張林海，周全民，王曉婧，寧 峻，鄭明珉，劉艷紅

(1. 國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2. 國家電投集團江西水電檢修安裝工程有限公司，江西 南昌 330224)

[收稿日期] 2022-01-11

[基金項目] 國家電力投資集團B類項目(KYTC2020SD05)資助

[通信作者] 劉艷紅(1977-)，博士，教授級高工，主要從事能源材料、材料表面技術(shù)研究，電話：010-56681622，E - mail: liuyanhong@spic.com.cn

0 前 言

水電是全球公認的清潔、優(yōu)質(zhì)、靈活的可再生能源電力。十四五期間，水電開發(fā)在中國能源轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)碳減排和碳中和目標中繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，其裝機規(guī)模也將繼續(xù)擴大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空蝕問題長期困擾著水電行業(yè)，破壞水電機組設(shè)施設(shè)備，產(chǎn)生振動和噪音，還會降低運行效率，嚴重影響水電機械的使用性能與服役壽命，每年造成高昂的維護和檢修費用。因此，開展水電機械抗空蝕研究對于促進水電發(fā)展和科學(xué)降碳具有重要意義。對比當前水電空蝕防治技術(shù)，涂層防護手段從功能性和成本角度考慮均具有更佳的應(yīng)用前景。其中，合金抗空蝕涂層具有結(jié)合強度高、制備效率高、韌性好等顯著優(yōu)點，尤其適合轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉等動態(tài)運轉(zhuǎn)的水電機械惡劣空蝕工況，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點方向。本文就目前抗空蝕合金涂層材料的研究狀況進行了綜述。

1 空蝕概述

1.1 空蝕機理及影響因素

空蝕是一種微觀高速、多因素交互影響的復(fù)雜現(xiàn)象。目前學(xué)者普遍認同的空蝕原理為由于液體流動過程中局部區(qū)域壓力變化，部分液體汽化的空泡不斷生成和潰滅的過程對基體材料產(chǎn)生強大的應(yīng)力沖擊效應(yīng)，導(dǎo)致過流表面侵蝕損傷程度大大增加，形成麻坑、蜂窩狀侵蝕等缺陷。圖1為空蝕宏觀形貌，圖2為空蝕過程示意[1]?？瘴g現(xiàn)象可以簡化為空化和氣蝕2個過程，歷經(jīng)空化泡形成、空化泡長大和劇烈潰滅3個階段[2]。迄今為止，針對復(fù)雜空蝕的破壞機理暫無明確定論，但相關(guān)研究人員提出了若干空蝕損傷理論，主要包括沖擊波機制、微射流機制、化學(xué)/電化學(xué)腐蝕機制、熱學(xué)作用機制、復(fù)合作用機制5種[3,4]。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，空蝕破壞多為幾種機制聯(lián)合非線性耦合作用的結(jié)果，并非單一機制作用效果的線性疊加[5]。實際水電工況下，空蝕程度的影響因素同樣復(fù)雜繁冗，主要歸納為以下4個方面：外界環(huán)境(溫度、壓強、空蝕頻率及周期等)、液體物性(表面張力、黏度、密度、流速、pH值、含氣含沙量等)、物體狀態(tài)(尺寸形狀、空蝕距離、表面狀態(tài)等)、材料特性(硬度、強韌度、彈性模量、應(yīng)力狀態(tài)、組織缺陷等)。

1.2 空蝕防治

空化氣蝕是水電機組運行中最為常見的故障之一，主要類型包括翼型空蝕、空腔空蝕、間隙空蝕、局部空蝕等，相應(yīng)損傷主要集中在水輪機轉(zhuǎn)輪出水邊、導(dǎo)葉、尾水管、轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁等區(qū)域。目前水電站針對空蝕問題的防治方法主要涵蓋以下4個方面：

(1)流域水體水文優(yōu)化。通過采用固沙降污、緩流等系列措施，提升相關(guān)流域的水質(zhì)環(huán)境，減緩水電機械運行損傷，但存在治理周期長、投入經(jīng)費大等缺點；

(2)水電機械無空化優(yōu)化設(shè)計。依托數(shù)值仿真軟件模擬和空蝕動力學(xué)判據(jù)等方法，優(yōu)化水輪機結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)設(shè)計、增加補氣裝置等，提前規(guī)避空蝕問題；

