抗空泡腐蚀涂层的研究进展

黄加强，代青华，汪　洋，3，刘兰轩，3，刘秀生，3（.海军驻武汉七一九所军事代表室，湖北武汉 43005；.武汉材料保护研究所，湖北武汉 430030；3.特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室，湖北武汉 430030）

抗空泡腐蚀涂层的研究进展

黄加强1，代青华2，汪洋2，3，刘兰轩2，3，刘秀生2，3
（1.海军驻武汉七一九所军事代表室，湖北武汉 430205；2.武汉材料保护研究所，湖北武汉 430030；3.特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室，湖北武汉 430030）

概述了空泡腐蚀的机理及其影响因素。介绍了抗空蚀金属涂层的制备技术。重点综述了聚氨酯弹性体和聚脲弹性体抗空蚀有机涂层的研究进展，并与抗空蚀金属涂层的防护性能进行了对比。探讨了抗空蚀涂层技术的发展方向。

空泡腐蚀；抗空蚀金属涂层；抗空蚀有机涂层；研究进展

0　引言

空泡腐蚀是水工建筑和水力机械使用过程中普遍存在的一种破坏形式，是属于磨损腐蚀的一种特殊形式。它的产生原因是多相流在高速运动条件下，液体内部压力分布不均，导致液体内部产生气泡和气泡溃灭，气泡溃灭时会形成高速、高压的微射流，微射流连续不断地冲击材料表面，就会导致材料表面发生严重破坏［1］。

解决水力过流部件的空泡腐蚀可从以下两方面入手：一是开发抗空蚀综合性能更优异的新材料；二是利用先进的表面工程技术对过流部件表面提供防护。由于新材料的研发与制造成本非常昂贵，仅适用于大型部件和主要部件，在实际使用时，人们更倾向于从材料表面着手，既可节约贵重材料，又可对易发生空蚀破坏的部位进行具有针对性的高效防护［2］。

1　抗空蚀金属涂层制备技术

近年来，国内外学者对抗空蚀涂层进行了深入研究，根据涂层材料的不同可以分为金属涂层和有机涂层。其中金属涂层的研究主要集中在利用现代表面改性技术，如激光表面改性技术、热喷涂技术、微弧火花沉积、堆焊和渗氮等方法，在工件基体材料表面制备抗空蚀性能优异的防护层，以满足工件在空蚀环境下的使用需求。

1.1激光表面改性技术

激光表面改性技术是基于激光的高能热辐射作用，主要通过激光熔覆、激光熔凝、激光表面合金化等技术对金属基材进行表面处理，制备不同的抗空蚀层。

王维夫等［3］采用激光固溶+时效工艺对17-4PH不锈钢表面进行处理。试验结果表明：在优化工艺参数（功率2.1 kW，扫描速率50 mm/min，460℃，时效3 h）下，可获得最大厚度约4 mm的强化层。强化层性能呈梯度分布特征，最高维氏硬度（HV）可达约510 HV，比传统的整体高温固溶-时效处理高50～60 HV以上；蒸馏水中的空泡腐蚀性能表明：4.5 h累积损失量仅约为基体的40%。分析认为，硬度的提高和抗空泡腐蚀性能的改善主要与ε-Cu相等析出相的弥散强化有关，激光处理的高冷却速度有利于获得更多的位错等微观缺陷，因此相对于传统热处理更有利于ε-Cu相等的析出强化。王国刚等［4］利用等离子熔覆技术制备了镍基涂层，采用SEM（扫描电镜）、X射线衍射、显微硬度、失重分析法对空蚀前后的涂层进行对比研究，并在旋转圆盘空蚀试验机上进行了空蚀试验。SEM结果表明：等离子熔覆涂层与基体结合为冶金结合，内部组织致密，缺陷少。镍基熔覆涂层呈现出良好的抗空蚀性能，其失重与不锈钢对比明显优化。X射线衍射分析空蚀后的熔覆涂层，表面物相发生了变化，镍基涂层在空蚀过程中出现了加工软化。

1.2热喷涂技术

近年来，由于热喷涂技术对基体热影响小、变形小、生产效率高等特点，越来越广泛地应用于各种过流金属部件的抗空蚀上。热喷涂是利用热源将涂层材料加热到半熔融或熔融状态，利用高速气体或焰流使之雾化并喷射到基体表面，形成一种具有抗空蚀作用的保护涂层。目前采用的热喷涂材料主要有NiTi合金、铜基合金、镍基合金等。

