气蚀

学科 | 自然科学 | 物理学 | 与流体金属表面上发生的腐蚀

气蚀(cavitation;cavitationerosion)又称穴蚀。气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤,通常发生在水泵零件、 水轮机 叶片和船舶螺旋桨等表面。流体在高速流动和压力变化条件下,与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。常发生在如 离心泵 叶片叶端的高速减压区,在此形成空穴,空穴在高压区被压破并产生冲击压力,破坏金属表面上的保护膜,而使腐蚀速度加快。气蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点,然后逐渐扩大成洞穴。

现象

运动物体受到空化冲击后表面出现的变形和材料剥蚀现象,又称剥蚀或空蚀。空蚀是流体动力学、材料学和物理化学的复杂现象。空蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤,通常发生在水泵零件、水轮机叶片和船舶螺旋桨等表面。

1902年,最先在英国驱逐舰“Cobra”号螺旋桨上发现空蚀。接着在水工建筑物和水力机械上也看到同样的现象。当时认为桨叶材料的剥落是海水腐蚀造成的,但是试验证明在燕馏水中运动的物体也会出现类似的剥蚀,因而确认这种现象仅是机械力冲击的结果。据分析,上述两种因素都起作用。在空化过程中,空泡急速产生、扩张,又急速溃灭,在液体中形成激波或高速微射流。金属材料受到冲击后,表面晶体结构被扭曲,出现 化学不稳定性 ,使邻近晶粒具有不同的电势。物体表面局部点上材料剥落后,出现的新的纯净金属和周围旧金属之间构成一对电极而产生腐蚀电流,从而加速电化学腐蚀过程。剥蚀区域中材料的机械性能显着恶化,从而导致空蚀量激烈增加。因为空泡在溃灭过程中能形成电离层,所以施加适当的外磁场就能控制空蚀程度。

简介

当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸汽压力时,将在固体表面附近形成气泡。另外,溶解在液体中的气体也可能析出而形成气泡。随后,当气泡流动到液体压力超过气泡压力的地方时,气泡便溃灭,在溃灭瞬时产生极大的冲击力和高温。固体表面经受这种冲击力的多次反复作用,材料发生疲劳脱落,使表面出现小凹坑,进而发展成海绵状。严重的其实可在表面形成大片的凹坑,深度可达20mm。空蚀的程度以空蚀强度来衡量。空蚀强度常用单位时间内材料的减重、减容、穿孔数和表面粗糙度变化作为特征量。

空蚀过程分为几个阶段:最初只有材料表面的变形或少量减重,形成空蚀潜伏区,然后单位时间的减重突然增大,形成空蚀加速区,过些时间后,单位时同的减重慢慢减小,形成空蚀减速区;最后,单位时间的减重基本不变,形成空蚀稳定区。因为液体和材料的性质不同,上述各个阶段中的变化也有差异。

空蚀是空化的后果,但并非所有空化都造成材料的损坏,只有不稳定的空化,如不定常流动中出现的空化或封闭空泡的尾端,才会引起空蚀。因此,空蚀往往出现在物体的局部区域。空蚀的机理与材料受固体微粒或 液滴 冲击而损坏是不同的。为消除和减轻空蚀损坏,运动部件应在尽可能稳定的条件下运转。消极的办法是在可能发生空蚀的部位涂上或包上弹性强的材料,或注入气体以吸收空泡溃灭所辐射的能量,也可用化学防腐方法来减轻空蚀过程的腐蚀作用。

气蚀机理

由于气蚀涉及流动动力学条件、机械冲击、过流部件材料种类与成分以及材料表面与液体的电化学交互作用等诸多方面,其损伤机理相当复杂,对于不同的材料、不同的实验条件,往往得到不同的结论。存在以下几种气蚀损伤机理。

冲击波机制

由于液体内局部压力的变化引起蒸汽泡的形成、生长及溃灭,导致气蚀的产生。当液体内的静压力下降到低于同一温度下液体的蒸汽压时。在液体内就会形成大量的气泡,而气泡群到达较高压力的位置时。气泡就会溃灭,气泡的溃灭使气泡内所储存的势能转变成较小体积内流体的动能,使流体内形成流体冲击波。这种冲击波传递给流体中的过流部件时,会使过流部件表面产生应力脉冲和脉冲式的局部塑性变形,甚至产生加工硬化。流体冲击波的反复作用使过流部件表面出现气蚀坑。