(3)開發(fā)具備優(yōu)良抗空蝕性能的機械材料。近年來，具有較高強度和斷裂韌性的材料已逐步應(yīng)用于水輪機轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、管套等過流部件中，并取得良好的抗空蝕效果，有效提高其服役壽命，如ZG0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼、Ti - 6Al - 4V合金、Stellite合金、鎳基Inconel 718超級合金等；

(4)水電機械表面抗空蝕強化處理。水電機械表面抗空蝕強化處理主要包括表面改性技術(shù)和表面涂層防護技術(shù)，其中表面改性主要涉及激光或等離子表面改性技術(shù)、表面滲碳滲氮強化技術(shù)等；涂層防護也是一種重要的保護手段，應(yīng)用更為廣泛、防護效果更佳。目前常用的防護涂層主要包括合金材料、陶瓷材料、有機高分子材料、復(fù)合材料等，可采用火焰噴涂、等離子噴涂、激光熔覆、電弧沉積、涂敷、堆焊等方法制備。

2 抗空蝕合金涂層材料

區(qū)別于高硬度涂層在水電磨蝕工況下已廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，復(fù)雜的空蝕機理及嚴重的破壞程度對抗空蝕防護涂層的性能提出了更高的要求。研究發(fā)現(xiàn)，硬度僅是涂層材料抗空蝕特性表現(xiàn)之一，其抗空蝕性能還取決于結(jié)合強度、孔隙率和開裂韌性3個方面。涂層與基體的結(jié)合強度決定了空蝕剝離孕育期的時間長短；孔隙率決定了空蝕初期空蝕源形成的數(shù)量和速率；開裂韌性則決定了空蝕裂紋擴展速度。進一步地，具備上述優(yōu)良特性的非應(yīng)變率敏感合金涂層可增加材料表面的抗疲勞性，更好地承受高頻次塑性沖擊變形，從而顯著提高材料的抗空蝕能力。目前針對水電抗空蝕合金涂層材料的研究逐步深入，其中熱點主要集中在硬質(zhì)合金、鐵基合金、鈷基合金、鎳基合金、高熵合金等幾個方面。

2.1 硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是目前水電行業(yè)應(yīng)用最成熟的防護涂層材料，主要由硬質(zhì)相和粘結(jié)相構(gòu)成。其中硬質(zhì)相可提升涂層耐磨性能；粘結(jié)相通常為單質(zhì)金屬或合金，具有較高的斷裂韌性以改善涂層抗空蝕性能。由于硬質(zhì)合金涂層開發(fā)較早，國內(nèi)外相關(guān)研究已較為豐富，當前水電行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的系列主要包括WC - Co、WC - Co - Cr、Cr3C2- Ni - Cr、WC - Cr3C2- Ni - Cr等，主要采用超音速火焰噴涂、激光熔覆、堆焊等方法制備，取得了良好的抗空蝕效果[6-9]?；谇捌谘芯?，近年來硬質(zhì)合金復(fù)合強化材料成為抗空蝕涂層研究熱點之一。丁翔等[10]采用微米/納米雙峰復(fù)合型WC粉末制備WC - 10Co - 4Cr涂層，主要由WC相、非晶CoCr相和微量W2C相組成；涂層孔隙率降低40%，開裂韌性提高45%，淡水抗空蝕性能提升大約1倍，圖3為微米、微 - 納米WC - 10Co4Cr涂層橫截面顯微組織。崔宜靜[11]和岳建鋒等[12]也在研究中證實雙峰復(fù)合粉末提高抗空蝕性能的結(jié)論。部分學(xué)者在硬質(zhì)合金粉末中添加稀土氧化物、Ni基合金、陶瓷顆粒等強化相，進一步提高涂層材料的強韌度、致密度等物理性能，也取得了較好的復(fù)合強化效果[13-16]。硬質(zhì)合金涂層硬度高，但易受孔隙率和硬質(zhì)相脆性失效影響，嚴格控制原材料和制備工藝是獲得具有良好抗空蝕性能硬質(zhì)合金涂層的關(guān)鍵。

