水电机械抗空蚀合金涂层材料研究进展

张林海，周全民，王晓婧，宁 峻，郑明珉，刘艳红

(1. 国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209；2. 国家电投集团江西水电检修安装工程有限公司，江西 南昌 330224)

[收稿日期] 2022-01-11

[基金项目] 国家电力投资集团B类项目(KYTC2020SD05)资助

[通信作者] 刘艳红(1977-)，博士，教授级高工，主要从事能源材料、材料表面技术研究，电话：010-56681622，E - mail: liuyanhong@spic.com.cn

0 前 言

水电是全球公认的清洁、优质、灵活的可再生能源电力。十四五期间，水电开发在中国能源转型升级，实现碳减排和碳中和目标中继续发挥关键作用，其装机规模也将继续扩大。调查发现，空蚀问题长期困扰着水电行业，破坏水电机组设施设备，产生振动和噪音，还会降低运行效率，严重影响水电机械的使用性能与服役寿命，每年造成高昂的维护和检修费用。因此，开展水电机械抗空蚀研究对于促进水电发展和科学降碳具有重要意义。对比当前水电空蚀防治技术，涂层防护手段从功能性和成本角度考虑均具有更佳的应用前景。其中，合金抗空蚀涂层具有结合强度高、制备效率高、韧性好等显著优点，尤其适合转轮、导叶等动态运转的水电机械恶劣空蚀工况，已成为国内外学者研究的重点方向。本文就目前抗空蚀合金涂层材料的研究状况进行了综述。

1 空蚀概述

1.1 空蚀机理及影响因素

空蚀是一种微观高速、多因素交互影响的复杂现象。目前学者普遍认同的空蚀原理为由于液体流动过程中局部区域压力变化，部分液体汽化的空泡不断生成和溃灭的过程对基体材料产生强大的应力冲击效应，导致过流表面侵蚀损伤程度大大增加，形成麻坑、蜂窝状侵蚀等缺陷。图1为空蚀宏观形貌，图2为空蚀过程示意[1]。空蚀现象可以简化为空化和气蚀2个过程，历经空化泡形成、空化泡长大和剧烈溃灭3个阶段[2]。迄今为止，针对复杂空蚀的破坏机理暂无明确定论，但相关研究人员提出了若干空蚀损伤理论，主要包括冲击波机制、微射流机制、化学/电化学腐蚀机制、热学作用机制、复合作用机制5种[3,4]。部分学者研究发现，空蚀破坏多为几种机制联合非线性耦合作用的结果，并非单一机制作用效果的线性叠加[5]。实际水电工况下，空蚀程度的影响因素同样复杂繁冗，主要归纳为以下4个方面：外界环境(温度、压强、空蚀频率及周期等)、液体物性(表面张力、黏度、密度、流速、pH值、含气含沙量等)、物体状态(尺寸形状、空蚀距离、表面状态等)、材料特性(硬度、强韧度、弹性模量、应力状态、组织缺陷等)。

1.2 空蚀防治

空化气蚀是水电机组运行中最为常见的故障之一，主要类型包括翼型空蚀、空腔空蚀、间隙空蚀、局部空蚀等，相应损伤主要集中在水轮机转轮出水边、导叶、尾水管、转轮室内壁等区域。目前水电站针对空蚀问题的防治方法主要涵盖以下4个方面：

(1)流域水体水文优化。通过采用固沙降污、缓流等系列措施，提升相关流域的水质环境，减缓水电机械运行损伤，但存在治理周期长、投入经费大等缺点；

(2)水电机械无空化优化设计。依托数值仿真软件模拟和空蚀动力学判据等方法，优化水轮机结构和运行参数设计、增加补气装置等，提前规避空蚀问题；

(3)开发具备优良抗空蚀性能的机械材料。近年来，具有较高强度和断裂韧性的材料已逐步应用于水轮机转轮、导叶、管套等过流部件中，并取得良好的抗空蚀效果，有效提高其服役寿命，如ZG0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢、Ti - 6Al - 4V合金、Stellite合金、镍基Inconel 718超级合金等；

