劉 剛， 江 雄， 郎 梼， 楊濟鋮， 田 斌， 李 勇， 劉福廣， 孫 睿

(1.西安熱工研究院有限公司， 陜西 西安 710054；2.四川華能康定水電有限責(zé)任公司， 四川 成都 610041；3.四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司， 四川 雅安 625099)

0 前 言

多泥沙河流上的水輪機長期受到高含沙水流的沖擊，形成沖蝕、空蝕破壞以及二者的協(xié)同破壞作用，導(dǎo)致過流部件母材的損失和破壞；并且隨著鋼材基體的暴露，電化學(xué)腐蝕也隨之發(fā)生。 當(dāng)基材損傷擴展到一定程度后，過流部件就可能發(fā)生斷裂，從而造成難以估計的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。 近年來，隨著水電站投運時間的不斷增加，很多電站現(xiàn)場的各類金屬部件都出現(xiàn)了不同程度的損傷，對上述過流部件進行及時有效的耐腐蝕防護已迫在眉睫。

引入涂層保護是提高水輪機過流部件抗沖蝕和抗空蝕能力的主要策略。 近年來，學(xué)界和工程界進行了多年的研究和探索，形成了2 種涂層保護策略:高強度涂層和高韌性涂層。 高強度涂層策略是通過堆焊耐磨、耐腐蝕材料，或者超音速火焰噴涂WC-CoCr 硬質(zhì)合金涂層[1－4]，以提高材料表面的耐沖蝕和耐空蝕能力；而高韌性涂層策略是涂敷具有一定彈性和韌性的聚合物，通過高分子聚合物鏈的彈性存儲空蝕能力，并通過其韌性耗散沖擊和空蝕能量，從而化解沖蝕、空蝕對材料表面的損傷。 其中，相較于堆焊和超音速火焰噴涂高強度涂層，聚合物涂層具有較低的成本以及更高的生產(chǎn)效率，近年來受到了廣泛關(guān)注[5，6]。 然而，聚合物涂層耐磨性較差、強度低，因此在高含沙量水系損耗較快，需要通過進一步探索來逐步解決。 基于此，本文對近年來韌性涂層在水輪機的抗沖蝕、抗空蝕方面的研究進行了綜述，期望能推動聚合物涂層在水輪機過流部件防護中的應(yīng)用。

1 水輪機過流部件的損傷機制

1.1 空蝕損傷

空蝕現(xiàn)象(Cavitation)指在流動的液體中，由于液體內(nèi)部壓力不均，在壓力較低地方產(chǎn)生的氣泡遷移至壓力較高區(qū)域，在一定條件下產(chǎn)生瞬時高壓沖擊對材料造成損傷的現(xiàn)象[7，8]。 Plesset 等推測氣泡破滅時可對材料形成3 400～8 846 個大氣壓的沖擊[9]，在過流部件表面，尤其是葉片的背面留下大量空蝕坑[10，11]，同時造成金屬材料的表面疲勞，嚴(yán)重降低材料的服役年限，威脅水輪機組的運行安全[12]。

空蝕對材料的損傷機理目前尚無統(tǒng)一的理論，國內(nèi)外主流觀點一般認(rèn)為氣泡坍塌時產(chǎn)生的高壓沖擊是形成材料損傷的主要原因。 高壓沖擊的形成原理由氣泡坍塌的方式?jīng)Q定，而氣泡坍塌主要有2 種方式:對稱坍塌與非對稱坍塌。

對稱坍塌是指氣泡在坍塌時仍保持近似球形，一般在驅(qū)動坍塌的壓力梯度不大或氣泡遠(yuǎn)離固體邊界時發(fā)生[13，14]。 對稱坍塌發(fā)生時，氣泡內(nèi)部由于外壓的壓縮，逐漸形成高壓和高溫并阻止了氣泡的進一步壓縮。該壓縮和反壓縮相互作用導(dǎo)致氣泡潰滅時產(chǎn)生由內(nèi)而外的瞬態(tài)壓力釋放，并進一步演變成沖擊波作用于材料表面。