2.2 鐵基合金

國內(nèi)外學(xué)者針對抗空蝕鐵基合金進行了一系列研究，其中深入開發(fā)的涂層材料主要包括鐵基多元合金、鐵基非晶合金、鐵基形狀記憶合金等。鐵基合金熔點較低，相關(guān)涂層制備方法靈活多樣，其中應(yīng)用廣泛的方法為超音速火焰噴涂、高速電弧噴涂、堆焊、激光熔覆等，已在水輪機防護方面獲得一定應(yīng)用。

2.2.1 鐵基多元合金

鐵基合金具有韌性好、彈性模量與基體接近等優(yōu)點，通過適當添加鎳、鈷、鉻、鉬、鈮等多種元素產(chǎn)生固溶強化、相變強化、細晶強化等綜合強化作用，使涂層抗空蝕性能有所提升。目前水電領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的鐵基多元合金主要包括Fe - Cr系、Fe - Cr - Ni系、Fe - Cr - Ni - Mo系、Fe - Cr - Ni - Co系等。吳玉萍等[17]采用超音速火焰噴涂技術(shù)在不銹鋼表面制備了Fe - Cr基涂層，結(jié)果表明Fe - Cr基涂層(1 099 HV2 N)抗空蝕性明顯優(yōu)于ZG06Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼(285 HV2 N)。孫洪濱等[18]采用高速電弧噴涂技術(shù)在1Cr18Ni9Ti不銹鋼基體上制備高鉻硼合金和碳化鉻 - 鐵基合金2種涂層材料，其中后者硬度為510 HV0.5 N，結(jié)合強度為38.7 MPa，空蝕平均失重速率為0.2 mg/min，取得一定抗空蝕效果?；诙嘣辖鹁C合強化機理，徐桂芳等[19]采用堆焊技術(shù)在304不銹鋼表面制備了Fe - Cr - Ni - Co合金涂層并進行表面重熔處理，空蝕測試結(jié)果表明：Fe - Cr - Ni - Co合金堆焊層和重熔層的耐空蝕性能遠高于304不銹鋼，合金重熔層耐空蝕性優(yōu)于堆焊層；空蝕過程中奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變可吸收空蝕能量，延緩空蝕進程；此外晶粒細化可有效阻止裂紋延展而提高材料耐空蝕性能。圖4為Fe - Cr - Ni - Co合金涂層累計質(zhì)量損失和失重率曲線。鐵基多組元合金涂層制備方法簡便易控，經(jīng)濟性好，但抗空蝕效果一般，適合低強度空蝕工況。

2.2.2 鐵基非晶合金

非晶合金快速凝固后保留著原子排列長程無序和無晶體結(jié)構(gòu)缺陷等特點，獲得正常凝固所不具備的組織與性能，如非晶、微晶、納米晶等，因而具有高強度、高強韌性、耐腐蝕、高彈性模量等優(yōu)異性能。其作為表面抗空蝕涂層材料具有廣闊的應(yīng)用前景，相關(guān)研究應(yīng)用也較為廣泛。表1為迄今為止開發(fā)的典型鐵基非晶涂層合金體系，主要包括Fe - ETM - M、Fe - LTM - M、Fe - ETM - LTM - M 3類[20]，添加碳、硼、硅、氮、磷等元素以降低熔點，促進非晶相和納米晶相的形成，并且析出少量彌散碳化物與硼化物提高涂層硬度；進一步添加鎳、鈷、鉻、鉬等金屬元素，提高合金耐蝕性和強度韌性，因而具有優(yōu)良的抗空蝕性能。

表1 迄今為止開發(fā)的典型鐵基非晶涂層合金體系[20]

