐蝕與防護(hù), 2015, 36(6): 522-526.

ZHANG Yi-fei, LIN Cui, DU Nan, et al. Cavitation Corrosion Behavior of TC4 Titanium Alloy in Lithium Bromide Solution[J]. Corrosion & Protection, 2015, 36(6): 522-526.

[57] 關(guān)昕. 鈦及Ti–6Al–4V合金的空蝕行為研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2010: 17-52.

GUAN Xin. Cavitation Erosion Behavior of Titanium and Ti-6Al-4V Alloy[D]. Tianjin: Tianjin University, 2010: 17-52.

[58] MOCHIZUKI H, YOKOTA M, HATTORI S. Effects of Materials and Solution Temperatures on Cavitation Erosion of Pure Titanium and Titanium Alloy in Seawater[J]. Wear, 2007, 262(5/6): 522-528.

[59] 楊云, 蔡婷婷, 李輝. 溶液溫度對(duì)內(nèi)燃機(jī)用TC4鈦合金超聲波空蝕行為的影響[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(24): 122-124.

YANG Yun, CAI Ting-ting, LI Hui. Effects of Solution Temperatures on Ultrasonic Cavitation Erosion Behavior of Engine TC4 Titanium Alloy[J]. Hot Working Tech-nology, 2017, 46(24): 122-124.

[60] 林翠, 趙曉斌, 杜楠, 等. 溫度對(duì)溴化鋰溶液中Ti–6Al–4V初期空蝕行為的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2017, 27(7): 1376-1384.

LIN Cui, ZHAO Xiao-bin, DU Nan, et al. Effect of Temperature on Initial Cavitation Corrosion for Ti-6Al-4V in Lithium Bromide Solution[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2017, 27(7): 1376-1384.

[61] 何霞, 曾維菊, 王國(guó)榮, 等. 鉆頭滑動(dòng)軸承表面織構(gòu)的激光加工工藝研究[J]. 激光與紅外, 2020, 50(12): 1443- 1449.

HE Xia, ZENG Wei-ju, WANG Guo-rong, et al. Study on Laser Processing Technology of Surface Texture of Drill Sliding Bearing[J]. Laser & Infrared, 2020, 50(12): 1443- 1449.

[62] 趙鐵軍, 吳楠. 表面織構(gòu)技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2020, 49(11): 116-118.

ZHAO Tie-jun, WU Nan. Analysis of the Research Status of Surface Texture Technology[J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2020, 49(11): 116-118.

[63] 林乃明, 謝瑞珍, 鄒嬌娟, 等. 表面織構(gòu)改善鈦合金摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)展[J]. 稀有金屬材料與工程, 2018, 47(8): 2592-2599.

LIN Nai-ming, XIE Rui-zhen, ZOU Jiao-juan, et al. Rese-arch Progress on Surface Texture for Improving Tribo-logical Properties of Titanium Alloys[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2018, 47(8): 2592-2599.

[64] 李亞軍, 逄顯娟, 孫樂(lè)民, 等. 激光表面織構(gòu)化對(duì)45鋼摩擦磨損性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2018, 47(8): 147- 154.

LI Ya-jun, PANG Xian-juan, SUN Le-min, et al. Effects of Laser Surface Texturing on Friction and Wear Prope-rties of 45 Steel[J]. Surface Technology, 2018, 47(8): 147-154.

[65] YUAN Shuo, LIN Nai-ming, ZOU Jiao-juan, et al. Man-ipulation Tribological Behavior of Ti6Al4V Alloy via a Duplex Treatment of Double Glow Plasma Surface Moly-bdenizing-Laser Surface Texturing (LST)[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2020, 9(3): 6360- 6375.

[66] PIMENOV S M, JAEGGI B, NEUENSCHWANDER B, et al. Femtosecond Laser Surface Texturing of Diam-ond-Like Nanocomposite Films to Improve Tribological Properties in Lubricated Sliding[J]. Diamond and Related Materials, 2019, 93: 42-49.

