倾斜水滴冲击下表面改性的核平均取向差评估及其对材料侵蚀机制的启示

捷克科学院研究人员通过高频脉冲水射流（PWJ）模拟不同角度（90°-45°）水滴冲击AISI 316L不锈钢表面，结合SEM、粗糙度分析及核平均取向差（KAM）技术，揭示了3秒为材料去除临界阈值，并建立空间侵蚀分段模型，为涡轮叶片等工程结构抗侵蚀设计提供量化依据。

　　

在风力涡轮机叶片和蒸汽轮机等工程应用中，倾斜水滴冲击导致的材料侵蚀是影响部件寿命的关键问题。传统研究多聚焦垂直冲击场景，而实际工况中非垂直冲击更为普遍，但相关侵蚀机制尚不明确。尤其当水滴以40 kHz高频冲击表面时，从初始表面粗化到最终材料去除的动态演变过程缺乏系统性研究。

捷克科学院地质工程研究所的Jakub Poloprudsky团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表研究，创新性地采用超声脉冲水射流（PWJ）技术，通过控制冲击角度（90°、75°、60°、45°）和暴露时间（0.5-10秒），结合扫描电镜（SEM）、三维轮廓测量和电子背散射衍射（EBSD）技术，首次实现了从纳米级晶体取向变化到宏观材料去除的全尺度侵蚀过程解析。

关键技术方法包括：1）采用40 kHz高频PWJ生成可控水滴簇（单个体积2.0125 mm³，速度284.89 m/s）；2）通过无限聚焦光学系统（InfiniteFocus G5）量化表面粗糙度参数P_t；3）基于EBSD的核平均取向差（KAM）分析评估晶格畸变；4）创新性提出空间侵蚀分段模型，将损伤区域按P_t值划分为局部损伤段（>40%最大值）、过渡段（20-40%）和低损伤段（<20%）。

研究结果揭示：

1. SEM观察显示：

• 3秒为临界阈值，短于3秒仅引起表面粗化（晶界台阶和孪晶暴露），超过3秒则出现材料去除。
• 60°冲击角呈现反常效应，其侵蚀程度在1.5-3秒区间超过75°，可能与速度场分布补偿有关。

1. 轮廓测量表明：

• 90°冲击时P_t值最高达40 μm，且损伤呈半圆形局部化分布；60°冲击则表现出更均匀的粗糙度分布。
• 45°冲击因剪切主导机制，粗糙度显著降低（P_t降幅达50%）。

1. EBSD-KAM分析发现：

• 低角度晶界（LABs）密度随冲击时间增加，0.5秒暴露即可使平均KAM角从原始0.288°升至0.4°。
• 2秒暴露时60°冲击的零解区域占比达45%，显著高于90°的28%，反映其更广泛的亚表面损伤。

1. 空间分段模型验证：

• 侵蚀非均匀性源于水滴速度场分布不均，60°冲击通过角度补偿获得最优能量传递效率。
• 提出的相对边界法（40%/20% P_t阈值）可普适性应用于各侵蚀阶段量化。

该研究突破传统水滴球形冲击模型，首次从时空多尺度阐明倾斜冲击下的侵蚀演化规律。提出的分段模型为复杂构件（如涡轮叶片前缘）的寿命预测提供新范式，而发现的60°冲击反常效应为抗侵蚀表面设计开辟新思路。捷克团队开发的PWJ-EBSD联用技术体系，为后续研究多相流冲击、异种材料界面响应等工程难题建立方法论基础。