陶翀等[21]采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備了含有非晶、納米晶和硼化物的Fe - Cr - Ni基涂層，其抗空蝕性優(yōu)于傳統(tǒng)ZG06Cr13Ni5Mo水電不銹鋼材料，相同條件下空蝕質(zhì)量損失僅為后者的1/3。Qiao等[22]研究了超音速火焰噴涂鐵基非晶/納米晶涂層的噴涂參數(shù)、顯微組織與超聲空蝕行為的關(guān)系，并在AISI 321鋼基體上制備了高硬度、低孔隙率的鐵基非晶/納米晶涂層，其抗氣蝕性能優(yōu)異。婁建新等[23]利用高速電弧噴涂技術(shù)制備了FeCrBSiNbW非晶納米晶涂層，研究了不同熱處理溫度下高速電弧噴涂FeCrBSiNbW非晶納米晶涂層組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律和空蝕破壞機理，結(jié)果表明電弧噴涂FeCrBSiNbW非晶納米晶涂層的抗空蝕性能隨著非晶含量的降低而下降，噴涂態(tài)涂層累積空蝕失重最小，空蝕平均失重速率為0.13 mg/min。于盛旺等[24]采用等離子束冶金法在低碳鋼表面制備的FeCrNiBSiC - 0.17%RE冶金層具有優(yōu)良的抗空蝕性能，經(jīng)42 h空蝕試驗后累積質(zhì)量損失僅為0Cr13Ni6Mo不銹鋼的0.507倍。近年來，美國Liquid Metal Coatings公司開發(fā)的Armacor系列非晶合金涂層材料具備良好的防護性能，有效解決了機械磨損、化學(xué)腐蝕和氣蝕等問題，已取得一定應(yīng)用進展[25-28]。降低缺陷和增加粘結(jié)相結(jié)合強度是提高其抗多相流損傷的關(guān)鍵[29]，也將是抗空蝕鐵基非晶涂層未來的研究重點。

2.2.3 鐵基形狀記憶合金

形狀記憶合金具有高強度、耐腐蝕等優(yōu)良性能，同時還具有偽(超)彈性、形狀記憶等功能特性，因此可通過相變吸收和彈性緩沖耗散空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊，使其具有優(yōu)良的抗空蝕性能。鐵基形狀記憶合金分為3類：Fe - Mn - Si系、Fe - Ni - Co系和Fe - Pt/Fe - Pd系。其中Fe - Mn - Si系應(yīng)用最為廣泛，龍霓東等[30, 31]研究了2種Fe - Mn - Si系鐵基形狀記憶合金的抗空蝕性能，發(fā)現(xiàn)局部載荷作用下可有效吸收彈性變形能及在空蝕過程中有較高應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變能是其抗空蝕性能優(yōu)異的主要原因。此外還發(fā)現(xiàn)添加Nb、Ce元素的Fe - 14Mn - 6Si - 9Cr - 5Ni - Nb - Ce形狀記憶合金合金在3.5%NaCl溶液中呈現(xiàn)更加優(yōu)異的抗空蝕性能，空蝕率僅為0.37 mg/h。王再友等[32]采用旋轉(zhuǎn)圓盤試驗機研究了Fe - 25Mn - 6Si - 7Cr形狀記憶合金的空蝕失效機制，發(fā)現(xiàn)抗空蝕性能在34 m/s和45 m/s速度下分別是對比材料0Cr13Ni5Mo不銹鋼的1.6倍和7.3倍，偽彈性是Fe - 25Mn - 6Si - 7Cr形狀記憶合金具有高抗空蝕性能的主要原因。目前，鐵基形狀記憶合金還存在成本較高、成熟度低等劣勢，但預(yù)計隨著相關(guān)研究的不斷開展，鐵基形狀記憶合金涂層材料將在抗空蝕領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用前景。

2.3 鈷基合金

鈷合金具有低堆垛層錯能和高彈性模量的特性，可以顯著提高抗空泡腐蝕性能，有效增長空蝕孕育周期；并且其優(yōu)良的強韌性和應(yīng)力誘發(fā)相變強化可抑制裂紋延展，進一步降低空蝕損傷。目前，抗空蝕鈷基合金涂層材料主要包括Co - Cr系、Co - Cr - Fe - Mn/Ni系、Co - Ni - Cr - W系、Co - Cr - B - Si自熔系、Co - Cr - Al - Y系等幾類，其中以Stellite合金為代表的Co - Ni - Cr - W系應(yīng)用最為廣泛。涂層多采用激光熔覆、堆焊、火焰噴涂等方法制備，基體抗空蝕效果顯著提高，目前已在葛洲壩等水電站獲得推廣與應(yīng)用。

