广一水泵厂丨简析水泵材料的空蚀及其形成的机制

 在实际工业应用中，受空蚀问题困扰的各种水力机械设备大部分由金属材料制造而成，例如，船舰螺旋桨一般用选用铝青铜合金、镍铝青铜合金以及高强度的不锈钢等，水力机械泵、阀一般选用各种不锈钢等，航空液压泵一般选用铝合金和钦合金等，因而金属材料所面临的空蚀问题尤为显得严重。广一水泵厂对金属材料空蚀行为和失效机制的研究对抗空蚀材料的选择和新型抗空蚀材料的研究有着重要的意义。

虽然空蚀已经是一个经典的难题，但它仍然影响着现代船舶、水工机械、航空航天、化工、原子能及机器制造业等领域的发展。加之，空蚀问题复杂，涉及学科较多，如流体力学、机械力学、材料冶金学和电化学等方面，其破坏机理至今仍未完全清楚，也尚未建立比较完善的物理理论和数学模型。因此，国际上仍有许多有关学者对它进行研究。同时，关于水泵空蚀问题研究的国际学术会议也是每年不断，大批的研究资料也如潮水般涌现。目前，对空蚀破坏形成的机制的解释较多，有机械作用理论，化学腐蚀理论、电化学作用理论、热作用理论等。其中较为公认的是机械作用理论一一空泡溃灭应力波和微射流两种作用相制。

液体内部局部压力的起伏导致蒸汽泡的形核、生长、溃灭及回弹的过程就会导致空蚀的发生，如图1所示。当空泡溃灭瞬间，在空泡外部形成压强极大的应力波。这种冲击波传递至流体中的金属材料表面时，使得材料表面发生微小局部变形。当空泡中含有不溶于液体的气体时，空泡溃灭至最小体积后，如遇上局部压力的降低，空泡又会快速再生、回弹而产生强度极高的应力波。如此大量的空泡溃灭、再生回弹所产生流体应力波不断反复作用于广一离心泵材料表面就会形成微小的空蚀坑，最终发展形成“海绵状”表面，甚至发生穿孔。

空泡溃灭时间与初始半径和液体密度以及液体压强有关。当气泡体积越小，溃灭时间就越短;空泡溃灭时，半径变得很小，此时压强pm变得很大，且其溃灭位置也十分靠近空泡边界。当液体密度越小，溃灭时间也越短。据计算空泡溃灭压强大约为3x106倍大气压左右。假设液体可以被压缩，且不考虑液体粘性及表面张力的情况下，计算得空泡溃灭的压强大约为2200倍大气压。在前面的假设基础上，另再考虑粘性及表面张力的影响下，得到最大空泡溃灭压强为67700-58200倍大气压。

此外，已有许多研究者通过实验测得空泡溃灭的压强。广一水泵厂曾测得距离空泡溃灭10cm处压力波峰值大小约为10倍大气压，从而推算出溃灭压强约为4000倍大气压。利用物理照相机记录的方法，估计出水泵材料边界上最大冲击应力约为20000倍大气压。报道他们测到空泡溃灭压强为120000倍大气压。综上说明，空泡在溃灭的过程中将释放出巨大的压力波，而这些压强已经远远超过了一般材料的强度。这也是水泵材料表面发生空蚀破坏的主要原因之一。

与压力波作用机制一样，在微射流理论模型中，空泡的初始大小，体位置等对微射流速度起到主要的作用。此外，由于射流有一定的方向射流速度指向材料表面的空泡，才能导致空蚀现象的发生。溃灭的具性，只有空蚀现象除了应力波理论和微射流理论外，还有一些常见的交互作用机制，如空蚀一腐蚀交互机制，空蚀一磨损交互机制，空蚀一冲蚀交互机制。

在实际工业应用中，发生空蚀破坏的各种金属材料机械往往都在各种腐蚀性介质和流体中运行、工作，例如海洋中航行的船舶，其螺旋桨叶片不仅受到空蚀的困扰，还大大受到海水的腐蚀侵害。在这些腐蚀性流体中，腐蚀在空蚀过程中起到了重要的作用。

在腐蚀性流体中发生的空蚀，其与腐蚀交互作用的过程主要为:首先空泡在广一化工泵材料表面或在表面附近形成;当空泡溃灭缩小时，产生的应力波或微射流作用于材料表面最外边的保护膜，使其发生破裂，从而使金属新鲜的基体暴露在腐蚀性流体中。空蚀过程不仅可以加速腐蚀反应物和腐蚀反应产物的传质过程，提供了气、液两相并产生了大量的氧自由基和氢氧自由基，还创造了局部有利于腐蚀过程的高温高压环境;同时空蚀产生的破坏使基体发生形变，位错缺陷聚集，局部能量升高形成腐蚀微电池。这些都加速了裸露新鲜基体的腐蚀过程。当因空蚀裸露的基体由于新的氧化膜的形成使其表面粗化，从而更加容易发生空化，导致新的空泡形成和空蚀发生。同时，腐蚀过程中所产生的大量的应力集中点，促进和加速了裂纹的萌生和发展，从而使新的空泡在溃灭时，更加容易使该处氧化膜再次发生破裂剥离，新鲜基体再次被裸露出来而发生腐蚀。该过程如此反复进行，造成某一区域发生严重的空蚀破坏。由此可见，腐蚀性流体中的空蚀作用和腐蚀作用的联合破坏比这两种机制单独作用时所产生的破坏之和要大得多，空蚀作用和腐蚀作用这两种机制是互相促进的。

除了空蚀一腐蚀的交互作用外，在某些特定的环境下，空蚀还跟磨损、冲蚀发生交互作用，所产生的破坏的机制和空蚀一腐蚀交互作用类似。其破坏的程度也比某一单独机制所产生的破坏总和大得多。因而，在实际应用中，广一水泵厂考虑空蚀问题的同时，还要考虑这些因素(腐蚀、磨损、冲蚀等)的影响。

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