科研進展
蘭州化物所空蝕力/熱耦合損壞機制研究獲新進展
空泡潰滅釋放的高速高壓微射流、沖擊波和高溫等多重物理作用對材料壁面造成的空蝕問題已成為船艦推進器、航空發(fā)動機燃油泵以及水輪機組等過流部件的“癌癥”，給相關裝備安全運行帶來重大隱患，因其破壞機制極為復雜，目前仍缺少有效解決方案。其中，空泡潰滅釋放的高溫對材料表面有無明顯作用至今存在爭議，嚴重影響了空蝕機制的準確揭示及抗空蝕材料的研制。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所先進潤滑與防護材料研究發(fā)展中心周惠娣研究員課題組針對鎳鋁青銅（NAB）在海水腐蝕環(huán)境下的空蝕損壞程度較其在淡水中輕的異?，F(xiàn)象，剖析了其相關機理。
研究人員發(fā)現(xiàn)在淡水中空蝕后的NAB表面存在大量熔蝕坑，且生成了以氧化銅（CuO）和氧化亞銅（Cu2O）為主的氧化物顆粒，證實了空化熱對材料表面有明顯加熱作用且能造成其熔化和氧化的事實。然而，在海水中，空化熱與腐蝕因子耦合卻誘使NAB表面快速形成一層致密均勻的氧化膜，該膜可有效阻隔空化熱的熔化、介質的選擇性腐蝕及載荷的沖擊破壞，最終使其空蝕程度反而變輕。
該研究工作以“Why does seawater corrosion significantly inhibit the cavitation erosion damage of nickel-aluminum bronze?” 為題發(fā)表在Corrosion Science上(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X22006187?via%3Dihub)。蘭州化物所馬俊凱助理工程師為論文第一作者，蘭州化物所侯國梁副研究員、西北師范大學段文山教授為通訊作者。
圖1 NAB在不同介質中的空蝕性能及機理
除熔化和氧化外，研究人員還在高熵合金涂層表面首次觀察到了晶粒在空蝕過程中發(fā)生明顯熱力學生長的現(xiàn)象，進一步證實了空泡潰滅產生的高溫作用到此類材料表面的溫度至少在其再結晶溫度（0.68Tm，Tm為熔點）以上。基于此，該團隊提出了一種新的抗空蝕材料的設計理念，即根據(jù)熱力學和拓撲學計算結果研制出一種成分為Al10Cr28Co28Ni34的單一FCC相高熵合金涂層，賦予其較高的加工硬化能力（0.80），使其表層結構在載荷沖擊下能夠產生晶粒細化、位錯塞積和形變孿晶等力學響應行為。而在空化熱的作用下，這些結構又可以發(fā)生晶粒生長和結構弛豫等熱力學和動力學響應行為，在實現(xiàn)組織結構可逆回復的同時，促使兩種能量在一定程度上相互抵消，以致該涂層的空蝕損失速率僅為經(jīng)典高強AlCrCoFeNi雙相高熵合金涂層的一半，展現(xiàn)出了較優(yōu)異的耐空蝕能力。
該研究工作以“Design of High-Entropy Alloy Coating for Cavitation Erosion Resistance by Different Energy-Induced Dynamic Cyclic Behaviors”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c19210）上。蘭州化物所碩士生曹昊博為論文第一作者，侯國梁副研究員、安宇龍研究員為通訊作者。
圖2 Al10Cr28Co28Ni34涂層的空蝕性能和力/熱耦合空蝕機理
以上工作得到了國家自然科學基金面上項目、中科院青年創(chuàng)新促進會人才項目、甘肅省隴原青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才項目和中科院材料磨損與防護重點實驗室青年基金等的支持。
