通过高速激光定向能量沉积技术开发用于液压机械修复的NiTi–NiAl青铜功能梯度抗空化涂层工艺

《Materials Chemistry and Physics》：Process Development of a NiTi–NiAl Bronze Functionally Graded Cavitation-Resistant Coating via High-Speed Laser-Directed Energy Deposition for Hydraulic Machinery Repair

　　

Jiaxuan Li|Yao Kong|Herong Ma|Fulai Liu|Simin Liu|Lei Chen|Zongde Liu

中国北京102206，华北电力大学，教育部能源传递与电站系统重点实验室

摘要

为解决水力机械部件因空化作用而产生的严重损伤问题及修复需求，本研究采用高速激光定向能量沉积技术制备了NiTi–NiAl青铜复合涂层，以起到抗空化保护与修复作用。通过氧含量、微观力学性能及残余应力等多指标评估，分析了加工参数对涂层性能的影响。利用EPMA和TEM技术研究了复合涂层界面处的元素互扩散现象。此外，结合CFD模拟与空化射流侵蚀实验，掌握了空化流场中空洞萌生与溃灭的瞬态演变过程，揭示了NiTi合金涂层的空化侵蚀损伤机制。研究结果表明，优化后的涂层具有较低的孔隙率和氧含量，同时具备出色的微观变形抗力和弹性恢复能力。界面处显著的元素互扩散进一步增强了金属间的结合强度。此外，NiTi合金涂层中富含Ni₄Ti₃的析出物能够阻碍位错运动，抑制塑性变形，从而提升涂层的强度和抗变形能力，使其具有优异的空化侵蚀抵抗性能。最后，该复合涂层被成功应用于佩尔顿水轮机中受损叶片的修复，证明了其在水力机械修复及空化防护方面的应用可行性和工程潜力。

引言

在高速水流条件下长期运行的水力机械极易遭受严重的空化损伤。流体动力学冲击与高频气泡溃灭产生的局部高能脉冲载荷共同作用，不仅会引发流道壁材料的疲劳断裂，还会导致流场中压力脉动的持续积累[1]。这样一来，不仅会产生强烈的噪音和机械共振，还会威胁到设备的安全稳定运行[2]、[3]。图1a展示了弗朗西斯水轮机转轮使用后的表面损伤形态。可见，转轮叶片吸力面的下层区域存在由空化作用引起的海绵状密集点蚀。这是因为吸力面作为非工作面，当流体绕流至此区域时会发生局部流速加快，从而导致压力显著下降，进而引发频繁的气泡萌生与溃灭，最终造成严重的空化损伤。相比之下，压力面直接承受着含悬浮物的高速流体的冲击和冲刷，其表面会出现由侵蚀磨损和颗粒磨蚀形成的明显沟槽和凹坑。图1b展示了某水电站佩尔顿水轮机叶片在不同使用阶段表面的损伤演变情况。大约经过三个月的运行后，叶片就已经失去了原本优化的流体动力学形状。在含悬浮物的流体的作用下，锥形尖端区域出现了细微的同心圆状波纹，同时还分布着局部浅凹坑。随着使用时间的延长，局部区域的凹坑变得越来越大、越来越深，原有的波纹特征也逐渐被破坏和叠加，最终形成沿径向分布的深沟。叶片的尖端以及迎流面上出现了大面积的开裂，导致大量材料损失，丧失了正常的运行功能。

目前，已经有多种抗空化材料和保护技术被开发出来。常见的方法包括用环氧-碳化硅砂浆对浸湿部件进行涂层处理[4]、[5]，使用具有良好抗空化性能的金属焊接材料进行表面硬化处理和修复[6]、[7]，以及通过热喷涂技术沉积硬质合金涂层[8]、[9]、[10]。虽然这些传统方法能为流道部件提供初步的保护，但其在实际工程中的应用却暴露出诸多局限性。例如，环氧磨料涂层与金属基体的界面结合强度较低，且抗空化性能有限，因此只能用于那些容易受到严重沉积物侵蚀的区域。表面硬化处理往往会导致较大的热影响区，从而改变基体材料的原有力学性能。此外，表面硬化层本身的耐久性较差，仅适用于短期修复。而热喷涂涂层通常具有较高的孔隙率且抗疲劳性能不佳，无法在标准工况下提供稳定的长期空化防护。综上所述，这些缺陷都影响了设备的长期可靠性，因此迫切需要开发出新型、高耐久性的保护材料与工艺。