[67] YUAN Shuo, LIN Nai-ming, ZOU Jiao-juan, et al. Effect of Laser Surface Texturing (LST) on Tribological Behavior of Double Glow Plasma Surface Zirconizing Coating on Ti6Al4V Alloy[J]. Surface and Coatings Technology, 2019, 368: 97-109.

[68] 龐連云, 連峰, 高玉周, 等. 激光表面紋理加工Ti6Al4V空蝕的形貌特征[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 36(1): 101-103.

PANG Lian-yun, LIAN Feng, GAO Yu-zhou, et al. Topographical Characteristics of Cavitation Erosion on Ti6Al4V Alloy with Surface Texture Manufactured by Laser[J]. Journal of Dalian Maritime University, 2010, 36(1): 101-103.

[69] 連峰, 張會(huì)臣, 高玉周, 等. 表面紋理和表面膜對(duì)Ti6Al4V合金空蝕特性的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2011, 40(5): 793-796.

LIAN Feng, ZHANG Hui-chen, GAO Yu-zhou, et al. Influence of Surface Texture and Surface Film on Cavit-ation Erosion Characteristics of Ti6Al4V Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2011, 40(5): 793-796.

[70] 鐘兵, 邢志國(guó), 王海斗, 等. 織構(gòu)化表面摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2020, 34(23): 23171-23178.

ZHONG Bing, XING Zhi-guo, WANG Hai-dou, et al. Research Progress on the Tribological Properties of Textured Surfaces[J]. Materials Reports, 2020, 34(23): 23171-23178.

[71] 宿冠群, 付堯, 張顯程, 等. 激光氣體氮化原位合成制備TiN/Ti3Al復(fù)合涂層及其抗高溫沖蝕性能[J]. 機(jī)械工程材料, 2018, 42(2): 52-57.

SU Guan-qun, FU Yao, ZHANG Xian-cheng, et al. In-Situ Synthesized TiN/Ti3Al Composite Coating by Laser Gas Nitriding and Its High-Temperature Erosion Resistance[J].Materials for Mechanical Engineering, 2018, 42(2): 52-57.

[72] LI Guang, YAO Xiao-chun, JAMES W R, et al. Laser Surface Nitriding of Ti-6Al-4V Alloy in Nitrogen-Argon Atmospheres[J]. Coatings, 2020, 10(10): 1009.

[73] 姚小春, 石玗, 李廷取, 等. 鈦合金激光表面氮化層成形特征及分析[J]. 稀有金屬材料與工程, 2019, 48(12): 4060-4067.

YAO Xiao-chun, SHI Yu, LI Ting-qu, et al. Forming Characteristics and Analysis of Nitrided Layers during the Laser Nitriding Titanium Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(12): 4060-4067.

[74] CUI Z D, ZHU S L, MAN H C, et al. Microstructure and Wear Performance of Gradient Ti/TiN Metal Matrix Composite Coating Synthesized Using a Gas Nitriding Technology[J]. Surface and Coatings Technology, 2005, 190(2/3): 309-313.

[75] 王培, 楊理京, 黃春良, 等. TA2純鈦表面激光氣體氮化工藝研究[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2017, 34(6): 30-33.

WANG Pei, YANG Li-jing, HUANG Chun-liang, et al. Research on Technology of Laser Gas Nitriding on TA2 Pure Titanium Surface[J]. Titanium Industry Progress, 2017, 34(6): 30-33.

[76] FU Yao, ZHANG Xian-cheng, SUI Jian-feng, et al. Micr-ostructure and Wear Resistance of One-Step In-Situ Synthesized TiN/Al Composite Coatings on Ti6Al4V Alloy by a Laser Nitriding Process[J]. Optics & Laser Tech-nology, 2015, 67: 78-85.