非對稱坍塌一般在靠近固體邊界，或相鄰氣泡發(fā)生潰滅時發(fā)生。 此時，來自鄰近氣泡坍塌形成的局部高壓或沖擊波使氣泡壁嚴(yán)重變形進而潰滅，形成高速微射流[13，14]。 微射流的沖擊會產(chǎn)生水錘效應(yīng)或?qū)Σ牧系膰娚鋲毫?；其中，水錘壓力的相對大小受到各種因素的影響，包括坍塌壓差和與材料之間的距離。

綜上所述，無論是氣泡的對稱坍塌或是非對稱坍塌，空蝕破壞的主要特征都是在極小的空間維度(幾微米到數(shù)百微米)和時間尺度(微秒量級)內(nèi)形成的高壓和高溫作用。 在實際水下設(shè)備場景中，產(chǎn)生的沖擊波或微射流主要是由氣泡簇的坍塌產(chǎn)生的，即氣泡簇外圍的氣泡首先坍塌，由此產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致氣泡協(xié)同向中心坍塌[15]，對材料表面進行高頻重復(fù)沖擊。 除了在材料表面形成空蝕坑外，如果沖擊波/微射流產(chǎn)生的應(yīng)力高于材料屈服極限，可能導(dǎo)致材料永久變形；即使沖擊應(yīng)力小于材料的屈服極限，也可能通過長期作用對材料造成疲勞破壞。

1.2 泥沙沖蝕磨損

沖蝕(Slurry erosion)，也稱為侵蝕或磨蝕，是指含沙水流對材料表面進行的高速沖擊作用。 水流內(nèi)高速運動的泥沙等硬質(zhì)顆粒會以一定的角度沖向過流部件表面，使材料受到切削、磨蝕等作用，在表面留下大量刮痕、擦傷，隨后逐漸發(fā)展為溝槽、波紋和魚鱗坑等特征的破壞形貌[10，16]。

沖蝕對材料的破壞作用不僅受到泥沙粒徑、形貌以及水流流速的影響，同時也與沖蝕角度有很大關(guān)系。泥沙對材料表面的沖蝕作用力可分解為平行于磨損表面的切削力及垂直于磨面的沖擊力。 切削力對材料表面的作用以碾壓和切削為主，主要對材料表面顆粒突出部分進行沖擊并導(dǎo)致其脫落；而垂直方向的沖擊力作用則導(dǎo)致材料以裂紋擴展和脆性斷裂為主。

除空蝕和泥沙沖蝕磨損外，金屬部件還受到其他各類電化學(xué)、化學(xué)腐蝕，在實際工況下各類腐蝕機理相互交叉耦合，形成了錯綜復(fù)雜的腐蝕機理[17]。 另外，高速水流在蝸殼和尾水室中的流動行為較為復(fù)雜，并且過流部件和葉片等水下設(shè)備的結(jié)構(gòu)各異，有尖銳、平滑等不同類型的表面，導(dǎo)致了不同區(qū)域的材料破壞機制都有很大的不同，然而目前各部分的損傷機理并不清晰，無法因地制宜地設(shè)計涂層材料。 由此可見，在實際應(yīng)用中涂層的精確設(shè)計還需以水下設(shè)備實際腐蝕機理研究為前提。 目前，文獻(xiàn)報道大多只針對某1 種或2種破壞形式進行材料設(shè)計，本文只探討針對空蝕和沖蝕的聚合物涂層的研究工作。

2 聚合物涂層的抗空蝕和抗沖蝕

高分子材料具有較好的黏彈性，即兼具彈性性質(zhì)和黏性性質(zhì)。 在外力作用下，高分子彈性性質(zhì)決定材料可以產(chǎn)生彈性變形，而黏性性質(zhì)則決定材料內(nèi)部可以發(fā)生高分子鏈之間的摩擦、振動、彎曲、滑移，將能量轉(zhuǎn)化成熱能。 當(dāng)應(yīng)力被移除后，一部分功通過材料的彈性回復(fù)釋放，另一部分功則被用于摩擦效應(yīng)而被轉(zhuǎn)化成熱能向環(huán)境耗散。 以上2 種過程一般同時存在于高分子涂層中，極大地耗散了空蝕產(chǎn)生的能量。

