水轮机基材与涂层的空蚀损伤机理及防护性能研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Cavitation erosion characteristics and mechanisms of hydraulic turbine substrates and their coatings

本研究针对水轮机在变负荷工况下面临的空蚀破坏难题，系统开展了S135不锈钢及其四种涂层（HVOF-WC10Co4Cr、HVOF-Cr3C237WC18、HVAF-WC10Co4Cr、激光熔覆涂层）的空蚀失效机理研究。通过超声空蚀试验发现，激光熔覆涂层表现出最优异的抗空蚀性能，其质量损失仅为基材的0.34倍，揭示了涂层微观结构而非硬度主导抗空蚀性能的关键规律，为水轮机长效防护涂层的设计与选型提供了重要理论依据。

　　

随着可再生能源占比的持续提升，水电站需要频繁进行调峰运行，这使得水轮机不得不更多地在非设计工况和低负荷条件下工作。在这种运行状态下，流道中的空化数降低，气泡的生成和溃灭变得更加频繁，作用于转轮表面和防护涂层的声学载荷和流体动力载荷显著加剧。空蚀破坏已成为水轮机叶片、导叶等过流部件的主要失效形式，严重影响了水电机组的运行效率和检修周期。

为了解决这一工程难题，西安理工大学旱区生态水文与水安全国家重点实验室的吴鹏波、孙帅辉等研究人员，在《Ultrasonics Sonochemistry》期刊上发表了一项关于水轮机基材与涂层空蚀特性的重要研究。该工作系统比较了S135不锈钢基材与四种典型防护涂层（高速氧燃料喷涂WC10Co4Cr、高速氧燃料喷涂Cr₃C₂37WC18、高速空气燃料喷涂WC10Co4Cr、激光熔覆涂层）的抗空蚀性能，并深入揭示了其损伤机理。

为开展本研究，团队主要采用了超声空蚀实验系统，在20 kHz频率和60 μm振幅条件下对标准试样进行加速空蚀测试；通过质量损失分析和三维表面形貌测量定量评价材料的抗空蚀性能；利用扫描电子显微镜观察表面和截面损伤形貌，并结合能谱分析研究元素分布；采用光学显微镜测定涂层的孔隙率等关键物理参数。

研究结果与讨论：

3.1 质量损失分析

累计质量损失从高到低排序为：HVOF-WC10Co4Cr > S135不锈钢 > HVAF-WC10Co4Cr > HVOF-Cr₃C₂37WC18 > LC涂层。值得注意的是，尽管HVOF-WC10Co4Cr涂层具有最高的显微硬度（1415.14 HV_0.3），但其抗空蚀性能却最差，这表明单一的高硬度并不能保证优良的抗空蚀性能。相反，LC涂层虽然硬度最低（338.77 HV_0.3），但表现出最佳的抗空蚀性能，其质量损失仅为基材的0.34倍。

3.2 宏观形貌分析

空蚀后所有试样中心区域均出现明显的空蚀损伤痕迹。高硬度的热喷涂涂层（HVOF-WC10Co4Cr、HVOF-Cr₃C₂37WC18、HVAF-WC10Co4Cr）表现出严重的材料剥落，而LC涂层表面出现了若干贯穿性裂纹，表明裂纹已扩展至基材。

3.3 三维表面形貌分析

LC涂层的表面粗糙度仅为基材的0.56倍，而HVOF-WC10Co4Cr涂层的表面粗糙度达到基材的5.43倍。抗空蚀性能较差的涂层在空蚀后表面粗糙度显著增加。LC涂层表面出现大型规则圆形空蚀坑，这些坑洞源于近表面的球形孔隙在气泡溃灭冲击下的薄层坍塌。

3.4 微观形貌分析

S135不锈钢的空蚀损伤表现为晶界滑移引起的块状剥落，损伤局限于浅表层。热喷涂涂层的损伤主要从预存孔隙处萌生，疲劳裂纹沿层状结构界面扩展导致剥落。HVAF-WC10Co4Cr涂层相比HVOF工艺同类涂层孔隙率降低29%，表现出显著增强的抗空蚀能力。LC涂层具有独特的层片堆叠结构，能有效限制损伤在表层发展，但工艺缺陷导致的贯穿裂纹会加速局部剥落，形成漏斗状凹坑。

研究结论与展望：

本研究通过多尺度表征揭示了水轮机基材与涂层的空蚀损伤机制。结果表明，涂层的抗空蚀性能不仅取决于硬度，更受微观结构完整性、韧性和孔隙率等因素的综合影响。LC涂层凭借其致密结构和良好韧性表现出最优性能，而热喷涂涂层的性能主要受孔隙缺陷控制。该研究为水轮机长效防护涂层的设计与工艺优化提供了重要理论指导。未来工作需要在实际水轮机运行条件下进行验证试验，建立短期超声空蚀数据与长期服役性能之间的定量关系。