(4)水电机械表面抗空蚀强化处理。水电机械表面抗空蚀强化处理主要包括表面改性技术和表面涂层防护技术，其中表面改性主要涉及激光或等离子表面改性技术、表面渗碳渗氮强化技术等；涂层防护也是一种重要的保护手段，应用更为广泛、防护效果更佳。目前常用的防护涂层主要包括合金材料、陶瓷材料、有机高分子材料、复合材料等，可采用火焰喷涂、等离子喷涂、激光熔覆、电弧沉积、涂敷、堆焊等方法制备。

2 抗空蚀合金涂层材料

区别于高硬度涂层在水电磨蚀工况下已广泛应用的现状，复杂的空蚀机理及严重的破坏程度对抗空蚀防护涂层的性能提出了更高的要求。研究发现，硬度仅是涂层材料抗空蚀特性表现之一，其抗空蚀性能还取决于结合强度、孔隙率和开裂韧性3个方面。涂层与基体的结合强度决定了空蚀剥离孕育期的时间长短；孔隙率决定了空蚀初期空蚀源形成的数量和速率；开裂韧性则决定了空蚀裂纹扩展速度。进一步地，具备上述优良特性的非应变率敏感合金涂层可增加材料表面的抗疲劳性，更好地承受高频次塑性冲击变形，从而显著提高材料的抗空蚀能力。目前针对水电抗空蚀合金涂层材料的研究逐步深入，其中热点主要集中在硬质合金、铁基合金、钴基合金、镍基合金、高熵合金等几个方面。

2.1 硬质合金

硬质合金是目前水电行业应用最成熟的防护涂层材料，主要由硬质相和粘结相构成。其中硬质相可提升涂层耐磨性能；粘结相通常为单质金属或合金，具有较高的断裂韧性以改善涂层抗空蚀性能。由于硬质合金涂层开发较早，国内外相关研究已较为丰富，当前水电行业应用最为广泛的系列主要包括WC - Co、WC - Co - Cr、Cr3C2- Ni - Cr、WC - Cr3C2- Ni - Cr等，主要采用超音速火焰喷涂、激光熔覆、堆焊等方法制备，取得了良好的抗空蚀效果[6-9]。基于前期研究，近年来硬质合金复合强化材料成为抗空蚀涂层研究热点之一。丁翔等[10]采用微米/纳米双峰复合型WC粉末制备WC - 10Co - 4Cr涂层，主要由WC相、非晶CoCr相和微量W2C相组成；涂层孔隙率降低40%，开裂韧性提高45%，淡水抗空蚀性能提升大约1倍，图3为微米、微 - 纳米WC - 10Co4Cr涂层横截面显微组织。崔宜静[11]和岳建锋等[12]也在研究中证实双峰复合粉末提高抗空蚀性能的结论。部分学者在硬质合金粉末中添加稀土氧化物、Ni基合金、陶瓷颗粒等强化相，进一步提高涂层材料的强韧度、致密度等物理性能，也取得了较好的复合强化效果[13-16]。硬质合金涂层硬度高，但易受孔隙率和硬质相脆性失效影响，严格控制原材料和制备工艺是获得具有良好抗空蚀性能硬质合金涂层的关键。

2.2 铁基合金

国内外学者针对抗空蚀铁基合金进行了一系列研究，其中深入开发的涂层材料主要包括铁基多元合金、铁基非晶合金、铁基形状记忆合金等。铁基合金熔点较低，相关涂层制备方法灵活多样，其中应用广泛的方法为超音速火焰喷涂、高速电弧喷涂、堆焊、激光熔覆等，已在水轮机防护方面获得一定应用。

2.2.1 铁基多元合金

铁基合金具有韧性好、弹性模量与基体接近等优点，通过适当添加镍、钴、铬、钼、铌等多种元素产生固溶强化、相变强化、细晶强化等综合强化作用，使涂层抗空蚀性能有所提升。目前水电领域应用较为广泛的铁基多元合金主要包括Fe - Cr系、Fe - Cr - Ni系、Fe - Cr - Ni - Mo系、Fe - Cr - Ni - Co系等。吴玉萍等[17]采用超音速火焰喷涂技术在不锈钢表面制备了Fe - Cr基涂层，结果表明Fe - Cr基涂层(1 099 HV2 N)抗空蚀性明显优于ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢(285 HV2 N)。孙洪滨等[18]采用高速电弧喷涂技术在1Cr18Ni9Ti不锈钢基体上制备高铬硼合金和碳化铬 - 铁基合金2种涂层材料，其中后者硬度为510 HV0.5 N，结合强度为38.7 MPa，空蚀平均失重速率为0.2 mg/min，取得一定抗空蚀效果。基于多元合金综合强化机理，徐桂芳等[19]采用堆焊技术在304不锈钢表面制备了Fe - Cr - Ni - Co合金涂层并进行表面重熔处理，空蚀测试结果表明：Fe - Cr - Ni - Co合金堆焊层和重熔层的耐空蚀性能远高于304不锈钢，合金重熔层耐空蚀性优于堆焊层；空蚀过程中奥氏体向马氏体的转变可吸收空蚀能量，延缓空蚀进程；此外晶粒细化可有效阻止裂纹延展而提高材料耐空蚀性能。图4为Fe - Cr - Ni - Co合金涂层累计质量损失和失重率曲线。铁基多组元合金涂层制备方法简便易控，经济性好，但抗空蚀效果一般，适合低强度空蚀工况。