柳偉等[33]采用激光熔敷方法在20SiMn低合金鋼表面制備0.45 mm厚度的CoCrFeMnNi合金涂層，硬度變化范圍為305～368 HV。涂層較低的層錯能和應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變吸能效應(yīng)使其表現(xiàn)出良好的抗空蝕性能，相較于基體20SiMn低合金鋼和對比材料0Cr13Ni5Mo不銹鋼，3 h空蝕累計失重分別降低至1/5和1/2。徐進等[34]采用激光熔覆方法在水輪機ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼基體表面制備Co - Cr - W - C系耐蝕耐磨合金層材料，熔覆層與基體呈良好的冶金結(jié)合，耐磨耐蝕性大幅度提高，涂層試樣加速空蝕試驗20 h后質(zhì)量損耗幾乎為0。陳明聯(lián)[35]采用高能焊補以及微弧火花沉積技術(shù)在316不銹鋼表面制備Stellite合金涂層，如圖5所示，并在3.5%NaCl溶液中進行空泡腐蝕性能評價，對鈷基涂層抗空蝕機理進行了分析研究，結(jié)果表明沉積層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，相同時間下Stellite涂層空蝕失重僅為316不銹鋼的1/5，空蝕導(dǎo)致的應(yīng)力殘余和硬度可進一步提高涂層抗空蝕性能。趙輝等[36]采用氧乙炔火焰噴熔法在ZG06Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼表面制備了Co50合金涂層，探討了Co基自熔合金涂層的空蝕破壞機理。固溶強化、細晶強化和共晶碳化物相強化使得合金涂層具有較高的硬度和抗空蝕性，空蝕穩(wěn)態(tài)累計失重率為0.83 mg/h。部分研究[37, 38]通過在鈷基合金粉末中添加WC、TaC和SiC納米陶瓷顆粒， 獲得的彌散強化型

鎳基合金涂層也具有良好的抗空蝕性能。Co基合金具備優(yōu)良的抗空蝕性能，但是價格昂貴，涂層制備成本較高等因素限制了其在水電領(lǐng)域更為廣泛的應(yīng)用。

2.4 鎳基合金

鎳合金具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗氧化、抗應(yīng)力疲勞和高斷裂韌性等材料特征，目前主要包括固溶強化型、沉淀強化型、彌散強化型和中間化合物強化型鎳基合金4類。近年來，針對抗空蝕鎳基合金涂層及材料的研究主要集中在鎳基多元合金、鎳基自熔合金、鎳基金屬間化合物合金等方面，相應(yīng)涂層制備技術(shù)為熱噴焊、熱噴涂、冷噴涂、堆焊、激光熔覆等。基于鎳基合金的上述優(yōu)良特性，其涂層材料在水電機械防護領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的抗空蝕效果。

2.4.1 鎳基多元合金

同鐵基多元合金復(fù)合強化機制類似，通過向金屬鎳中添加強化元素產(chǎn)生固溶強化、相變強化、細晶強化等綜合強化作用，使涂層抗空蝕性能有所提升。目前，用作抗空蝕研究的鎳基多組元合金主要包括Ni - Cr系、Ni - Co系、Ni - Cr - Fe系、Ni - Cr - W - Mo系等。陳天驊等[39]采用超聲振動空蝕試驗機對Inconel 718鎳基超合金與316L不銹鋼進行空蝕磨損研究，發(fā)現(xiàn)Inconel 718表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗空蝕磨損性能，其空蝕600 min累計質(zhì)量損失約為316L的1/3，空蝕孕育期時長為316L不銹鋼的2倍左右。本研究組采用3D激光打印方法在ZG06Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼表面熔覆了1.5 mm厚的Inconel 718鎳基合金，6 h內(nèi)空蝕試驗失重平均速率為2.6 mg/h，表現(xiàn)出良好的抗空蝕性能?？等w[40]采用激光熔覆技術(shù)在鎳鋁青銅表面制備NiY熔覆層和NiCrFe熔覆層，研究了2種涂層的耐蝕和抗空蝕強化機制，并發(fā)現(xiàn)NiCrFe熔覆層中Y、Cr、Cu、Mo等元素的強化作用，涂層平均硬度和彈性回復(fù)是基體的2～3倍，有利于材料的耐空蝕性能。