[77] 王一龍, 俞偉元, 路文江, 等. 激光氣體滲氮工藝對(duì)TC4鈦合金表面性能的影響[J]. 電焊機(jī), 2016, 46(11): 45-49.

WANG Yi-long, YU Wei-yuan, LU Wen-jiang, et al. Effect of Laser Gas Nitriding Process on the Surface Properties of Titanium Alloy TC4[J]. Electric Welding Machine, 2016, 46(11): 45-49.

[78] CHAN Chi-wai, QUINN J, HUSSAIN I, et al. A Prom-ising Laser Nitriding Method for the Design of next Gene-ration Orthopaedic Implants: Cytotoxicity and Antibacterial Performance of Titanium Nitride (TiN) Wear Nano-Particles, and Enhanced Wear Properties of Laser-Nitrided Ti6Al4V Surfaces[J]. Surface and Coatings Technology, 2021, 405: 126714.

[79] MITELEA I, DIMIAN E, BORDEA?U I, et al. Cavitation Erosion of Laser-Nitrided Ti-6Al-4V Alloys with the Energy Controlled by the Pulse Duration[J]. Tribology Letters, 2015, 59(2): 31.

[80] 郭士銳, 郭小鋒, 易云杰, 等. 鈦合金表面半導(dǎo)體激光氣體氮化涂層的性能研究[J]. 表面技術(shù), 2016, 45(9): 201-206.

GUO Shi-rui, GUO Xiao-feng, YI Yun-jie, et al. Prope-rties of Diode Laser Gas Nitriding Coatings on the Surface of Titanium Alloy[J]. Surface Technology, 2016, 45(9): 201-206.

[81] 高鳳琴, 李文生, 武彥榮, 等. Ti–6Al–4V合金光纖激光改性層摩擦學(xué)性能與腐蝕行為[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2020, 30(12): 2832-2844.

GAO Feng-qin, LI Wen-sheng, WU Yan-rong, et al. Friction Properties and Corrosion Behavior of Fiber Laser Modified Layer on Ti-6Al-4V Alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2020, 30(12): 2832-2844.

[82] KASPAR J, BRETSCHNEIDER J, JACOB S, et al. Microstructure, Hardness and Cavitation Erosion Behav-iour of Ti-6Al-4V Laser Nitrided under Different Gas Atmospheres[J]. Surface Engineering, 2007, 23(2): 99-106.

[83] 姚小春. TC4鈦合金表面激光氣體氮化工藝及性能研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2019: 4-9.

YAO Xiao-chun. Study on Process and Properties of Laser Gas Nitriding of TC4 Titanium Alloy Surface[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2019: 4-9.

[84] UNAL O, MALEKI E, VAROL R. Effect of Severe Shot Peening and Ultra-Low Temperature Plasma Nitriding on Ti-6Al-4V Alloy[J]. Vacuum, 2018, 150: 69-78.

[85] LI Hai-bin, CUI Zhen-duo, LI Zhao-yang, et al. Effect of Gas Nitriding Treatment on Cavitation Erosion Behavior of Commercially Pure Ti and Ti–6Al–4V Alloy[J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 221: 29-36.

[86] MITELEA I, DIMIAN E, BORDEA?U I, et al. Ultrasonic Cavitation Erosion of Gas Nitrided Ti-6Al-4V Alloys[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2014, 21(4): 1544-1548.

[87] LI Hai-bin, CUI Zhen-duo, LI Zhao-yang, et al. Surface Modification by Gas Nitriding for Improving Cavitation Erosion Resistance of CP-Ti[J]. Applied Surface Science, 2014, 298: 164-170.

[88] LI Hai-bin, CUI Zhen-duo, LI Zhao-yang, et al. Micro-structure and Cavitation Erosion Properties of Ceramic Coatings Fabricated on Ti-6Al-4V Alloy by Pack Carburizing[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2014, 23(8): 2772-2779.