從制備角度看，高分子涂層可以通過滾涂、刷涂、噴涂等簡單方法進行制備，具有低成本、高效率的特點。 因此，近年來以環(huán)氧樹脂、聚氨脂彈性體等為代表的高分子涂層被廣泛應(yīng)用于水輪機過流部件的抗空蝕涂層[5，6，18－21]。

2.1 環(huán)氧樹脂涂層

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的黏結(jié)性、低固化收縮率、良好的力學(xué)性能以及較好的成膜性，被廣泛用作水下防護涂料[19，22－24]，如表1 所 示[25－30]。 從力學(xué)狀態(tài)角度 而言，環(huán)氧樹脂在室溫條件下一般處于玻璃態(tài)，具有較高的拉伸和壓縮強度，但是其韌性較差。 在面對空蝕和沖蝕破壞時，材料形變小、儲能量低，相應(yīng)地材料的破壞方式以脆性破壞為主。 基于此，目前對抗空蝕環(huán)氧樹脂涂層的研究主要集中于增韌改性[31，32]。

表1 環(huán)氧樹脂涂層性能對比Table 1 Brief summary of epoxy-based coating

液體橡膠可以通過與環(huán)氧樹脂混合，在固化后與主體環(huán)氧樹脂相產(chǎn)生微觀相分離，并析出橡膠微粒形成海島結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高環(huán)氧樹脂韌性的目的[33]。胡少坤等[27]以端羥基聚丁二烯液體橡膠(HTPB)改性環(huán)氧樹脂，并制備了雙層水輪機葉片涂層，其中底涂層為HTPB/環(huán)氧樹脂(質(zhì)量比1 ∶5)復(fù)配的復(fù)合材料，面涂層為HTPB 改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料加入300%陶瓷微珠制成。 在水輪機葉片上涂敷后，經(jīng)過1 個檢修周期(6 個月)的運行，該涂層無脫層現(xiàn)象，且表面基本無磨痕。

聚氨酯由于具有較好的韌性，也常用于環(huán)氧樹脂的增韌改性。 鄧小亮等[26]將聚丙二醇先后與二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)和縮水甘油反應(yīng)制備了端環(huán)氧官能團的聚氨酯(ETPU)，并用來改性環(huán)氧樹脂涂層。 研究發(fā)現(xiàn)，少量ETPU 的加入能顯著提高環(huán)氧樹脂的抗沖蝕性能；然而當(dāng)ETPU 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于35%時，作為分散相的ETPU 微粒尺寸變大，分散相與環(huán)氧基體的界面處易大塊松動從而導(dǎo)致整體剝落，反而導(dǎo)致抗空蝕效果變差[25]。 因此，對于增韌材料使用量需要進行適當(dāng)控制。

由上述研究可以看出，環(huán)氧樹脂從結(jié)構(gòu)上看具有較大的脆性，需要通過橡膠、彈性體等對其進行增韌改性以提高其抗沖擊性能[32]。 因此環(huán)氧樹脂基本不單獨用于抗空蝕涂層。

2.2 聚氨酯彈性體涂層

聚氨酯(PU)彈性體是一種通過氨基甲酸酯基團連接的合成高分子材料，一般由聚酯、聚醚或聚烯烴等多元醇、多異氰酸酯以及二元醇或二元胺擴鏈劑通過逐步加成聚合制備[34，35]。 材料內(nèi)部包括硬段(主要來自多異氰酸酯)形成的交聯(lián)點和軟段(主要來自多元醇)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此PU 具有極好的彈性和韌性，在面對高頻率、高應(yīng)力幅空蝕破壞時，可以通過形變吸收大量的能量，從而避免材料的脆性破壞；同時，聚氨酯材料也具有極好的耐疲勞性，可以在空蝕腐蝕下長期服役，因此是一類極具潛力的抗空蝕涂層材料[10，36－41]，如表2 所示[12，42－45]。 Qiao 等[46]研究發(fā)現(xiàn)，在受到空蝕作用時，聚氨酯彈性體涂層在前期可以通過吸收沖擊而保持涂層不受到損傷(如圖1a，1b 所示)；然而在空蝕產(chǎn)生的微射流長期反復(fù)作用下，PU 開始疲勞屈服(圖1b)并引發(fā)聚合物鏈的斷裂和宏觀損壞(圖1c， 1d)。