2.4.2 鎳基自熔合金

鎳基自熔合金廣泛用作抗空蝕涂層材料，目前主要包括Ni - Cr - B - Si系、Ni - Cr - B - Si - C系、Ni - Cr - B - Si - Mo系、Ni - Cr - B - Si - C - Mo - Cu系等，具有良好的綜合力學(xué)性能和經(jīng)濟成本。大量的Ni、Cr、Si、B等元素不僅降低合金熔點，還使涂層中γ - FeCrNi基體得到顯著強化，析出的碳化物和硼化物等硬質(zhì)彌散相有效地抵御氣泡潰滅時產(chǎn)生的微射流作用，使涂層具有較好的抗空蝕性能。Kwok等[41]采用火焰噴涂預(yù)置粉末法在AISI 1050和UNS S31603不銹鋼表面熔覆0.2 mm厚的NiCrSiB自熔合金激光熔覆層，該熔覆層的抗空蝕性約是2種不銹鋼基體的7倍與4倍。劉海濤[42]采用氧乙炔火焰噴熔工藝制備了Ni60A、NiWC35、Ni55MoA和Ni60CuMo不同鎳基合金噴熔層，探討了涂層在NaCl溶液中的抗空蝕性能并分析空蝕機理，發(fā)現(xiàn)Mo或Cu元素的加入可使涂層在NaCl溶液中抗空蝕性能分別提高24%，39%?；阪嚮辖鹆己玫囊簯B(tài)潤濕特性，張松等[43]、劉舜堯等[44]、康進興等[45]、孫達等[46]、曹明[47]通過向鎳基自熔合金中添加TiC、WC等硬質(zhì)相或稀土氧化物獲得鎳基復(fù)合增強合金，抗空蝕性能有所提升。圖6為鎳基Colmonoy 88合金堆焊層5 h空蝕樣品表面形貌和空蝕動力學(xué)曲線，表明該WxC鎳基復(fù)合強化涂層在3.5%NaCl溶液中抗空蝕性能最高為316L不銹鋼的5倍[44]。自熔類合金是目前鎳基合金中抗空蝕應(yīng)用較多的材料之一，技術(shù)成熟度高，尤其可滿足高溫、腐蝕環(huán)境的耐空蝕需求[48-50]。

2.4.3 鎳基金屬間化合物合金

金屬間化合物具有金屬鍵和共價鍵共存的特性[51]，長程有序的結(jié)構(gòu)特點使其合金獲得高強度、高彈性模量和流變應(yīng)力的特點，具備抗空蝕應(yīng)用潛力。目前，相關(guān)方面的研究主要集中在Ni - Ti系形狀記憶合金和Ni - Al系強化合金2個方面，并取得一定抗空蝕效果。

近等原子比(Ni含量50%～56%)的NiTi合金主要以NiTi相形式存在，該相具有超彈性和形狀記憶效應(yīng)，兼具良好的強韌性、耐蝕性和耐疲勞性。在高頻次空蝕脈沖應(yīng)力作用下，NiTi合金涂層中γ→M相變強化和超彈性變形過程吸收部分脈沖應(yīng)力，緩解裂紋缺陷尖端應(yīng)力集中和擴展，進而延緩空蝕的進行。Chiu等[52]利用激光熔覆技術(shù)在316L不銹鋼表面分別預(yù)置NiTi合金粉末或NiTi合金薄片，獲得較高硬度、彈性回復(fù)比及致密度的NiTi合金熔覆層，具備良好的抗空蝕性能。此外部分學(xué)者分別在NiTi合金涂層制備方法及工藝、熱處理、元素強化等方面作進一步研究，也取得了良好的抗空蝕效果[53-56]?？箍瘴gNi - Al系強化合金中，最具代表性的Ni3Al是一種具有L12型晶體結(jié)構(gòu)的長程有序金屬間化合物，具有很強的形變硬化特性。黃志河等[57]采用手工電弧焊方法試制Ni3Al合金層，較高的硬度提升了基體抗微射流沖擊疲勞性能，20 h渾水空蝕試驗中Ni3Al合金失重僅為0Cr13Ni5Mobu不銹鋼的1/2。馮滌等[58]采用堆焊方法制備成Ni3Al基WC復(fù)合強化涂層，硬度達到470 HV，石英砂水流空蝕沖刷試驗失重率僅為3.5%，具有良好的抗水砂磨損和空蝕雙重作用性能。鎳基金屬間化合物以其低密度、高性能而具有極強的競爭優(yōu)勢，將是一類極具潛力的新型功能材料[51]。