2.2.2 铁基非晶合金

非晶合金快速凝固后保留着原子排列长程无序和无晶体结构缺陷等特点，获得正常凝固所不具备的组织与性能，如非晶、微晶、纳米晶等，因而具有高强度、高强韧性、耐腐蚀、高弹性模量等优异性能。其作为表面抗空蚀涂层材料具有广阔的应用前景，相关研究应用也较为广泛。表1为迄今为止开发的典型铁基非晶涂层合金体系，主要包括Fe - ETM - M、Fe - LTM - M、Fe - ETM - LTM - M 3类[20]，添加碳、硼、硅、氮、磷等元素以降低熔点，促进非晶相和纳米晶相的形成，并且析出少量弥散碳化物与硼化物提高涂层硬度；进一步添加镍、钴、铬、钼等金属元素，提高合金耐蚀性和强度韧性，因而具有优良的抗空蚀性能。

表1 迄今为止开发的典型铁基非晶涂层合金体系[20]

陶翀等[21]采用超音速火焰喷涂技术制备了含有非晶、纳米晶和硼化物的Fe - Cr - Ni基涂层，其抗空蚀性优于传统ZG06Cr13Ni5Mo水电不锈钢材料，相同条件下空蚀质量损失仅为后者的1/3。Qiao等[22]研究了超音速火焰喷涂铁基非晶/纳米晶涂层的喷涂参数、显微组织与超声空蚀行为的关系，并在AISI 321钢基体上制备了高硬度、低孔隙率的铁基非晶/纳米晶涂层，其抗气蚀性能优异。娄建新等[23]利用高速电弧喷涂技术制备了FeCrBSiNbW非晶纳米晶涂层，研究了不同热处理温度下高速电弧喷涂FeCrBSiNbW非晶纳米晶涂层组织结构的演变规律和空蚀破坏机理，结果表明电弧喷涂FeCrBSiNbW非晶纳米晶涂层的抗空蚀性能随着非晶含量的降低而下降，喷涂态涂层累积空蚀失重最小，空蚀平均失重速率为0.13 mg/min。于盛旺等[24]采用等离子束冶金法在低碳钢表面制备的FeCrNiBSiC - 0.17%RE冶金层具有优良的抗空蚀性能，经42 h空蚀试验后累积质量损失仅为0Cr13Ni6Mo不锈钢的0.507倍。近年来，美国Liquid Metal Coatings公司开发的Armacor系列非晶合金涂层材料具备良好的防护性能，有效解决了机械磨损、化学腐蚀和气蚀等问题，已取得一定应用进展[25-28]。降低缺陷和增加粘结相结合强度是提高其抗多相流损伤的关键[29]，也将是抗空蚀铁基非晶涂层未来的研究重点。