圖1 PU 抗空蝕機理示意[46]Fig.1 Schematic showing the anti-cavitation mechanism of PU[46]

表2 聚氨酯涂層性能對比Table 2 Brief summary of polyurethane-based coating

國內(nèi)外多個團隊對多種聚氨酯的抗空蝕性能進行了研究。 陶業(yè)立[43]、代青華[44]以聚醚多元醇為主要原料，制備了系列耐水解聚氨酯抗空蝕涂層。 將該材料涂覆于鋼材表面，在200 h 空蝕后，表面仍未出現(xiàn)肉眼可見破壞[42]。 但是，聚氨酯涂層與基底結(jié)合強度一般較低，多數(shù)已報道結(jié)合強度都低于12 MPa[43，44]。 在高水頭環(huán)境下，涂層與碳鋼邊緣處易發(fā)生脫粘，可進一步引起有機涂層大塊剝落。 為了提高聚氨酯與基體之間的結(jié)合，Qiao 等[46]設(shè)計并制備了聚氨酯/環(huán)氧樹脂雙層涂層，通過環(huán)氧樹脂與基材以及環(huán)氧樹脂與聚氨酯之間較強相互作用，較好地增強了涂層與基材的結(jié)合，同時獲得了優(yōu)異的抗空蝕能力。 然而，聚氨酯與環(huán)氧樹脂之間的結(jié)合力仍然較低。

考慮到涂層長期在水下服役，PU 的疏水性和耐水解性也是需要考慮的因素。 在聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入含氟鏈段可以同步提高涂層的疏水性、力學(xué)性能和抗空蝕能力。 張瑞珠等[12，47]采用全氟辛基乙基醇(TEOH-8)對MDI 進行修飾，制備了無親水性基團的含氟聚氨酯(FPU)。 通過耐水性試驗和掃描電子顯微鏡(SEM)表征發(fā)現(xiàn)，在磨損顆粒、微射流和沖擊波的反復(fù)作用力下，表層聚合物受到破壞，部分柔性鏈節(jié)與基體分離，在涂層表面形成犁溝、孔洞等損傷(圖2)；而玻璃態(tài)的硬段則停留在涂層表面，阻止破壞向涂層更深處擴展。硬段部分由于引入了強極性氟基團，增加了分子間的內(nèi)聚能，具有較高的彈性模量和抗張強度，其粘接力最高12.6 MPa[12]，這保證了涂層較好的抗磨損性能。Yang 等[38]在PU 中同時引入了氟代基團和聚硅氧烷嵌段，通過微相分離形成了復(fù)合PU 涂層。 通過SEM、AFM 等表征發(fā)現(xiàn)，涂層形成了具有一定粗糙度的超疏水表面，這一方面形成對生物大分子優(yōu)異的防污能力，另一方面涂層表面可以通過彈性形變和塑性形變吸收并反彈空蝕能量，獲得優(yōu)異的耐空蝕能力。

圖2 磨損前后含氟聚氨酯的表面形貌[47]Fig.2 Surface morphology of FPU before and after wearing[47]

考慮到含氟材料一般成本較高，含硅PU 也常作為疏水涂層應(yīng)用于水下抗空蝕。 Qiao 等[46]以端羥基聚硅氧烷(PDMS)和端羥基聚四氫呋喃(PTMG)作為柔性段，制備了系列含硅聚氨酯(Si-PU)。 研究發(fā)現(xiàn)，隨著PDMS 含量的增加，涂層抗空蝕能力逐漸提高，但是涂層與基底之間的結(jié)合力逐漸變?nèi)鮗43]。

通過上述研究可以看出，聚氨酯彈性體具有較好的韌性，可以對空蝕損傷進行有效防護；然而聚氨酯的硬度以及與基體之間的結(jié)合強度一般較低，因此可以推論其抗磨蝕性能較差。

