[发明专利]一种过流部件抗空蚀阻尼复合金属材料结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种过流部件抗空蚀阻尼复合金属材料结构及其制备方法，涉及一种新型过流部件梯度阻尼复合涂层技术，在过流部件基材上逐层熔覆梯度功能材料，每层梯度功能材料表层均采用超快激光在其表面刻蚀周期性结构以吸收部分过流部件空蚀所带来的冲击载荷能，各层涂层为梯度涂层，自下而上韧性逐层提高，硬度逐层降低。另外，在最表层采用激光冲击强化技术，在表层形成纳米孪晶，植入残余压应力，进一步提升表面抗空蚀性能。该方法可以实现毫米级强化层、外硬里韧、高阻尼系数复合涂层，在保证抗腐蚀抗脱落的同时，有效耗散了水射流所产生的冲击载荷动能。

技术领域

本发明属于新型过流部件梯度阻尼复合涂层技术，具体为一种过流部件抗空蚀阻尼复合金属材料结构及其制备方法。

背景技术

在过流部件中，空化/空蚀现象由液体汽化后产生空泡，空泡在极短的时间(μs)内溃灭，溃灭过程中所产生局部的高压高速(约200m/s)水射流以及极高的冲击压力(GPa)在极短的时间内(几微秒)重复多次(100～1000次/(s·cm²))作用于过流部件表面，在此极端工况下，材料表面往往会产生凹坑，塑性变形，应变硬化以及疲劳裂纹扩展现象，严重影响过流部件的寿命与可靠性，提升过流部件噪声。据调研统计，目前国内大型推进器的抗空蚀寿命仅为120小时，严重影响水面水下装备的使用寿命与可靠性。空化与空蚀现象是复杂的物理化学过程，其具有微观、顺势、随机、多相等特征，国内外学者对其开展了广泛而深入的研究。

目前提高金属在流体中抗空蚀性能的方法主要有三种[Sáez V,Frías-Ferrer A,Iniesta J,et al.Characterization of A 20kHz Sonoreactor.Part I:Analysis ofMechanical Effects by Classical and Numerical Methods[J].UltrasonicsSonochemistry,2005,12(1-2):59-65]：一是改进设计以减小金属表面的动压差，即降低空蚀强度；二是改变金属作用的流体环境条件，如流体的温度和腐蚀性等；三是选择抗空蚀性能较好的材料或在材料表面制备抗空蚀性能较好的保护层，在确保金属材料整体机械性能的同时，提高材料表面的抗空蚀性能来降低空蚀对零部件表面的损伤。显然，特定的结构设计和运行环境条件难以改变，因此，在不改变结构设计的前提下，通过表面改性工艺改善材料的微观组织结构，有望成为调控过流部件材料表面力学性能继而改善抗空蚀特性的有效途径。表面改性技术(Surface Modification Technique，SMT)是一种提高机械零件或材料力学性能的强化处理技术，主要包括化学热处理、表面涂层和形变强化技术等。现有的推进器表面强化技术如热处理、渗氮处理、涂层处理等，存在强化层深度浅、组织/应力不可调、晶粒粗大、易疲劳产生空蚀破坏等弊端。激光冲击强化技术(LSP)作为一种新型的表面形变强化技术，通过改变金属表面微观组织和诱导高幅表层残余压应力来抑制疲劳裂纹萌生和扩展，是延长零部件寿命最有效的方法之一。

现有推进器表面处理技术主要包括化学热处理技术、涂层强化技术与形变强化技术等。化学热处理技术是在将材料在预设温度下保持一段时间，使介质中的活性原子渗入工件表层，形成新的化合物以改善材料表面性能的热处理工艺。由于活性原子的渗入能力有限，故化学热处理后工件表面的耐磨性、硬度、抗疲劳和耐腐蚀性虽会一定程度提升，但其强化层仅为微米级别，极端工况下，空蚀的孕育期与发展期均较短。

涂层技术包括铜合金涂层、钴基金属、陶瓷涂层、镍镀层、不锈钢涂层等,主要涂装方法为热喷涂,部分涂层对空蚀现象起到了一定的影响。金云学、都春燕[都春燕.镍铝青铜合金的耐蚀性及表面处理的研究[D].江苏科技大学,2014.]采用电弧喷涂316L不锈钢涂层在镍铝青铜合金进行了表面处理，通过对涂层进行力学性能及腐蚀机理的测定，发现涂层试样的耐海水腐蚀能力和耐空蚀能力均低于铸态镍铝青铜。若采用硬度更高的陶瓷涂层，其固有的脆性导致其在空蚀孕育期容易脱落，寿命急剧降低。现阶段对于过流部件抗空蚀涂层的研究主要为单一涂层，在过流部件中尚未有梯度阻尼复合涂层的报道。

发明内容