2.2.3 铁基形状记忆合金

形状记忆合金具有高强度、耐腐蚀等优良性能，同时还具有伪(超)弹性、形状记忆等功能特性，因此可通过相变吸收和弹性缓冲耗散空泡溃灭产生的冲击，使其具有优良的抗空蚀性能。铁基形状记忆合金分为3类：Fe - Mn - Si系、Fe - Ni - Co系和Fe - Pt/Fe - Pd系。其中Fe - Mn - Si系应用最为广泛，龙霓东等[30, 31]研究了2种Fe - Mn - Si系铁基形状记忆合金的抗空蚀性能，发现局部载荷作用下可有效吸收弹性变形能及在空蚀过程中有较高应变诱发马氏体相变能是其抗空蚀性能优异的主要原因。此外还发现添加Nb、Ce元素的Fe - 14Mn - 6Si - 9Cr - 5Ni - Nb - Ce形状记忆合金合金在3.5%NaCl溶液中呈现更加优异的抗空蚀性能，空蚀率仅为0.37 mg/h。王再友等[32]采用旋转圆盘试验机研究了Fe - 25Mn - 6Si - 7Cr形状记忆合金的空蚀失效机制，发现抗空蚀性能在34 m/s和45 m/s速度下分别是对比材料0Cr13Ni5Mo不锈钢的1.6倍和7.3倍，伪弹性是Fe - 25Mn - 6Si - 7Cr形状记忆合金具有高抗空蚀性能的主要原因。目前，铁基形状记忆合金还存在成本较高、成熟度低等劣势，但预计随着相关研究的不断开展，铁基形状记忆合金涂层材料将在抗空蚀领域具备良好的应用前景。

2.3 钴基合金

钴合金具有低堆垛层错能和高弹性模量的特性，可以显著提高抗空泡腐蚀性能，有效增长空蚀孕育周期；并且其优良的强韧性和应力诱发相变强化可抑制裂纹延展，进一步降低空蚀损伤。目前，抗空蚀钴基合金涂层材料主要包括Co - Cr系、Co - Cr - Fe - Mn/Ni系、Co - Ni - Cr - W系、Co - Cr - B - Si自熔系、Co - Cr - Al - Y系等几类，其中以Stellite合金为代表的Co - Ni - Cr - W系应用最为广泛。涂层多采用激光熔覆、堆焊、火焰喷涂等方法制备，基体抗空蚀效果显著提高，目前已在葛洲坝等水电站获得推广与应用。

柳伟等[33]采用激光熔敷方法在20SiMn低合金钢表面制备0.45 mm厚度的CoCrFeMnNi合金涂层，硬度变化范围为305～368 HV。涂层较低的层错能和应力诱发马氏体相变吸能效应使其表现出良好的抗空蚀性能，相较于基体20SiMn低合金钢和对比材料0Cr13Ni5Mo不锈钢，3 h空蚀累计失重分别降低至1/5和1/2。徐进等[34]采用激光熔覆方法在水轮机ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢基体表面制备Co - Cr - W - C系耐蚀耐磨合金层材料，熔覆层与基体呈良好的冶金结合，耐磨耐蚀性大幅度提高，涂层试样加速空蚀试验20 h后质量损耗几乎为0。陈明联[35]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Stellite合金涂层，如图5所示，并在3.5%NaCl溶液中进行空泡腐蚀性能评价，对钴基涂层抗空蚀机理进行了分析研究，结果表明沉积层与基体之间形成了良好的冶金结合，相同时间下Stellite涂层空蚀失重仅为316不锈钢的1/5，空蚀导致的应力残余和硬度可进一步提高涂层抗空蚀性能。赵辉等[36]采用氧乙炔火焰喷熔法在ZG06Cr16Ni5Mo马氏体不锈钢表面制备了Co50合金涂层，探讨了Co基自熔合金涂层的空蚀破坏机理。固溶强化、细晶强化和共晶碳化物相强化使得合金涂层具有较高的硬度和抗空蚀性，空蚀稳态累计失重率为0.83 mg/h。部分研究[37, 38]通过在钴基合金粉末中添加WC、TaC和SiC纳米陶瓷颗粒， 获得的弥散强化型

镍基合金涂层也具有良好的抗空蚀性能。Co基合金具备优良的抗空蚀性能，但是价格昂贵，涂层制备成本较高等因素限制了其在水电领域更为广泛的应用。

2.4 镍基合金

镍合金具有优异的耐腐蚀、抗氧化、抗应力疲劳和高断裂韧性等材料特征，目前主要包括固溶强化型、沉淀强化型、弥散强化型和中间化合物强化型镍基合金4类。近年来，针对抗空蚀镍基合金涂层及材料的研究主要集中在镍基多元合金、镍基自熔合金、镍基金属间化合物合金等方面，相应涂层制备技术为热喷焊、热喷涂、冷喷涂、堆焊、激光熔覆等。基于镍基合金的上述优良特性，其涂层材料在水电机械防护领域也有广泛的应用，并取得了良好的抗空蚀效果。