3 聚合物/硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層

聚合物涂層雖然可以有效耗散空蝕能量，但是在水輪機的實際應(yīng)用中，泥沙對過流部件的沖蝕也是不可避免的，尤其是在高含沙的水系電站中。 抗沖蝕性能與材料強度和硬度密切相關(guān)；而純聚合物材料由于其天然較低的硬度，耐磨性一般較差。 從表2 列舉的部分聚合物涂層與基體之間的粘接強度可以看出，聚氨酯涂層的拉伸強度一般在12 MPa 以下，邵氏A 硬度一般低于90[43，44]，因此可以預(yù)計其抗摩擦磨蝕性能較差。 另外，針對聚氨酯涂層在三門峽水電站的實際使用情況，人們還發(fā)現(xiàn)該類涂層雖然具有較好的防護效果，但是其抗硬物沖擊和劃傷的能力較差，一旦局部被劃傷，會造成大面積脫落[48]；并且局部劃傷也會導(dǎo)致水向基材滲透，誘導(dǎo)鋼材表面生銹，最終導(dǎo)致漆膜整體剝落失效。

針對泥沙沖蝕，可在聚合物涂層中加入高硬度陶瓷顆粒，如二氧化硅(SiO2)、金剛砂(SiC)、氧化鋁(Al2O3)等微納米顆粒，形成聚合物/硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層。 該類復(fù)合涂層一方面由于具備聚合物的柔韌性可以耗散空蝕和泥沙沖擊的能量，另一方面硬質(zhì)陶瓷顆?？梢蕴岣咄繉硬牧系挠捕葟亩钟嗌车臎_蝕[25]，因此可實現(xiàn)剛?cè)岵姆雷o策略[49]。 另外，陶瓷顆粒的加入還可以提高涂層的強度，這是由于在復(fù)合涂層受到外力時，陶瓷顆粒之間的樹脂基體可以產(chǎn)生塑性變形，吸收大量能量；同時陶瓷顆粒的存在也會阻礙宏觀裂紋的擴展[25，50，51]。

3.1 環(huán)氧樹脂/陶瓷顆粒復(fù)合涂層

基于環(huán)氧樹脂的抗沖蝕、抗空蝕涂層主要是環(huán)氧金剛砂。 該復(fù)合涂層以環(huán)氧樹脂和金剛砂(SiC)為主要原料，兼具環(huán)氧樹脂的耐空蝕能力和金剛砂的抗磨蝕性，并且成本低廉、使用方便。 目前在三門峽、青銅峽等水電站的低空蝕區(qū)域，環(huán)氧金剛砂涂層取得了明顯的防護效果；然而，在強空蝕區(qū)域，該涂層在短時間運行后基本脫落[48]。 為了提高環(huán)氧樹脂/陶瓷顆粒體系的抗空蝕能力，崔永等[30]、刑志國等[52]以PU 為增韌劑對環(huán)氧樹脂/SiC 顆粒涂層進行改性，結(jié)果表明加入適量的PU 不但可以提高涂層整體韌性，還可有效改善環(huán)氧樹脂的粘接性能。 當(dāng)PU 加入量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，改性環(huán)氧樹脂拉伸強度最高，達(dá)到37.28 MPa；然而該樹脂與碳鋼之間的界面粘接性能未見報道[29]。 對涂層的耐沖蝕性能進行測試發(fā)現(xiàn)，在大角度(90°)沖蝕時，PU 加入量30%～35%的復(fù)合涂層耐沖蝕性能最好；而小角度(30°)沖蝕時，PU 加入量5%～15%的復(fù)合涂層耐沖蝕性能最好。 上述耐沖蝕性能對沖蝕角度的依賴性主要源于耐沖蝕性能是由材料性質(zhì)和粘接強度共同決定的。 根據(jù)力學(xué)性能測試，隨著PU含量的逐漸增加，復(fù)合材料的韌性逐漸增加，而粘接性能呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，并且在PU 含量20%～25%之間達(dá)到最高。 小角度沖蝕對材料的破壞以切削為主，當(dāng)PU 含量為5%～15%時材料本身強度和粘接強度都較高，因此協(xié)同實現(xiàn)最佳耐沖蝕性能；而大角度沖蝕對材料的破壞以裂紋擴展和交叉產(chǎn)生脆性斷裂為主，當(dāng)PU 含量為30%～35%時材料本身韌性和粘接強度都較高，因此協(xié)同實現(xiàn)了最佳的耐沖蝕性能。