2.5 高熵合金

高熵合金(High - Entropy Alloys)簡稱HEA，是由多種元素以近似等摩爾比含量形成的合金。高熵合金打破傳統(tǒng)金屬以單一元素作為主元的限制，其成分的可設(shè)計性和可調(diào)節(jié)性有利于形成特殊的微觀組織結(jié)構(gòu)，進而獲得高強度、韌塑性等性能特點，因而具有良好的抗空蝕應(yīng)用潛能。高熵合金涂層已成為近幾年該領(lǐng)域的研究熱點之一，目前主要制備方法為熱噴涂、激光熔覆、釬焊和物理氣相沉積(PVD)等。

目前Co、Cr、Fe、Ni 4種元素在高熵合金中應(yīng)用最為廣泛，比例高達70%以上。Nair等[59]研究了Al0.1CrCoFeNi合金在NaCl溶液中的抗空泡腐蝕性能。如圖7所示，相對于SS316L不銹鋼，得益于高熵合金良好的加工硬化性和穩(wěn)定的表面鈍化膜，其空蝕孕育期顯著增長且空蝕速率減緩近1/4。伊俊振[60]采用激光合金化工藝在304不銹鋼表面制備CoCrAlNiBx/304及CoCrAlNiTix/304 2個系列高熵合金化涂層，均表現(xiàn)出良好的抗空蝕性能。其中CoCrAlNiTix/304系高熵合金化層抗空蝕性能最佳，其空蝕后樣品表面粗糙度僅為304不銹鋼基體的1/10。魏崢等[61]采用超音速火焰噴涂方法在06Cr13Ni5Mo不銹鋼表面制備了(AlCoCrFeNi)1-x(WC - 10Co)x高熵合金復(fù)合涂層，研究了涂層空蝕破壞機理，發(fā)現(xiàn)適量WC - 10Co可以阻止涂層中裂紋的擴展，有利于提高涂層在蒸餾水中的抗空蝕性能；但在NaCl溶液中WC - 10Co引起EEC(腐蝕平衡電位)變化，反而加速腐蝕破壞導(dǎo)致空蝕性能下降。高熵合金作為戰(zhàn)略新興材料，水電領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但由于成本和技術(shù)水平限制，成熟度有待進一步提高。

2.6 其他合金

水電行業(yè)中，以鋁、銅和鈦等為代表的有色金屬部件也有廣泛的應(yīng)用，例如水電站管路系統(tǒng)、泵體和槳葉等，同樣存在抗空蝕防護需求。目前銅基空蝕防護涂層的研究多以銅基多元合金系和銅基自熔合金系為主。顧曉波等[62]采用熱噴涂技術(shù)制備了5種銅基多元合金涂層，并研究了涂層空蝕破壞機理和應(yīng)用可行性，發(fā)現(xiàn)超音速火焰噴涂CuNi04涂層耐空蝕性能接近2310合金，適合空蝕環(huán)境使用?？颠M興等[63]利用氧乙炔焰噴焊技術(shù)制備的CuNiSiB/30%WC復(fù)合覆層相對耐氣蝕性為1.27，具備良好的抗空蝕性能。鈦基空蝕防護涂層的研究多集中在Ti - Al系金屬間化合物合金上。徐垚等[64]采用熱浸鍍法在Ti6A14V合金表面制備TiAl3涂層，相同條件下蒸餾水空蝕累計失重減少50%，3%NaCl溶液中空蝕累計失重減少40%。Ti - Al基合金有高彈性性能及加工硬化能力，可吸收和釋放更多的空蝕沖擊能量，延緩裂紋形成，減小表面損傷，表現(xiàn)出良好的抗空蝕性能[65]。

3 合金涂層材料空蝕測試及評估

水電機械部件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、匹配性要求高等特性，新涂層材料應(yīng)用較為謹慎，開發(fā)過程中包含室內(nèi)快速試驗和現(xiàn)場原型試驗2種測試方式，至少經(jīng)歷4個測試階段：實驗室性能測試、模擬工況測試、真機掛片測試、真機樣件測試。其中，各階段測試試驗和性能評估方法是相關(guān)技術(shù)研究的兩大重點。

3.1 空蝕試驗方法

目前空蝕研究試驗方法主要包括磁致伸縮振蕩空蝕方法、超聲波振動空蝕方法、文丘里管流動空蝕方法、旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕方法、真機掛片/樣件空蝕方法等[66, 67]。