张梦婷［5］以Ni包覆Ti作为原始粉末，采用低温超音速火焰喷涂制备Ti-Ni涂层，并采取热处理方法改善涂层性能。对不同热处理工艺下涂层的物相组成进行分析，并测试不同涂层的抗空蚀性能。试验结果表明：经950℃热处理5 h后，涂层中形成更多的Ni-Ti合金相，涂层抗空泡腐蚀性能良好。王国刚等［4］利用热喷涂技术制备了镍基涂层，采用SEM、X射线衍射对空蚀前后的涂层进行了对比研究，并在旋转圆盘空蚀试验机上进行了空蚀试验。SEM结果表明：热喷涂涂层由堆积的变形粒子组成，与基体多为机械结合，涂层具有层状叠加组织结构，其中孔隙较多。热喷涂涂层因内部结合力较低，特别容易被空蚀微射流或冲击波所破坏。

1.3微弧火花沉积技术

微弧火花沉积是以脉冲微弧直接放电的方式向基体表面提供能量，从而改变表面层的元素成分和金相结构的表面处理方法。在高脉冲、高能量下，会慢慢将阳极上的沉积材料熔覆在阴极表面，其最显著的特点是对基体的热影响非常小，理想状态下可以获得没有裂纹的沉积，同时不会改变基材的性能和结构。

陈明联［6］采用高能焊补以及微弧火花沉积技术在316不锈钢表面制备了Stellite合金（钴基合金）涂层。Stellite合金涂层的磨损性能明显高于基体，其磨损主要为黏着磨损、氧化磨损和磨粒磨损，并且随着法向载荷的增大，摩擦因数逐渐减小；Stellite合金涂层的抗空蚀性能也明显优于基体，相同时间下Stellite合金涂层的空蚀失重仅为基体的20%，而空蚀之后Stellite合金涂层的硬度有所提高，进而又提高了其自身的抗空蚀性能。

1.4堆焊技术

堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中，其堆焊层也呈现出良好的抗空蚀性能。等离子弧堆焊技术是采用等离子弧堆焊方法，利用等离子弧高温、电流密度大的特点，将高硬度颗粒均匀地嵌镶于堆焊层金属中，而硬质颗粒不会熔化或很少会熔化，形成复合堆焊层。采用等离子弧堆焊技术获得的复合堆焊层质量稳定可靠，可使堆焊层达到无气孔、无裂纹，以及碳化物无烧损、无熔解等缺陷。在磨损严重的工况条件下，复合堆焊层的耐磨性和抗空蚀性能优异，较通常的铁、钴、镍基合金表面保护层耐磨使用寿命可提高几倍甚至十几倍。同时，由于堆焊层与被保护工件表面是冶金结合，可以满足很高的强度要求，与热喷涂获得的复合耐磨保护层相比，堆焊层结合强度是热喷涂涂层结合强度的3～8倍。

雷玉成等［7］将一种新型的Cr-Ni-Co奥氏体堆焊材料用钨极氩弧焊（TIG）堆焊到304不锈钢表面。在人工海水的条件下，利用超声波振动设备对堆焊层与304不锈钢基体进行抗空泡腐蚀试验，用失重法评价这两种材料的抗空蚀性，用扫描电镜（SEM）对Cr-Ni-Co堆焊层不同时间的空蚀形貌进行跟踪观测。试验结果表明：与304不锈钢的失重相比，Cr-Ni-Co堆焊层的失重显得很小，呈现出优良的抗空蚀性能；从SEM观测到的空蚀形貌图的变化中看出，滑移和相变是Cr-Ni-Co堆焊层吸收空泡冲击能的主要方式，应力集中使得材料易产生裂纹，进而导致材料的断裂和剥落。

1.5 表面渗氮处理技术

采用离子渗氮、等离子体渗氮等技术对材料进行表面处理，可以在基体材料表面形成氮化物层，有效提高其抗空蚀性能。

Huang W H等［8］利用离子渗氮技术对碳钢进行表面改性处理，形成的氮化层可显著提高碳钢在纯水和3.5%NaCl溶液中的抗空蚀性能，但在3.5%NaCl溶液中氮化层较高的腐蚀速率降低了其抗冲蚀性能。氮化温度升高到1 423 K，以及提高N2+Ar混合气体中的N2比例后，相对于固溶处理的AISI 304L，氮化处理后的材料在蒸馏水中的磨蚀速率降低约2/17［9］。