2.4.1 镍基多元合金

同铁基多元合金复合强化机制类似，通过向金属镍中添加强化元素产生固溶强化、相变强化、细晶强化等综合强化作用，使涂层抗空蚀性能有所提升。目前，用作抗空蚀研究的镍基多组元合金主要包括Ni - Cr系、Ni - Co系、Ni - Cr - Fe系、Ni - Cr - W - Mo系等。陈天骅等[39]采用超声振动空蚀试验机对Inconel 718镍基超合金与316L不锈钢进行空蚀磨损研究，发现Inconel 718表现出更优异的抗空蚀磨损性能，其空蚀600 min累计质量损失约为316L的1/3，空蚀孕育期时长为316L不锈钢的2倍左右。本研究组采用3D激光打印方法在ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢表面熔覆了1.5 mm厚的Inconel 718镍基合金，6 h内空蚀试验失重平均速率为2.6 mg/h，表现出良好的抗空蚀性能。康全飞[40]采用激光熔覆技术在镍铝青铜表面制备NiY熔覆层和NiCrFe熔覆层，研究了2种涂层的耐蚀和抗空蚀强化机制，并发现NiCrFe熔覆层中Y、Cr、Cu、Mo等元素的强化作用，涂层平均硬度和弹性回复是基体的2～3倍，有利于材料的耐空蚀性能。

2.4.2 镍基自熔合金

镍基自熔合金广泛用作抗空蚀涂层材料，目前主要包括Ni - Cr - B - Si系、Ni - Cr - B - Si - C系、Ni - Cr - B - Si - Mo系、Ni - Cr - B - Si - C - Mo - Cu系等，具有良好的综合力学性能和经济成本。大量的Ni、Cr、Si、B等元素不仅降低合金熔点，还使涂层中γ - FeCrNi基体得到显著强化，析出的碳化物和硼化物等硬质弥散相有效地抵御气泡溃灭时产生的微射流作用，使涂层具有较好的抗空蚀性能。Kwok等[41]采用火焰喷涂预置粉末法在AISI 1050和UNS S31603不锈钢表面熔覆0.2 mm厚的NiCrSiB自熔合金激光熔覆层，该熔覆层的抗空蚀性约是2种不锈钢基体的7倍与4倍。刘海涛[42]采用氧乙炔火焰喷熔工艺制备了Ni60A、NiWC35、Ni55MoA和Ni60CuMo不同镍基合金喷熔层，探讨了涂层在NaCl溶液中的抗空蚀性能并分析空蚀机理，发现Mo或Cu元素的加入可使涂层在NaCl溶液中抗空蚀性能分别提高24%，39%。基于镍基合金良好的液态润湿特性，张松等[43]、刘舜尧等[44]、康进兴等[45]、孙达等[46]、曹明[47]通过向镍基自熔合金中添加TiC、WC等硬质相或稀土氧化物获得镍基复合增强合金，抗空蚀性能有所提升。图6为镍基Colmonoy 88合金堆焊层5 h空蚀样品表面形貌和空蚀动力学曲线，表明该WxC镍基复合强化涂层在3.5%NaCl溶液中抗空蚀性能最高为316L不锈钢的5倍[44]。自熔类合金是目前镍基合金中抗空蚀应用较多的材料之一，技术成熟度高，尤其可满足高温、腐蚀环境的耐空蚀需求[48-50]。

2.4.3 镍基金属间化合物合金

金属间化合物具有金属键和共价键共存的特性[51]，长程有序的结构特点使其合金获得高强度、高弹性模量和流变应力的特点，具备抗空蚀应用潜力。目前，相关方面的研究主要集中在Ni - Ti系形状记忆合金和Ni - Al系强化合金2个方面，并取得一定抗空蚀效果。

