空化诱导器对HVOF喷涂不锈钢涂层抗浆液侵蚀性能的影响

《Frontiers in Materials》：Effect of cavitation inducers on slurry erosion resistance of HVOF-sprayed stainless-steel coatings

HVOF喷涂不锈钢涂层在slurry侵蚀及空化诱导条件下的磨损行为研究表明，50Ni50Cr合金因Ni-Cr平衡配比展现出最佳耐磨性，空化效应对材料影响因成分而异，实验结合XRD和SEM揭示了相组成与磨损机制的关系。

　　在工业应用中，许多关键部件经常暴露在恶劣的侵蚀环境中，这些环境包括高速流体、含颗粒的泥浆或混合型侵蚀条件。例如，航空发动机的涡轮叶片、水力发电中的泵叶轮、管道系统、阀门以及海洋设备都可能受到侵蚀的影响，从而导致材料性能下降、结构损伤甚至失效。因此，提高这些部件的耐磨性和耐久性成为研究的重点。高能高速氧乙炔喷涂（HVOF）技术因其优异的涂层性能，已被广泛应用于增强材料在侵蚀环境中的表现。HVOF技术能够生成高密度、低孔隙率、高硬度和强结合力的涂层，从而有效提升材料的抗侵蚀和抗腐蚀能力。

本研究重点探讨了HVOF喷涂不锈钢涂层在泥浆侵蚀条件下的磨损行为，特别关注了在存在和不存在空化诱导器（cavitation inducer）的情况下，不同Ni–Cr合金涂层的性能差异。通过20小时的测试，每隔5小时进行一次磨损量测量，研究人员观察到了不同材料在不同条件下的磨损趋势。测试中使用的侵蚀介质是含10%硅砂（600 μm）的自来水，这种配置模拟了工业中常见的高强度侵蚀环境。研究结果表明，空化诱导器的存在对磨损性能具有显著影响，部分样品在较短时间内表现出磨损量的增加，而其他样品则随着时间推移，磨损量趋于稳定或减少。

在没有空化诱导器的测试条件下，原始不锈钢（AR）样品表现出最差的耐磨性，20小时后磨损量达到56 mg。相比之下，50Ni50Cr合金在20小时后仅磨损29 mg，显示出最佳的耐磨性，表明其镍和铬的平衡比例能够有效提升材料的抗侵蚀能力。40Ni60Cr和20Ni80Cr样品的磨损量分别达到43 mg和46 mg，虽然它们的耐磨性优于原始不锈钢，但远不如50Ni50Cr。这说明，单纯增加镍含量并不能显著提高材料的抗侵蚀性能，相反，合理的Ni–Cr比例是提升耐磨性的关键因素。

当引入空化诱导器后，磨损行为表现出更复杂的特征。AR样品在20小时后的磨损量从56 mg降低至48 mg，表明空化诱导器在一定程度上减缓了其磨损速度。20Ni80Cr样品的磨损量也略有减少，从46 mg降至44 mg，显示出空化诱导器对其磨损的轻微抑制作用。然而，40Ni60Cr样品的磨损量几乎不受影响，从43 mg变为42 mg，说明其抗空化侵蚀能力较强。最值得注意的是，50Ni50Cr样品在存在空化诱导器的情况下，其磨损量从29 mg增加至34 mg，尽管其耐磨性仍然优于其他材料，但空化效应对其磨损产生了一定的促进作用。

通过对比不同材料在有无空化诱导器条件下的磨损数据，可以发现空化诱导器对磨损的影响并非单一，而是因材料成分和测试时间的不同而有所变化。例如，在5小时时，40Ni60Cr样品的磨损量出现了显著的跃升，达到44.44%的增幅，这表明其在初期阶段对空化效应较为敏感。然而，随着时间的推移，这种影响逐渐减弱，甚至出现负增长。相比之下，AR和20Ni80Cr样品在较短时间内磨损量增加，但随后出现减少，这可能与材料表面的自我修复机制或侵蚀过程的稳定化有关。

研究还结合了X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析，进一步揭示了不同材料在侵蚀过程中的微观结构变化。XRD结果表明，50Ni50Cr样品的涂层主要由镍、铬和保留的奥氏体组成，这些相的协同作用有助于提升其抗侵蚀能力。而SEM图像则显示了磨损表面的微观形貌，包括裂纹、颗粒嵌入、层状剥落等特征，这些形貌变化为理解磨损机制提供了直观依据。尽管所有样品的磨损表面都表现出类似的损伤特征，但50Ni50Cr样品的磨损速率明显较低，表明其在微观结构上具有更强的稳定性。

研究结果表明，材料的组成和结构对侵蚀行为具有决定性影响。50Ni50Cr合金因其良好的镍和铬平衡，能够有效抑制侵蚀过程中的裂纹扩展和表面疲劳，从而表现出最佳的耐磨性。相比之下，原始不锈钢和20Ni80Cr合金由于其较高的脆性或较低的硬度，更容易受到侵蚀作用的影响。此外，空化诱导器的引入虽然对某些材料产生了保护作用，但对50Ni50Cr合金的影响相对较小，这表明其在复杂侵蚀条件下仍具有较高的稳定性。

研究还强调了机械冲击在侵蚀机制中的关键作用。在存在空化诱导器的情况下，局部应力集中可能引发裂纹萌生和扩展，进而导致材料剥落。然而，50Ni50Cr合金由于其优异的韧性，能够更好地吸收和分散这些冲击能量，从而降低整体磨损量。这一特性使其在需要长期耐受侵蚀的工业应用中具有显著优势。同时，研究还指出，优化涂层设计、调整合金成分比例以及采用先进的诊断技术（如数字图像分析）对于提升材料在侵蚀环境中的表现至关重要。

总体而言，本研究揭示了HVOF喷涂不锈钢涂层在泥浆侵蚀条件下的性能差异，并强调了空化诱导器对磨损行为的复杂影响。通过系统分析不同Ni–Cr合金在存在和不存在空化诱导器条件下的磨损趋势，研究人员为工业界提供了有价值的指导，特别是在需要兼顾短期和长期耐久性的应用场景中。此外，研究还指出，未来的材料设计和工艺优化应更加关注合金成分的平衡、涂层结构的稳定性以及空化效应的控制，以进一步提升材料在极端环境下的服役性能。这些发现不仅有助于理解侵蚀和空化之间的相互作用，也为开发更高效、更耐用的表面工程解决方案提供了理论支持和实践方向。