钛合金空蚀损伤防护措施研究进展

钛合金硬度低、耐磨性能差，在用作船舶螺旋桨叶片、水轮机叶片、涡轮机、尾水管、泵、阀等过流部件时，由于流体中存在压强变化区，故而极易造成构件产生空蚀现象。当空化气泡在固体边界附近坍塌时，会使固体材料表面发生剥落，致使设备性能降低，服役寿命缩短，甚至导致钛合金构件失效。多年来，国内外关于钛合金空蚀损伤的防护措施不断取得新的研究进展，下 将从整体材料热处理、表面处理以及向流体介质中添加缓蚀剂三个方面进行详细论述。

1、热处理

2、表面处理

由于空蚀现象是从材料表面开始的，因此对钛合金进行表面处理自然就成为了提高其抗空蚀性能的一种有效措施。到目前为止，国内外用于提高钛合金抗空蚀性能的表面处理技术包括激光纹理加工、激光气体氮化、化学热处理、离子注入、热浸镀等，且都取得了一定的成果。

1、激光表面纹理加工

激光表面纹理加工是采用激光器对工件表面进行选择性熔化，从而加工出具有特定排列形貌的一种制备技术。此项技术具备加工周期短、精度高、热影响区小且不会对环境造成污染等优势。激光纹理加工产生的凹坑可以捕捉磨屑，可提高金属表面的耐磨性。此外，激光表面纹理加工技术还可以提高材料表面的硬度， 近年来也被用来提高钛合金的抗空蚀性能。

2、激光气体氮化

激光气体氮化处理是将钛合金置于氮气气氛中，利用高能激光束的作用致使合金表面加热至熔化态，氮气进入熔池中并与其间的高温金属液反应，在试样表面形成一层含有硬质氮化钛相的氮化层。该技术具有低成本、制备时间短、可实现局部氮化处理、生成的氮化层较厚且与基体材料呈冶金结合等优势，是一种常见的用于提高钛合金耐磨性的方法。近年来，激光气体氮化也成功应用于改善钛合金的抗空蚀性能。

3、化学热处理

化学热处理技术具备操作简单、成本较低、可节省大量劳力等优点，在提高钛合金抗空蚀性能方面具有显著优势。当采用化学热处理技术在钛合金表面形成致密的陶瓷层以及扩散层后，试样的表面硬度得以提升，这可以有效抵御空泡溃灭产生的能量。同时，致密的表面渗层也可通过防止表面裂纹的萌生及扩展来延长空蚀过程的孕育期，进而提高钛合金抗空蚀性能。但化学热处理还存在工艺保温时间长、能耗较大、易造成环境污染等缺陷，因此，提高工艺的经济性就成为了此项技术未来的发展目标。

4、离子注入

离子注入是利用高能离子高速撞击材料表面从而使得所需元素注入其表面的一种先进的改性技术。采用此方法获得的改性层与基体间的结合非常牢固且两者之间没有明显的突变界面。由于注入的离子不受各项热力学参数限制，因此该方法可以实现任意元素的注入，且注入离子的浓度和深度均可控。注入的元素以置换形式或间隙形式处于基体材料表面，并不会发生试样尺寸的改变，表面粗糙度也可以得到很好的保持，所以离子注入可作为部件的最后一道处理工序。

5、其他表面处理

除了采用以上表面处理来提高钛合金的抗空蚀性能之外，其他相关表面技术也被用于钛合金空蚀损伤的控制。采用热浸镀+热处理技术在 Ti6Al4V 合金表面制备了均匀且致密的 Al3Ti 涂层，在蒸馏水中空蚀 20 h 后热浸镀铝试样的累计失重为原始Ti6Al4V 合金的 53.7%，Al3Ti 涂层显著提高了 Ti6Al4V 合金的抗空蚀性能。这是由于采用该技术得到的涂层不仅均匀致密无缺陷，而且显微硬度也显著高于基体试样，增强了合金抗空泡溃灭冲击的能力。

3、添加缓蚀剂

钛合金在腐蚀环境下发生的空蚀损伤通常会涉及到腐蚀破坏的协同作用，因此，添加缓蚀剂也不失为一种可用来提高钛合金抗空蚀性能的有效方式。科研人员研究了 Ti6Al4V 合金在 55%（质量分数） LiBr 溶液+1%阳极型缓蚀剂 NaNO2 溶液中的空蚀损伤行为。结果表明，在含有缓蚀剂的 LiBr 溶液中空蚀 1 h 后，表面空洞相较于未加缓蚀剂表面明显减少；8 h 后，累计失重为未加缓蚀剂的 90.5%。该种缓蚀剂的加入产生的 NO2-会被吸附在钝化膜表面具有较强活性的空洞中，使得再钝化膜更容易生成，抑制了Ti6Al4V 的电化学腐蚀，从而降低了由力学与电化学腐蚀共同作用产生的空蚀损伤。但添加缓蚀剂之后试样的电化学腐蚀未被完全抑制。