[89] 李海斌, 崔振鐸, 李朝陽(yáng), 等. 化學(xué)熱處理改善Ti–6Al–4V鈦合金耐空蝕性能的研究[J]. 功能材料, 2014, 45(7): 7148-7152.

LI Hai-bin, CUI Zhen-duo, LI Zhao-yang, et al. Improving Cavitation Erosion Resistance of Ti-6Al-4V Alloy by Thermochemical Treatments[J]. Journal of Functional Materials, 2014, 45(7): 7148-7152.

[90] 李海斌, 杜宜函, 劉樹龍, 等. 純鈦TA2表面熱氧化/氧擴(kuò)散處理及空蝕行為[J]. 淮北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 39(1): 26-30.

LI Hai-bin, DU Yi-han, LIU Shu-long, et al. Effect of Thermal Oxidation/Diffusion Treatment on Cavitation Erosion Behavior of CP Ti[J]. Journal of Huaibei Normal University (Natural Science Edition), 2018, 39(1): 26-30.

[91] 李海斌, 劉樹龍, 劉義, 等. Ti–6Al–4V合金表面滲層制備及空蝕性能研究[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(4): 324-331.

LI Hai-bin, LIU Shu-long, LIU Yi, et al. Preparation and Cavitation Erosion of Surface Diffusion Coating on Ti-6Al-4V Alloy[J]. Surface Technology, 2020, 49(4): 324-331.

[92] SHI Ye-ting, CUI Zhen-duo, YUAN Xu-bo, et al. Effects of Boriding on Cavitation Erosion Resistance of Ti6Al4V Alloy[J]. Key Engineering Materials, 2013, 573: 61-67.

[93] 黃周鋒. 金屬材料先進(jìn)化學(xué)熱處理技術(shù)及應(yīng)用[J]. 科技視界, 2012(13): 114-115.

HUANG Zhou-feng. Advanced Chemical Heat Treatment Technology and Application of Metal[J]. Science ＆ Technology Vision, 2012(13): 114-115.

[94] 王蘭蘭, 黃福祥, 高恩強(qiáng), 等. 稀土元素用于化學(xué)熱處理的研究現(xiàn)狀[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2015, 29(9): 81-85.

WANG Lan-lan, HUANG Fu-xiang, GAO En-qiang, et al. Status of Applying Rare Earth Elements to Chemical Heat Treatment[J]. Materials Review, 2015, 29(9): 81-85.

[95] 金榮植, 楊新龍, 朱立碩. 先進(jìn)的化學(xué)熱處理催滲技術(shù)及應(yīng)用[J]. 金屬加工(熱加工), 2016(S2): 1-7.

JIN Rong-zhi, YANG Xin-long, ZHU Li-shuo. Advanced Chemical Heat Treatment Technology and Its Applic-ation[J]. MW Metal Forming, 2016(S2): 1-7.

[96] 高嘉慶, 屈小勇, 郭永剛. 離子注入技術(shù)在單晶硅太陽(yáng)電池上的應(yīng)用[J]. 微納電子技術(shù), 2019, 56(12): 1022- 1027.

GAO Jia-qing, QU Xiao-yong, GUO Yong-gang. Applic-ation of the Ion Implantation Technology in Monocr-ystalline Silicon Solar Cells[J]. Micronanoelectronic Tech-n-ology, 2019, 56(12): 1022-1027.

[97] ZHANG Jie, CHEN Jing-yi, LU Yan, et al. Optical Planar and Ridge Waveguides in Terbium Scandium Aluminum Garnet Crystal Fabricated by Ion Implantation and Precise Diamond Blade Dicing[J]. Vacuum, 2021, 193: 110493.

[98] SONG Sheng-qiang, CUI Xiu-fang, JIN Guo, et al. Effect of N + Cr Ions Implantation on Corrosion and Tribolo-gical Properties in Simulated Seawater of Carburized AlloySteel[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 385: 125357.