環(huán)氧樹脂和氧化鋁復(fù)合涂層也具有很好的防護性能。 Xia 等[28]以環(huán)氧樹脂為基體，微米級氧化鋁顆粒為填料，在Q235-A 鋼板上制備了聚合物/陶瓷顆粒復(fù)合涂層，極大地提高了材料的耐磨性。 通過參數(shù)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化鋁陶瓷顆粒為近球形，粒徑為58～75 μm，體積分?jǐn)?shù)為23.4%時，涂層耐磨性最優(yōu)，約為基板的3 倍。另外，通過在體系中加入硅烷偶聯(lián)劑可以將涂層與基體之間的結(jié)合力從10.70 MPa 提高到最高17.14 MPa，這是由于硅烷偶聯(lián)劑可以通過化學(xué)鍵將環(huán)氧樹脂與陶瓷顆粒粘接，提高了二者之間的結(jié)合。 李興會等[53]探討了氧化鋁顆粒的粒徑對復(fù)合涂層性能的影響，在環(huán)氧樹脂中分別添加了粒度為420，250，180，150，125，88，63，45 μm 的棕剛玉，發(fā)現(xiàn)較大的顆粒(250 μm)可以抵抗較小的磨粒(75 μm)沖蝕(沖蝕速度4.4 m/s)。 上述研究也為陶瓷粒徑和添加量的選擇提供了參考。

其他硬質(zhì)顆粒，如二氧化鈦(TiO2)[54]、黏土[55]、石墨[56]等也經(jīng)常用于環(huán)氧樹脂涂層的改性。 如Correa等[54]將微米級TiO2以及硅酸鎂顆粒作為填料與環(huán)氧樹脂混合，形成復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)其耐空蝕能力隨陶瓷顆粒的加入而提高；研究還發(fā)現(xiàn)部分復(fù)合涂層中有大量微孔生成，這些微孔的存在為裂紋的生成和擴展提供了便利(圖3)。

圖3 環(huán)氧樹脂/TiO2復(fù)合涂層的光學(xué)照片顯示了氣孔的存在及裂紋成核[54]Fig.3 Optical photograph of epoxy/TiO2 coating showing the presence of pores and crack nucleation[54]

綜上可以看出，環(huán)氧樹脂/陶瓷顆粒復(fù)合涂層具有較好的抗磨蝕性能和較高的界面結(jié)合力(見表1)，在抗沖蝕防護方面具有較大的優(yōu)勢；然而，由于環(huán)氧樹脂本身的韌性不足，其抗空蝕能力仍有不足。 在實際應(yīng)用中，對于低空蝕區(qū)域可以取得明顯的防護效果，但是在強空蝕區(qū)域，該涂層在短時間運行后基本脫落[48]。

3.2 聚氨酯/陶瓷顆粒復(fù)合涂層

聚氨酯本身具有特殊的軟硬段結(jié)合的彈性體結(jié)構(gòu)，因此是一類耐磨高分子材料，然而在含沙水流長期高強度沖刷下，其耐磨性仍顯不足。 在加入硬質(zhì)陶瓷顆粒后，聚氨酯本身的硬段和陶瓷顆?？梢蕴岣唧w系較好的耐磨性能，而聚氨酯的軟段仍可以耗散空蝕能量，二者協(xié)同有望實現(xiàn)良好的抗磨蝕和抗空蝕性能[57](如圖4 所示)。

圖4 聚氨酯/陶瓷復(fù)合涂層抗沖蝕、空蝕機理示意[57]Fig.4 Schematic showing anti-wear and anti-cavitation mechanism of polyurethane/ceramic coating[57]

陳寶書等[58]在PU 中加入硅烷偶聯(lián)劑改性的微米SiO2顆粒，進一步采用超聲波分散實現(xiàn)微米顆粒SiO2在PU 基體中良好的分散性，并制備了PU/SiO2復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)微米SiO2的加入可以顯著提高材料的力學(xué)性能，并且當(dāng)微米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，復(fù)合涂層的抗沖蝕、抗磨損性能最佳。

納米尺度的黏土顆粒由于具有良好的納米尺度效應(yīng)，常用于增強增韌高分子材料。 王偉等[59]以不同添加量的納米黏土，如蒙脫土、硅藻土、云母等改性了聚氨酯彈性體。 在實驗室空蝕測試設(shè)備中對復(fù)合涂層空蝕20 h 后，發(fā)現(xiàn)摻雜5%蒙脫土可以在提高聚氨酯力學(xué)性能的同時，仍然保持了涂層良好的抗空蝕能力[60]。