近等原子比(Ni含量50%～56%)的NiTi合金主要以NiTi相形式存在，该相具有超弹性和形状记忆效应，兼具良好的强韧性、耐蚀性和耐疲劳性。在高频次空蚀脉冲应力作用下，NiTi合金涂层中γ→M相变强化和超弹性变形过程吸收部分脉冲应力，缓解裂纹缺陷尖端应力集中和扩展，进而延缓空蚀的进行。Chiu等[52]利用激光熔覆技术在316L不锈钢表面分别预置NiTi合金粉末或NiTi合金薄片，获得较高硬度、弹性回复比及致密度的NiTi合金熔覆层，具备良好的抗空蚀性能。此外部分学者分别在NiTi合金涂层制备方法及工艺、热处理、元素强化等方面作进一步研究，也取得了良好的抗空蚀效果[53-56]。抗空蚀Ni - Al系强化合金中，最具代表性的Ni3Al是一种具有L12型晶体结构的长程有序金属间化合物，具有很强的形变硬化特性。黄志河等[57]采用手工电弧焊方法试制Ni3Al合金层，较高的硬度提升了基体抗微射流冲击疲劳性能，20 h浑水空蚀试验中Ni3Al合金失重仅为0Cr13Ni5Mobu不锈钢的1/2。冯涤等[58]采用堆焊方法制备成Ni3Al基WC复合强化涂层，硬度达到470 HV，石英砂水流空蚀冲刷试验失重率仅为3.5%，具有良好的抗水砂磨损和空蚀双重作用性能。镍基金属间化合物以其低密度、高性能而具有极强的竞争优势，将是一类极具潜力的新型功能材料[51]。

2.5 高熵合金

高熵合金(High - Entropy Alloys)简称HEA，是由多种元素以近似等摩尔比含量形成的合金。高熵合金打破传统金属以单一元素作为主元的限制，其成分的可设计性和可调节性有利于形成特殊的微观组织结构，进而获得高强度、韧塑性等性能特点，因而具有良好的抗空蚀应用潜能。高熵合金涂层已成为近几年该领域的研究热点之一，目前主要制备方法为热喷涂、激光熔覆、钎焊和物理气相沉积(PVD)等。

目前Co、Cr、Fe、Ni 4种元素在高熵合金中应用最为广泛，比例高达70%以上。Nair等[59]研究了Al0.1CrCoFeNi合金在NaCl溶液中的抗空泡腐蚀性能。如图7所示，相对于SS316L不锈钢，得益于高熵合金良好的加工硬化性和稳定的表面钝化膜，其空蚀孕育期显著增长且空蚀速率减缓近1/4。伊俊振[60]采用激光合金化工艺在304不锈钢表面制备CoCrAlNiBx/304及CoCrAlNiTix/304 2个系列高熵合金化涂层，均表现出良好的抗空蚀性能。其中CoCrAlNiTix/304系高熵合金化层抗空蚀性能最佳，其空蚀后样品表面粗糙度仅为304不锈钢基体的1/10。魏峥等[61]采用超音速火焰喷涂方法在06Cr13Ni5Mo不锈钢表面制备了(AlCoCrFeNi)1-x(WC - 10Co)x高熵合金复合涂层，研究了涂层空蚀破坏机理，发现适量WC - 10Co可以阻止涂层中裂纹的扩展，有利于提高涂层在蒸馏水中的抗空蚀性能；但在NaCl溶液中WC - 10Co引起EEC(腐蚀平衡电位)变化，反而加速腐蚀破坏导致空蚀性能下降。高熵合金作为战略新兴材料，水电领域应用前景广阔，但由于成本和技术水平限制，成熟度有待进一步提高。

2.6 其他合金

水电行业中，以铝、铜和钛等为代表的有色金属部件也有广泛的应用，例如水电站管路系统、泵体和桨叶等，同样存在抗空蚀防护需求。目前铜基空蚀防护涂层的研究多以铜基多元合金系和铜基自熔合金系为主。顾晓波等[62]采用热喷涂技术制备了5种铜基多元合金涂层，并研究了涂层空蚀破坏机理和应用可行性，发现超音速火焰喷涂CuNi04涂层耐空蚀性能接近2310合金，适合空蚀环境使用。康进兴等[63]利用氧乙炔焰喷焊技术制备的CuNiSiB/30%WC复合覆层相对耐气蚀性为1.27，具备良好的抗空蚀性能。钛基空蚀防护涂层的研究多集中在Ti - Al系金属间化合物合金上。徐垚等[64]采用热浸镀法在Ti6A14V合金表面制备TiAl3涂层，相同条件下蒸馏水空蚀累计失重减少50%，3%NaCl溶液中空蚀累计失重减少40%。Ti - Al基合金有高弹性性能及加工硬化能力，可吸收和释放更多的空蚀冲击能量，延缓裂纹形成，减小表面损伤，表现出良好的抗空蚀性能[65]。

