《中國(guó)材料進(jìn)展網(wǎng)》
蘭州化物所在空蝕力/熱耦合損壞機(jī)制研究方面取得進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2023年3月17日
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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(duì)材料壁面造成的空蝕問(wèn)題已成為船艦推進(jìn)器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵以及水輪機(jī)組等過(guò)流部件的“癌癥”，給相關(guān)裝備安全運(yùn)行帶來(lái)重大隱患，因其破壞機(jī)制極為復(fù)雜，目前仍缺少有效解決方案。其中，空泡潰滅釋放的高溫對(duì)材料表面有無(wú)明顯作用至今存在爭(zhēng)議，嚴(yán)重影響了空蝕機(jī)制的準(zhǔn)確揭示及抗空蝕材料的研制。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤(rùn)滑與防護(hù)材料研究發(fā)展中心研究員周惠娣團(tuán)隊(duì)針對(duì)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，剖析了其中機(jī)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(shí)了空化熱對(duì)材料表面有明顯加熱作用且能造成其熔化和氧化的事實(shí)。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(zhì)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。相關(guān)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。
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(guò)程中發(fā)生明顯熱力學(xué)生長(zhǎng)的現(xiàn)象，進(jìn)一步證實(shí)了空泡潰滅產(chǎn)生的高溫作用到此類材料表面的溫度至少在其再結(jié)晶溫度（0.68Tm，Tm為熔點(diǎn)）以上�；诖�，該團(tuán)隊(duì)提出了一種新的抗空蝕材料的設(shè)計(jì)理念，即根據(jù)熱力學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)在載荷沖擊下能夠產(chǎn)生晶粒細(xì)化、位錯(cuò)塞積和形變孿晶等力學(xué)響應(yīng)行為。而在空化熱的作用下，這些結(jié)構(gòu)又可以發(fā)生晶粒生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)弛豫等熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)行為，在實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)可逆回復(fù)的同時(shí)，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(qiáng)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。相關(guān)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上。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)人才項(xiàng)目、甘肅省隴原青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才項(xiàng)目和中科院材料磨損與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年基金等的支持。
2023-03-17 來(lái)源： 蘭州化學(xué)物理研究所