Zhang 等[61]以納米和微米氧化鋁顆粒改性了FPU制備了FPU/氧化鋁復(fù)合涂層。 接觸角測試發(fā)現(xiàn)陶瓷顆粒的加入可以顯著提高FPU 的疏水性和耐水性，有效阻止了水分子向涂層深處滲透，因此涂層的有效工作時間更長；以石英砂漿為介質(zhì)進行的沖蝕試驗表征發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PU/氧化鋁復(fù)合涂層的沖蝕磨損量隨著氧化鋁含量的增加而降低，說明氧化鋁的添加可以同步增強涂層的抗空蝕和抗磨蝕性能。 作者認(rèn)為涂層含有的大量氫鍵相互作用和軟段分子鏈協(xié)同運動，可以緩沖高速運動顆粒和氣泡破滅時對涂層產(chǎn)生的巨大沖擊力；同時硬段分子鏈與硬質(zhì)氧化鋁顆粒可以共同抵抗磨損作用，提高復(fù)合涂層抗磨蝕性。

目前針對聚氨酯涂層的研究主要基于抗空蝕應(yīng)用。 雖然聚氨酯/陶瓷復(fù)合涂層有望實現(xiàn)同時抗空蝕和抗泥沙沖蝕防護，但是相關(guān)研究仍較少。 針對目前研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，聚氨酯/陶瓷顆粒復(fù)合涂層面臨的最大問題是其較低的強度以及界面結(jié)合力(如表2)，未來需要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進一步提高涂層的強度以保證其抗沖蝕性能。

綜上所述，向聚合物(環(huán)氧樹脂、聚氨酯)中添加陶瓷顆?？梢燥@著提高涂層的耐沖蝕性能，是未來耐沖蝕防護的重要發(fā)展方向。 然而文獻(xiàn)中關(guān)于陶瓷尺寸、形貌、添加量等對材料性能的影響趨勢及機理仍關(guān)注較少。 為進一步拓展聚合物基防護涂層的應(yīng)用，對聚合物/陶瓷復(fù)合材料的耐空蝕和耐磨損行為研究亟待加強。

4 結(jié)論及展望

水輪機的各類過流部件是水力發(fā)電機組的核心部件，其長期安全、穩(wěn)定運行對于水電站安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益的提高都具有重要意義。 近年來針對水輪機過流部件抗沖蝕、抗空蝕高分子涂層研究取得了較大的進展:針對空蝕損壞的防護，具有一定柔韌性的高分子材料，尤其是聚氨酯彈性體和增韌環(huán)氧樹脂展現(xiàn)了較好的防護效果；而對于沖蝕破壞為主，同時含有空蝕損傷的過流部件表面的防護，可以通過彈性高分子/硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層實現(xiàn)較好的防護效果。

聚合物涂層對過流部件的防護研究雖然取得了一些進展，也存在一些如下有待解決的問題:

(1)以環(huán)氧樹脂、聚氨酯為代表的聚合物涂層具有抗空蝕性能好、成本低、工藝簡單等優(yōu)點，但同時存在結(jié)合強度低、硬度低等不足。 未來需要通過聚合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化、物理化學(xué)改性等方法大幅度提高涂層與基材之間的結(jié)合強度；

(2)針對過流部件在實際運行過程中可能遇到的用于高水頭機組強空蝕和強沖蝕協(xié)同損壞的情況，目前尚無較好的解決方案。 為了應(yīng)對此類應(yīng)用，對于聚氨酯/陶瓷顆粒涂層而言，目前需要大幅度提高其界面結(jié)合強度；而對于環(huán)氧樹脂/陶瓷顆粒涂層而言，目前需要大幅度提高其抗空蝕能力；

(3)鑒于環(huán)氧樹脂較差的耐水解能力，其水下長期使用過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍需要進一步探討，然而目前很少有關(guān)于該方面的研究；

(4)關(guān)于涂層的抗空蝕和抗沖蝕性能表征，目前文獻(xiàn)中所用方法和結(jié)果展示各異，無法進行對比。 因此，未來有必要加強相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立和推廣。