[99] 李朝嵐, 程昱之, 鐘麗輝, 等. 離子注入在醫(yī)用鈦及其合金表面改性中的應(yīng)用[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(7): 28-34.

LI Chao-lan, CHENG Yu-zhi, ZHONG Li-hui, et al. Application of Ion Implantation Technology in Surface Modification of Medical Titanium and Its Alloys[J]. Surface Technology, 2020, 49(7): 28-34.

[100] 秦真波, 吳忠, 胡文彬. 表面工程技術(shù)的應(yīng)用及其研究現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2019, 29(9): 2192-2216.

QIN Zhen-bo, WU Zhong, HU Wen-bin. Application and Progress of Surface Engineering Technology[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2019, 29(9): 2192- 2216.

[101] MARQUES M J, PINA J, DIAS A M, et al. X-Ray Diffraction Characterization of Ion-Implanted Austenitic Stainless Steel[J]. Surface and Coatings Technology, 2005, 195(1): 8-16.

[102] 謝斌, 趙懷紅, 蔣偉. 離子注入在模具表面改性處理技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程師, 2016(6): 111-113.

XIE Bin, ZHAO Huai-hong, JIANG Wei. Application of Ion Implantation in the Mold Surface Modification Technology[J]. Mechanical Engineer, 2016(6): 111-113.

[103] 袁聯(lián)雄, 唐德文, 鄒樹梁, 等. N/Ti/Al離子注入304不銹鋼的耐磨性[J]. 表面技術(shù), 2015, 44(9): 43-49.

YUAN Lian-xiong, TANG De-wen, ZOU Shu-liang, et al. Wear Resistance of 304 Stainless Steel Implanted with N/Ti/Al Ions[J]. Surface Technology, 2015, 44(9): 43-49.

[104] 張光華, 鐘士謙. 離子注入技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982: 50-77, 132-140.

ZHANG Guang-hua, ZHONG Shi-qian. Ion Implantation Technology[M]. Beijing: China Machine Press, 1982: 50-77, 132-140.

[105] LI Chao, ZHAO Ji-hong, CHEN Zhan-guo. Infrared Ab-so-rption and Sub-Bandgap Photo-Response of Hyper-doped Silicon by Ion Implantation and Ultrafast Laser Melting[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 883: 160765.

[106] 徐垚, 崔向紅, 王樹奇, 等. Ti6Al4V合金熱浸鍍鋁的空蝕行為研究[J]. 熱加工工藝, 2015, 44(16): 191-193.

XU Yao, CUI Xiang-hong, WANG Shu-qi, et al. Study on Cavitation Erosion Behavior of Hot-Dip Aluminizing on Ti6Al4V Alloy[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(16): 191-193.

[107] DURAISELVAM M, GALUN R, WESLING V, et al. Improvement of the Cavitation Erosion Resistance of Ti-6Al-4V through Laser Alloying Titanium Aluminide Based Intermetallic Matrix Composites[J]. Lasers in Engineering, 2006, 16(5/6): 423-436.

[108] MITELEA I, BORDEASU I, UTU I D, et al. Improv-ement of the Cavitation Erosion Resistance of Titanium Alloys Deposited by Plasma Spraying and Remelted by Laser[J]. Materiale Plastice, 2016, 53(1): 29-33.

[109] MANN B S, ARYA V, PANT B K. Cavitation Erosion Behavior of HPDL-Treated TWAS-Coated Ti6Al4V Alloy and Its Similarity with Water Droplet Erosion[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2012, 21(6): 849-853.

[110] 徐垚. TI6Al4V合金及表面涂層的空蝕行為研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學(xué), 2014: 36-44.

XU Yao. Study on Cavitation Erosion Behavior of TI6Al4V Alloy and Its Surface Coating[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2014: 36-44.

[111] 張帥康. Al合金化TaSi2納米晶涂層在酸性環(huán)境中沖蝕與空蝕性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2019: 55-69.