2　抗空蚀金属涂层存在的问题

金属涂层或者改性处理在抗空蚀领域发挥的作用毋庸置疑，但它在实际应用中还存在一定的问题：激光表面熔覆会使基体产生较大的热变形，并影响基材的热处理效果；热喷涂涂层与基体间的结合力不够高，涂层的孔隙率较大；电镀或化学镀不需要在高温下进行，可以很好地保证零件的尺寸精度，但镀层一般较薄，在抗空蚀方面的作用有限；单一渗氮处理后，碳钢材料在腐蚀介质中的电化学腐蚀作用会提高其整体的冲蚀速率，呈现出敏感的冲蚀磨损性能。同时金属涂层或者改性处理对工作环境及操作水平的要求都十分苛刻，成本较高，很难大面积推广使用。

3　抗空蚀有机涂层

有机涂层比金属涂层具有更好的抗腐蚀性，在空蚀过程，特别是在海洋环境下的空蚀过程中，可以有效地降低基体材料发生电化学腐蚀的可能性，这是金属涂层无法达到的；同时有机涂层具有施工难度小、成本低等特点，在抗空蚀领域的研究发展较快，并取得了一定的成果，在一些工程和设备上得到了较大规模的应用。目前研究比较多的抗空蚀有机涂层主要有弹性有机硅树脂、聚脲弹性体、聚氨酯弹性体等。

3.1聚氨酯弹性体

聚氨酯弹性体是近年来快速发展的一类新型弹性体材料，具有优良的力学性能、抗疲劳性能和耐介质性能。

聚氨酯弹性体化学结构中含有大量重复的氨基甲酸酯链段，分子主链由玻璃化温度低于室温的柔性链段和玻璃化温度高于室温的刚性链段嵌段而成。低聚物多元醇构成软链段，异氰酸酯和小分子扩链剂构成硬链段［10-11］。聚氨酯的原材料品种较多，其弹性体的配方也多种多样，性能可调范围非常大，既可制成邵氏硬度低至A10以下的低模量橡胶，也可制成邵氏硬度D85、弹性模量高达数百兆帕的高抗冲击弹性体材料，大大超出了其它橡胶的弹性模量；与同等硬度的其它橡胶相比，聚氨酯弹性体的抗拉强度、抗压强度等要高出许多［12］。

聚氨酯弹性体具有相对较高的损失因子，在受到外力冲击或高频振动时，能吸收高达60%以上的能量，可有效消除或减缓外力冲击、高频振动等所产生的破坏。因此，聚氨酯弹性体是适宜制备抗空泡腐蚀弹性体的一类新型材料。

陶业立［13-14］使用MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）和PTMG 1000在85℃下反应2.5 h，制得聚氨酯弹性体；将MOCA（莫卡，3，3’-二氯-4，4’-二氨基二苯基甲烷，聚氨酯用固化剂）与PTMG 1000混合，制得扩链剂/固化剂，制备的弹性体具有较长的凝胶时间，且性能优异，拉伸强度达15 MPa，断链伸长率达300%。当涂层厚度>1 000 μm时，空蚀160 h后，涂层与基材外观仍完好，没有出现明显的表面破坏。同时，弹性体涂层还具有优异的柔韧性和抗冲击性；与金属基材的附着力较大；弹性体涂层具有优异的耐盐雾性、耐恒温海水浸泡性，在恒温海水中浸泡90 d，综合性能基本保持不变。

张瑞珠等［15］采用全氟烷基乙醇（TEOH-10）对二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）进行修饰的方法引入氟元素，同时通过控制反应过程中MDI加入量和加入时机，制备了无亲水—CH2OH基团、且具备含氟链段的聚氨酯（FPU）。耐水性试验结果表明：由于低表面能的氟碳链（—CF2CF3）向材料表面迁移，并在表面形成“疏水荷叶效应”的有机氟膜，FPU呈现出很强的疏水性。当TEOH-10的物质的量为MDI理论用量的0.3%～0.5%时，FPU的吸水率仅在0.014 6%～ 0.018 2%之间，并在吸水浸泡试验3 200 h后，保持10.31～10.79 MPa的高黏结力。抗冲蚀磨损试验结果表明：FPU涂层具有优异的抗冲磨和气蚀性能，随着氟含量的增加，聚氨酯硬段组分中含氟F-MDI分子间的内聚能增加，提高了硬段微区的弹性模量和抗张强度，并通过氢键结构协同软段分子链的运动，缓冲了高速磨损颗粒和气泡溃灭时对涂层产生的巨大反复的冲击力，使FPU的空蚀量由2.375 6×10-3kg降低到0.933 4×10-3～1.245 4×10-3kg，涂层的抗气蚀磨损性能得到明显提高。综合考量水下过流部件防护涂层实际应用的性能要求，当TEOH-10/MDI的物质的量之比约为0.5，即氟元素的质量分数约为9.39%时，FPU具备较好的耐水性、黏结力和抗气蚀磨损性能，可望用作一些气蚀现象严重的水下过流部件的防护涂层。