磁致伸縮振蕩空蝕方法利用高頻微幅振蕩引起液體壓力變化原理，導(dǎo)致空化氣泡快速產(chǎn)生、長大和潰滅，對試件產(chǎn)生空蝕破壞。與其類似，超聲波振動空蝕方法利用超聲波壓力脈沖使液體介質(zhì)產(chǎn)生振動，進而局部壓力變化形成空化空蝕。上述2種方法主要參考標準為GB/T 6383-2009“振動空蝕試驗方法”和ASTM G32-2010“Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus”，試驗裝置主要包括隔音裝置、變頻器、變幅桿、恒溫裝置、電源等。該2種方法具有操作簡單、技術(shù)成熟、靈活高效等優(yōu)點，但作用范圍小，適用于實驗室抗空蝕性能測試階段。

文丘里管流動空蝕方法利用文丘里管的喉道前后的截面變化，導(dǎo)致液體流速變化產(chǎn)生負壓，液體流過后形成固定空蝕。旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕方法利用液體介質(zhì)流過高速旋轉(zhuǎn)圓盤上的孔或凸體產(chǎn)生的壓力變化，形成尾流空化，高頻空泡潰滅后對嵌入盤面的樣品進行空蝕。上述2種方法更能預(yù)估原型空蝕的破壞程度，但存在建造和運行成本高、試驗周期長等缺點，適用于模擬工況空蝕測試階段。

真機掛片/樣件空蝕方法即采用掛片和樣件方式，固定在水輪機轉(zhuǎn)輪、尾水管、導(dǎo)葉等位置進行空蝕工況測試，試驗數(shù)據(jù)真實準確，一般在前2個階段(實驗室抗空蝕性能測試階段和模擬工況空蝕測試階段)完成后進行。

另外，除上述幾種空蝕試驗方法，還有高速射流沖擊試驗、水滴沖擊試驗、活塞往復(fù)式空蝕試驗等[2]。

3.2 空蝕評估方法

常用的合金涂層材料空蝕性能評估方法主要包括以下幾種：(1)質(zhì)量法 以空蝕前后質(zhì)量損失比值評估；(2)面積法 以空蝕前后面積損失比值評估；(3)體積法 以空蝕前后體積損失比值評估；(4)深度法 以測算單位面積內(nèi)的空蝕坑平均深度評估；(5)數(shù)量法 以統(tǒng)計單位面積內(nèi)的空蝕坑平均數(shù)量評估；(6)時間法 以失去單位質(zhì)量所需的時間評估等。其中，以質(zhì)量法和體積法在合金涂層材料空蝕性能評估中應(yīng)用最為廣泛。

4 結(jié) 語

空蝕是一種微觀高速、多因素交互影響的復(fù)雜損傷過程。近年來，相關(guān)領(lǐng)域科研人員針對空蝕機理及防治開展了大量研究，其中合金涂層已經(jīng)發(fā)展為龐大的綜合材料防護體系，有效制約了水電機械空蝕破壞。但是抗空蝕合金涂層材料存在的造價昂貴、施工條件要求高、測試評估性差等劣勢不可忽視，要求科研人員在新技術(shù)、新材料、綜合測試評估等方面展開深入思考與研究。

(1)技術(shù)方面 通過低成本元素替代技術(shù)、低耗能制備技術(shù)、增材制造技術(shù)、涂層設(shè)備小型化等手段，實現(xiàn)水電機械在線快速修復(fù)和修復(fù)防護一體化將是抗空蝕涂層技術(shù)研究應(yīng)用重點。

(2)材料方面 抗空蝕涂層復(fù)合化將是未來發(fā)展趨勢，兼具高彈性和高強度特性的復(fù)合涂層材料，可以更有效地抵抗空蝕沖擊，例如高熵合金復(fù)合涂層、梯度合金復(fù)合涂層、非晶合金/聚氨酯彈性體復(fù)合涂層、形狀記憶合金/聚合物陶瓷復(fù)合涂層等。其中如何實現(xiàn)層間高強度復(fù)合將是技術(shù)關(guān)鍵，待進一步探索。

(3)測試評估方面 目前涂層材料的測試周期過長且抗空蝕強度表征方法仍無統(tǒng)一標準，制約了新型涂層材料的快速開發(fā)和應(yīng)用。因此，綜合制定簡要明確、規(guī)范統(tǒng)一的空蝕測試流程和表征標準具有重要意義。