弹性材料能够有效吸收高速流体和空化气泡溃灭过程中传递到部件表面的能量，从而显著提升抗空化性能。聚氨酯弹性体和超高分子量聚乙烯具有优异的室温超弹性，已被证明能够提供有效的空化防护作用[11]、[12]。然而，非金属材料通常强度较低，且无法与金属基体形成金属间结合（典型的界面结合强度仅为约20 MPa），这限制了它们在工程中的应用范围。近原子比的NiTi形状记忆合金在其奥氏体相中具有出色的耐腐蚀性、优异的超弹性以及较强的低周疲劳抗力[13]、[14]。这些特性使得它可以通过独特的应力诱导马氏体转变过程来吸收冲击能量[15]。通过采用适当的表面改性技术，可以将超弹性的NiTi合金（NTC）抗空化涂层应用于成本较低的流道部件的关键易损区域[16]，比如由Q235钢制成的水泵叶轮和小型水轮机。这类钢材虽然价格低廉、易于加工，但抗空化性能较差。

激光定向能量沉积技术可以通过在激光照射下熔化并快速固化合金粉末，将高性能涂层沉积在形状复杂的工件表面[17]、[18]、[19]。由此形成的涂层具有致密的微观结构、极小的热影响区，以及与基体之间牢固的金属间结合。因此，与传统表面防护方法相比，激光定向能量沉积技术具有明显的优势，为制备更优质的抗空化涂层提供了更大的应用前景[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。不过，由于钛元素具有较高的化学活性，它会与空气中的氧气以及基体中的金属元素发生反应，生成有害的氧化物和金属间化合物。这不仅会降低NiTi合金的性能，还会增加界面应力，同时在熔池内部更容易出现元素偏聚现象，从而形成与理想成分不同的相。因此，在低成本的高铁素体含量钢材等不同材质的表面上制备出低孔隙率、结合牢固且性能优异的超弹性NiTi合金，仍然是激光定向能量沉积技术应用中需要克服的技术难题[25]。

在前期研究中，通过对多种潜在的中间层材料进行了广泛筛选[3]，发现NiAl青铜形状记忆合金是一种有效的中间层材料。它既与钢材也有良好的相容性，又能减少铁元素的稀释效应，且在超高速激光熔覆过程中具有更好的成形性，因此能够有效解决制造过程中的难题，促进NTC与钢基体之间的金属间结合。为此，首先采用了超高速激光定向能量沉积技术（线扫描速度超过10 m/min [26]），在Q235钢基体上沉积了厚度约为100 μm的NAB中间层。随后，在该中间层上又沉积了总厚度约为1 mm的双层NTC涂层[27]。研究人员系统地分析了所得复合涂层的表面和界面微观结构，并通过计算流体动力学模拟以及自制的空化射流侵蚀测试平台，评估了NTC层的空化侵蚀抵抗性能及损伤机制。最后，将该复合涂层应用于佩尔顿水轮机中受损叶片的修复，验证了其在工程修复领域的应用可行性。本研究旨在为不同材质复合涂层的制备以及用于空化防护和水力机械修复的超弹性NiTi涂层的发展提供理论依据，同时也展示了局部高速激光定向能量沉积修复技术在延长高价值水力部件使用寿命方面的经济性与规模化优势。

章节节选

材料与激光定向沉积工艺

本研究中所用的NTC和NAB合金的原料为球形预合金化粉末，这些粉末是通过气体雾化法制备的，购自山东航燕新材料有限公司。虽然NTC粉末与我们之前研究所使用的批次相同[27]，但本研究特意选择了粒径范围为140–325目的较粗颗粒，预计这样能得到不同的相组成。作为基体材料，我们选择了市售的Q235低碳钢，

复合涂层的综合评估

图2b展示了NTC涂层的宏观形态以及无损检测结果。研究过程中使用了DPT8型高精度（0.5 μm）红色渗透剂（停留时间为5分钟）和白色显像剂，以此来显示试样表面宏观缺陷的分布情况[37]。在低扫描速度和高激光功率的条件下（NTC2和NTC3），涂层内部的热应力会不断积累，从而导致微裂纹的产生频率增加。因此，NTC2和NTC3涂层出现了整层剥落的情况

结论

综上所述，本研究通过高速激光定向能量沉积技术制备出了超弹性的NTC–NAB功能梯度复合涂层。在高能激光的照射下，薄的NAB中间层起到了有效的过渡桥梁作用，促进了Q235钢与NTC之间的牢固结合。在所有测试的加工条件中，以1500 W的激光功率和15 cm/s的扫描速度制备的涂层表现出最优异的综合性能。此外，还搭建了一种能够稳定开展

作者贡献说明

Simin Liu：可视化处理、软件应用。Fulai Liu：可视化处理、软件应用。Herong Ma：可视化处理、软件应用。Yao Kong：论文撰写——审稿与编辑、研究方法设计、实验研究。Jiaxuan Li：论文撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构思。Zongde Liu：论文撰写——审稿与编辑、结果验证、项目监督、研究方法设计、概念构思。Lei Chen：资源提供、研究方法设计

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者们衷心感谢陈林教授允许他们使用SEM显微镜进行实验。