3 合金涂层材料空蚀测试及评估

水电机械部件具有结构复杂、匹配性要求高等特性，新涂层材料应用较为谨慎，开发过程中包含室内快速试验和现场原型试验2种测试方式，至少经历4个测试阶段：实验室性能测试、模拟工况测试、真机挂片测试、真机样件测试。其中，各阶段测试试验和性能评估方法是相关技术研究的两大重点。

3.1 空蚀试验方法

目前空蚀研究试验方法主要包括磁致伸缩振荡空蚀方法、超声波振动空蚀方法、文丘里管流动空蚀方法、旋转圆盘空蚀方法、真机挂片/样件空蚀方法等[66, 67]。

磁致伸缩振荡空蚀方法利用高频微幅振荡引起液体压力变化原理，导致空化气泡快速产生、长大和溃灭，对试件产生空蚀破坏。与其类似，超声波振动空蚀方法利用超声波压力脉冲使液体介质产生振动，进而局部压力变化形成空化空蚀。上述2种方法主要参考标准为GB/T 6383-2009“振动空蚀试验方法”和ASTM G32-2010“Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus”，试验装置主要包括隔音装置、变频器、变幅杆、恒温装置、电源等。该2种方法具有操作简单、技术成熟、灵活高效等优点，但作用范围小，适用于实验室抗空蚀性能测试阶段。

文丘里管流动空蚀方法利用文丘里管的喉道前后的截面变化，导致液体流速变化产生负压，液体流过后形成固定空蚀。旋转圆盘空蚀方法利用液体介质流过高速旋转圆盘上的孔或凸体产生的压力变化，形成尾流空化，高频空泡溃灭后对嵌入盘面的样品进行空蚀。上述2种方法更能预估原型空蚀的破坏程度，但存在建造和运行成本高、试验周期长等缺点，适用于模拟工况空蚀测试阶段。

真机挂片/样件空蚀方法即采用挂片和样件方式，固定在水轮机转轮、尾水管、导叶等位置进行空蚀工况测试，试验数据真实准确，一般在前2个阶段(实验室抗空蚀性能测试阶段和模拟工况空蚀测试阶段)完成后进行。

另外，除上述几种空蚀试验方法，还有高速射流冲击试验、水滴冲击试验、活塞往复式空蚀试验等[2]。

3.2 空蚀评估方法

常用的合金涂层材料空蚀性能评估方法主要包括以下几种：(1)质量法 以空蚀前后质量损失比值评估；(2)面积法 以空蚀前后面积损失比值评估；(3)体积法 以空蚀前后体积损失比值评估；(4)深度法 以测算单位面积内的空蚀坑平均深度评估；(5)数量法 以统计单位面积内的空蚀坑平均数量评估；(6)时间法 以失去单位质量所需的时间评估等。其中，以质量法和体积法在合金涂层材料空蚀性能评估中应用最为广泛。

4 结 语

空蚀是一种微观高速、多因素交互影响的复杂损伤过程。近年来，相关领域科研人员针对空蚀机理及防治开展了大量研究，其中合金涂层已经发展为庞大的综合材料防护体系，有效制约了水电机械空蚀破坏。但是抗空蚀合金涂层材料存在的造价昂贵、施工条件要求高、测试评估性差等劣势不可忽视，要求科研人员在新技术、新材料、综合测试评估等方面展开深入思考与研究。

(1)技术方面 通过低成本元素替代技术、低耗能制备技术、增材制造技术、涂层设备小型化等手段，实现水电机械在线快速修复和修复防护一体化将是抗空蚀涂层技术研究应用重点。

(2)材料方面 抗空蚀涂层复合化将是未来发展趋势，兼具高弹性和高强度特性的复合涂层材料，可以更有效地抵抗空蚀冲击，例如高熵合金复合涂层、梯度合金复合涂层、非晶合金/聚氨酯弹性体复合涂层、形状记忆合金/聚合物陶瓷复合涂层等。其中如何实现层间高强度复合将是技术关键，待进一步探索。

(3)测试评估方面 目前涂层材料的测试周期过长且抗空蚀强度表征方法仍无统一标准，制约了新型涂层材料的快速开发和应用。因此，综合制定简要明确、规范统一的空蚀测试流程和表征标准具有重要意义。