广一水泵厂丨水泵材料的抗空蚀技术研究

 空蚀造成材料的磨损与失效引起了人们的广泛注意，科学研究者一直致力于抗空蚀材料与技术的研制和应用，目前主要通过三条途径提高材料抗空蚀性能。其一是提高流体空化数，减少内部空泡数量。流场的流速和绝对压强、过流边界的形状等影响空化产生与发展。

对过流部件边界如表面体型和表面粗糙度的合理设计主要是提高初生空化数，减少空泡数量，这在水利机械和水工建筑中比较常见，如广一离心泵的叶形要求负荷分布平坦，空化数小，在叶片出口附近产生负压，使得空泡移至叶片后方流体中溃灭，闸门门槽宽深比对流场影响复杂，直接控制内部和下游角隅处涡旋的空化。体型设计成为水力机械等过流部件和建筑过流表面设计的基本考虑要素。

还可以通过掺气减蚀、阴极和超空泡保护等减少空泡溃灭对边壁的破坏。广一水泵厂过对掺气减蚀深入研究后指出：掺气可以提高掺气区压强，影响空泡溃灭压强和水体中的气核分布，增加大尺寸气核数量。1%的掺气量就能显著降低空泡溃灭的冲击压力，达到2%后效果不再继续提升。而采用阴极保护可以抑制腐蚀的进行，减缓腐蚀对空蚀附加影响，而阴极析氢的气垫作用减缓了冲击波与微射流的冲击，对材料表面起到力学保护，减缓空蚀。对海水中的镍铝青铜、球墨铸铁、不锈钢进行阴极保护实验，空蚀率分别下降475，50%和19%，表明阴极保护对不同材料的效果不同。还可以添加缓蚀剂或乳化油降低液体的腐蚀性，改变表面蒸汽压、张力和粘性，减少空蚀损伤。

最后是通过增强边壁材料性能如硬度或弹性，加工硬化性能，抗腐蚀性能等提高抗空蚀性能。随着材料科学的不断完善与进步，人们对抗空蚀材料以及涂层材料进行深入研究。这些材料与涂层大都具备良好耐蚀性能以及较高硬度和强度，水泵选用这些材料与工艺可延长过流部件的使用寿命，提高运行效率。广一离心泵如泵叶轮等过流部件多是采用17-4PH，OCr13Ni5Mo等高强不锈钢以及硅锰低合金钢，海洋工业的螺旋桨、推进器则为铝或镍铝青铜。表面涂层工艺是在材料表面涂覆具有优异综合力学性能的抗空蚀涂层材料，来提高部件的抗空蚀能力，包括激光与等离子表面改性技术、渗氮和堆焊、热喷涂技术等。

1、激光表面改性技术

激光表面改性工艺是高能密度激光辐照金属表面，形成特殊性能的合金层，改变材料组织结构、硬度、均匀性与致密性，提高零件性能，进而决定了抗空蚀性能，主要有激光表面合金化、激光熔覆/熔凝等技术。

2、等离子体表面改性技术

目前广一水泵厂针对材料表面等离子改性工艺提高耐空泡腐蚀性能的研究为阴极电弧离子镀获取高硬耐磨TiN与CrN镀层，等离子体注入金属离子、N或B等元素提高表面硬度。阴极电弧离子镀层空蚀磨损特征为微射流反复冲击作用下软质点破坏，形成凹坑，凹坑处成为疲劳裂纹源，裂纹不断扩展导致边缘剥落，表面局部断裂影响阴极电弧离子镀层抗空蚀性能因素：结合强度。

3、热喷涂技术

热喷涂是将合金材料加热至半熔融或熔融状态，借助高速气体或者焰流使其雾化后喷射到基体表面，沉积为所需功能的涂层。热喷涂技术具有生产效率高、基体热影响小、变形小的特点，使用材料主要有钻基、镍基、铜基、铁基自熔性合金及NiTi合金等。

4、化学镀与电镀

化学镀与电镀工艺与前面提到的几种改性技术相比，无需高温，无热变形的产生，更能保证基材的尺寸与形状的几何精度。

5、表面渗氮处理技术

表面渗氮技术是在材料表面引入与基体结合良好的硬质氮化物涂层。目前对其广一化工泵空蚀研究主要集中于等离子体渗氮、离子渗氮和激光气相渗氮技术。

激光表面处理技术是以激光作为热源，采用非接触的方式进行表面改性，改变金属材料物理性能及化学性质，在表面性能差和价格便宜的基体金属表面制得具有一定功能的涂层或组织，如高硬度、高强度、耐磨损腐蚀和耐高温的表面合金层，改善金属材料表面性能，代替贵重的整体合金，节约了昂贵或稀有金属材料，降低成本。其研究始于20世纪60年代，自发明便存在极大的技术潜力和研究价值。1960年美国科学家梅曼成功研制出第一台激光器，20世纪70年代成功研制大功率激光器，近十年来激光表面处理工艺得到迅速发展和广泛应用，其直接或间接所获得的经济与社会效益更加显著，可缩短产品周期，提高产品质量，降低成本。作为局部改性方法，激光表面处理广泛应用于航空、海洋、军事等制造行业和修复行业，是未来工业极具应用潜力的表面技术之一，技术经济效益明显，其优点也是其他表面改性技术无法比拟的。

1、激光表面工程的发展

水泵材料表面技术是在材料基体表面添加涂层或者改变表层相组成、化学组成、形貌、缺陷分布、微观结构等，提高材料对环境作用的抵御能力或者赋予表面具备某种期望功能特性的工艺工程。由于表面工程在科技发展中的促进作用和重要地位，多项先进表面工程及理论研究列入了国家重大技术创新项目、国家重点科技攻关项目等。例如全军装备维修表面工程研究中心研发的高速电弧喷涂技术被列入国家重大技术创新项目与国家“九五”重点科技攻关项目

激光表面处理技术是统和现代材料科学、物理化学、计算机、机械等技术理论与研究结果的高新技术，形成具有特殊性能的层结构，改善表面力学、化学、物理等性能，满足了不同环境的应用要求。作为当前材料方面重要方向之一，各国对其高度重视并重点发展。激光表面改性工艺被誉为光加工时代一个标志技术，其低消耗污染及高效率效益增长的特点满足了当代材料加工发展标准。

2、激光表面改性的设备以及优点

激光改性设备主要为YAG固体激光器和C02激光器。YAG激光器是以忆铝石榴石单晶为基础材料，掺入稀土离子Nd}+构成掺忆石榴石晶体(Nd}+：YAG)oNd-YAG为其英文简化名称，来自Neodymium-dopedYttriumAluminiumGarnet；Nd：Y}A150120忆铝石榴石晶体为其激活物质，晶体内Nd原子含量为0.6-1.1%，属固体激光，可激发脉冲激光或连续式激光，发射激光为波长1.064林m红外线，是激光波长1/10，波长越短越容易被金属吸收。根据晶体形状可将其分为棒状YAG激光器，在国内外应用最广，其次还有片装及管状YAG激光器。YAG固体激光加工设备具有运行成本低、设备易于维护、操作简单等特点。YAG激光器工作方式为“小斑点快速扫描”。二氧化碳激光器是以C02气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以C02气体和其他辅助气体(主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氮气)；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化稼磨制的部分反射镜。COZ激光器是一种比较重要的气体激光器。这是因为它具有一些比较突出的优点，如比较大的功率和比较高的能量转换效率，它是利用COZ分子的振动一转动能级间的跃迁，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出，它的输出波段正好是大气窗口(即大气对这个波长的透明度较高)。

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