ZHANG Shuai-kang. Investigation on Erosion-Corrosion and Cavitation Erosion-Corrosion Behaviors of Al Alloyed TaSi2Nanocrystaline Coating under Acid Environ-ment[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2019: 55-69.

[112] 張翼飛. TC4鈦合金在溴化鋰溶液中的空泡腐蝕研究[D]. 南昌: 南昌航空大學(xué), 2015: 40-45.

ZHANG Yi-fei. The Study on Cavitation Corrosion Behavior of TC4 Alloy in Lithium Bromide Solution[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2015: 40-45.

Research Progress on Cavitation Erosion Damage and Protection of Titanium Alloy

1,1,1,1,2,3,4

(1. College of Material Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. National-Local Joint Engineering Research Centre of Nonferrous Metals and Processing Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 3. Key Laboratory of Research on Hydraulic and Hydro-Power Equipment Surface Engineering Technology of Zhejiang Province, Standard & Quality Control Research Institute of Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China; 4. Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies of Chinese Academy of Sciences/Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and Protective Technologies, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Zhejiang Ningbo 315201, China)

Titanium alloy has been widely used in various engineering fields due to the low density, high specific strength and good corrosion resistance. However, low surface hardness and poor wear resistance could result in cavitation erosion damage of titanium alloy in fluid components, reducing the service life of titanium alloy components. Therefore, it is important to investigate the cavitation erosion damage behavior of titanium alloy and develop proper protection strategy. The mechanism and theoretical model of cavitation erosion were firstly introduced. The effects of mechanical properties, surface status, media and solution temperature on the cavitation erosion behavior of titanium alloy were expounded in detail. Various response measures against cavitation erosion damage of titanium alloy were discussed, such as heat treatment, laser surface texture, laser gas nitriding, thermo-chemical treatment, ion implantation, addition of corrosion inhibitors, etc. The specific reasons for improving the cavitation erosion resistance of titanium alloy by corresponding technologies were summarized. Heat treatment technology could improve the cavitation erosion resistance of titanium alloy by regulating the microstructure of titanium alloy. Laser gas nitriding process formed a hard TiN film on the surface of titanium alloy to resist the impact of cavitation bubble collapse. Thermo-chemical treatment could generate a dense ceramic layer + solid solution diffusion layer on the surface of titanium alloy to alleviate the collapse energy of cavitation bubble and prolong the incubation period of cavitation erosion erosion. Ion implantation depending on the solid solution strengthening and dislocation increment strengthening of ions on the surface of titanium alloy reduced the cavitation erosion damage. Finally, the development direction of cavitation erosion damage and protection of titanium alloy were prospected.

titanium alloy; cavitation erosion; shock wave; microjet; affecting factor; damage protection

TG174

A

1001-3660(2022)10-0128-15

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.013

2021?09?23；

2021?11?02

2021-09-23；

2021-11-02

浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（2021SLKL009）；中科院海洋新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（2021K03）

Open Fund of Key Laboratory of Research on Hydraulic and Hydro-Power Equipment Surface Engineering Technology of Zhejiang Province (2021SLKL009); Open Fund of Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies of Chinese Academy of Sciences/ Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and Protective Technologies (2021K03)

雷晨慶（1997—），女，碩士，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻娓男浴?/p>

LEI Chen-qing (1997-), Female, Master, Research focus: surface modification of the metallic materials.

林乃明（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻娓男浴?/p>

LIN Nai-ming (1981-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: surface modification of the metallic materials.

吳玉程（1962—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧稀?/p>

WU Yu-cheng (1962-), Male, Doctor, Professor, Research focus: metallic materials.

雷晨慶, 袁爍, 林乃明, 等.鈦合金空蝕損傷及防護(hù)的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(10): 128-142.

LEI Chen-qing, YUAN Shuo, LIN Nai-ming, et al. Research Progress on Cavitation Erosion Damage and Protection of Titanium Alloy[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 128-142.

責(zé)任編輯：彭颋