3.2聚脲涂层

聚脲是在聚氨酯基础上发展形成的一种新型环保材料，聚天冬氨酸酯聚脲是其发展的最新阶段。与传统聚脲相比，聚天冬氨酸酯聚脲因空间位阻的原因，与异氰酸酯组分反应速度缓慢，由其制备的涂层对基材具有更好的浸润性，且涂层缺陷少，其凝胶时间可调。

李宁等［16-17］研制了一种聚天冬氨酸酯聚脲弹性体材料，制成涂层后，在空蚀模拟试验机上进行抗加速空蚀性能研究。试验结果表明：研制的聚天冬氨酸酯聚脲弹性体材料与改性环氧树脂材料和刚性聚天冬氨酸酯聚脲材料相比，具有更优异的抗空蚀性能。由此得出结论：柔性高分子材料比刚性高分子材料的抗空蚀性能要高出许多倍，且材料的抗拉强度越高，其抗空蚀能力越强。聚天冬氨酸酯聚脲弹性体作为一种性能优良的聚合物材料，在抗空蚀领域有一定的应用前景。

除此之外，何剑雄等［18］通过模压成型工艺制得纳米SiO2、玻璃微珠颗粒共混改性的UHMWPE复合材料，采用MRH-SA型环块磨损试验机研究载荷，以及玻璃微珠含量对UHMWPE复合材料摩擦磨损性能的影响；利用转盘式空蚀磨损试验装置对复合材料进行空蚀磨损试验。试验结果表明：适量的纳米SiO2和玻璃微珠颗粒填充可以提高UHMWPE的硬度，有效改善UHMWPE的摩擦磨损性能和抗空蚀性能，质量分数10%的纳米SiO2和2%的玻璃微珠改性UHMWPE复合材料的抗空蚀性能是纯UHMWPE的3倍。

4　结语

空蚀是一个极为复杂的过程，迄今为止，尚未建立较为完整的空蚀物理模型和理论。仅从材料的角度来研究和预防空蚀是远远不够的，应当把不同工况条件下的空蚀作用机理与材料的抗空蚀性联系起来，更好、更全面地进行防蚀研究。例如，弹性材料和脆性材料的空蚀能否用同样或类似的机理进行解释；抗拉强度、断裂伸长率和硬度，哪一个对材料的抗空蚀性能影响更大等，同时需考虑腐蚀对空蚀的影响。材料空蚀机理是今后空蚀研究的重要内容，尤其是腐蚀介质中的空蚀机理，对于抗空蚀材料的选择具有重要的指导意义。由于空蚀与材料的性质和流动条件等众多问题有关，空蚀研究应多学科交叉进行，加强不同学科间的合作，才能早日解决该难题。

1 李伟，梁川.水利水电工程抗空蚀材料研究新进展［J］.四川水力发电，2000，19（2）：78-81.

2 刘成龙，林英英，王玥霁，等.金属材料表面抗空蚀涂层的研究进展［J］.材料导报，2011，25（1）：127-131.

3 王维夫，郑玉贵. 17-4PH钢激光固溶-时效强化及抗空蚀性能［J］.材料热处理学报，2013，34（9）：155-159.

4 王国刚，孙冬柏，王勇，等.热喷涂与熔覆技术制备镍基涂层的空蚀性能［J］. 材料热处理学报，2007（6）：109-113.

5 张梦婷.Ti-Ni涂层的研制及其空泡腐蚀性能研究［D］.湖南长沙：中南大学，2013.

6 陈明联.不锈钢表面Co基合金改性层的制备及空蚀性能研究［D］.辽宁沈阳：沈阳工业大学，2014.

7 雷玉成，秦敏明，徐桂芳，等. Cr-Ni-Co奥氏体堆焊材料的空泡腐蚀行为［J］.焊接学报，2011，32（6）：21-24.

8 Huang W H，Chen K C，He J L. A Study on the CavitationResistance of Ion-Nitrided Steel［J］. Wear，2002，252（5）：459-466.

9 Santos J F，Garzón C M，Tschiptschin A P. Improvement of the Cavitation Erosion Resistance of an AISI 304L Austenitic Stainless Steel by High Temperature Gas Nitriding［J］. Mater. Sci. Eng. A，2004，382（1-2）：378.

10 赵孝彬，杜磊，张小平，等.聚氨酯弹性体及其微相分离［J］.高分子材料科学与工程，2002，18（2）：16-20.

11 赵孝彬，杜磊，张小平.聚氨酯的结构与微相分离［J］.聚氨酯工业，2001（1）：4-8.

12 Hespe H F. Engineered Materials Handbook Volume 2：Engineering Plastics［M］. ASM International，1988：257-264.

13 陶业立，刘秀生，汪洋，等.高性能聚氨酯弹性体涂层的制备［A］. 2014全国（宁波）防锈润滑包装学术研讨会论文集［C］，2014：95-97.

14 陶业立.抗空蚀弹性体涂层的研制及性能研究［D］.湖北武汉：武汉材料保护研究所，2014.

15 张瑞珠，卢伟，严大考，等.疏水性含氟聚氨酯的合成及其耐气蚀磨损性能的研究［J］.高分子学报，2015（7）：808-818.

16 李宁，刘兰轩，张迎平，等.聚天冬氨酸酯聚脲弹性体在抗空蚀领域的应用研究［J］.上海涂料，2011，49（11）：17-19.

17 李宁，刘兰轩，张迎平，等.聚天冬氨酸酯聚脲抗空泡腐蚀应用［A］.第十七届全国表面保护技术交流会论文集［C］，2013：183-186.

18 何剑雄，郭源君，陈友明，等.纳米SiO2、玻璃微珠共混改性UHMWPE复合材料空蚀性能研究［J］.润滑与密封，2011，36（7）：75-78.

阿克苏诺贝尔队率先加入2017-18沃尔沃环球帆船赛 扬帆启航冒险征程

阿克苏诺贝尔日前宣布，将携手荷兰著名帆船运动员西蒙·蒂安蓬（Simeon Tienpont）组建阿克苏诺贝尔帆船队，以安全环保的方式角逐2017-18沃尔沃环球帆船赛冠军，并邀请世界各地爱好者关注这一伟大征程。阿克苏诺贝尔队是新赛季首支确认参赛队。作为全球顶尖的离岸帆船赛事，2017-18沃尔沃环球帆船赛将造访11个主办城市：阿利坎特（西班牙）、里斯本（葡萄牙）、开普敦（南非）、香港（中国）、广州（中国）、奥克兰（新西兰）、伊塔加（巴西）、纽波特（美国）、卡迪夫（威尔士）、哥德堡（瑞典）、海牙（荷兰）。整个赛事将传承荷兰引以为豪的航海传统, 并为阿克苏诺贝尔提供与世界各地的新老客户近距离交流的机会。

在荷兰席凡宁根举行的发布会上，阿克苏诺贝尔负责高性能涂料业务执理会成员康睿德（Conrad Keijzer）表示：“与西蒙·蒂安蓬的合作可谓强强联手。阿克苏诺贝尔拥有市场领先的高性能船舶和游艇涂料，而西蒙·蒂安蓬是天才的帆船运动员，重视团队合作，意志坚定并极具感召力，这些都是阿克苏诺贝尔所珍视的宝贵品质。”

发布会在色彩纷呈的席凡宁根港码头（靠近赛事终点）举行。发布会之前阿克苏诺贝尔对码头标志性的五十根立柱进行了涂装，以防止海浪等环境侵蚀。此次帆船比赛也将为投资当地社区、改善居民生活和提高城市吸引力创造更多机会。

The Research Progress of Cavitation Erosion Resistant Coating

Huang Jiaqiang1，Dai Qinghua2，Wang Yang2，3，Liu Lanxuan2，3，Liu Xiusheng2，3
（1.PLA Navy Representative Offi ce in 719th Research Institute，Wuhan Hubei，430205，China；2.Wuhan Research Institute of Materials Protection，Wuhan Hubei，430030，China；3.State Key Laboratory of Special Surface Protection Materials and Application Technology，Wuhan Hubei，430030，China）

The mechanism and influence factors of cavitation erosion were summarized. The preparation technology of metal coating with cavitation erosion resistance was introduced. The research progress on the cavitation erosion resistant organic coating from polyurethane elastomer and polyurea elastomer were emphatically summarized. In addition，the contrast of protection performance between organic coating mentioned above and metal coating were conducted. The development direction of cavitation erosion resistant coating were discussed.

cavitation erosion；metal coating with cavitation erosion resistance；organic coating with cavitation erosion resistance；research progress

TQ 630.7

A

1009-1696（2016）04-0029-05

2016-01-20

黄加强（1968—），男，工学博士，高级工程师，主要从事舰艇总体设计工作。