微射流机制

由于液体中压力的降低而产生大量的气泡,气泡在过流部件边壁附近或与边壁接触的情况下,由于气泡上下壁角边界的不对称性,在溃灭时,气泡的上下壁面的溃灭速度不同。远离壁面的气泡壁将较早地破灭,而最靠近材料表面的气泡壁将较迟地破裂,于是形成向壁的微射流。此微射流在极短的时间内就完成对材料表面的定向冲击,所产生的应力相当于“水锤”作用。

热效应机制

气泡溃灭时产生很高的温度,这一高温作用到过流部件表面,使材料表层发生相变或产生其他现象,影响气蚀过程。磨蚀过程中气蚀区出现大量金属球状物的事实支持现行的热作用理论,气泡溃灭时产生的温度,在过流部件表面达到材料熔点,使其熔化,在表面张力作用下凝固成球状物,在气蚀坑内涡旋水流的推动下旋转研磨成光滑 球体 [hi。气蚀试验时常常见到发光现象,是溃灭气泡中的水蒸汽或其他气体达到高温所致[1z]。

化学腐蚀机制

当气泡在高压区被压缩时,要放出热量,同时,由于水锤压力对材料表面冲击也会产生局部高温,在这种高速和高压作用下,可能产生材料的局部氧化。在气泡溃灭冲击作用下,氧化膜反复产生和消失,进一步加剧了气蚀。不锈钢的抗气蚀性优于碳钢和其他合金钢支持了化学腐蚀机制。在进行转盘清水气蚀实验时,不锈钢试样表面出现彩虹带,其温度可达573K],进一步证明了气蚀过程中的化学作用。

电化学机制

气蚀过程中,由于局部高温在金属中形成 热电偶 ,形成微电池,引起金属的电化学腐蚀。采用电火花放电装置产生气泡,采用电化学技术检测气泡溃灭作用于金属表面引起的电极电位变化表明,气蚀过程中,金属表面存在着气蚀区和非气蚀区的电偶作用,形成电化学电偶电池,加强汽泡溃灭对金属局部的力学破坏作用。由于气泡溃灭所形成的剧烈的力学作用使得合金的局部表面产生塑性变形,甚至表面膜受损,露出新鲜无膜的金属表面,在金属表面形成腐蚀电偶作用,同时,腐蚀点的形成造成局部应力集中,加强气泡溃灭对金属局部的力学破坏作用。

其他观点

Chert等人提出了一种新观点,认为气蚀是在气泡形成过程中产生,而气泡溃灭时不产生气蚀。据报道,采用高速摄影技术观察气泡形成过程.通过分析气泡产生的数量(3×107个/(cmZ·s))和真正对材料表面产生气蚀破坏的气泡数量(1/30000)及气蚀冲击间隔(100min)推断,过流部件表面金属材料的破坏主要是由于一种强大猛烈的冲击渡,而不是由金属材料疲劳破坏造成。总之,在大量涉及到气蚀作用下材料损伤特性的文献中,关于气蚀的损伤机理众说纷纭,莫衷一是,有时甚至相互矛盾。在研究和对比不同材料的气蚀机理时,应特别关注实验所采用的方法,因为对不同的气蚀实验方法得到的气蚀损伤机理往往并不相同,并且气蚀实验尤其是超声振动实验与实际流体中产生的气蚀条件存在较大差距。

减少气蚀的有效措施是防止气泡的产生。首先应使在液体中运动的表面具有流线形,避免在局部地方出现涡流,因为涡流区压力低,容易产生气泡。此外,应当减少液体中的含气量和液体流动中的扰动,也将限制气泡的形成。

选择适当的材料能够提高抗气蚀能力。通常强度和韧性高的金属材料具有较好的抗气蚀性能,提高材料的抗腐蚀性也将减少气蚀破坏。

气蚀危害

1、产生振动和噪声。气泡溃灭时,液体质点互相撞击,同时也撞击金属表面,产生各种频率的噪声,严重时可听见泵内有“劈啪”的爆炸声,同时引起机组振动。

2、降低泵的性能。汽蚀产生了大量的气泡,堵塞了流道,破坏了泵内液体的连续流动,使泵的流量、扬程和效率明显下降。

3、破坏过流部件。因机械剥蚀和电化学腐蚀的作用,使金属材料发生破坏,通常受汽蚀破坏的部位多在叶轮出口附近和排液室进口附近。汽蚀初期,表现为金属表面出现麻点,继而表面呈现海绵状、沟槽状、蜂窝状、鱼鳞状等痕迹;严重时可造成叶片或前后盖板穿孔、甚至叶轮破裂,酿成严重事故。

损伤形貌

气蚀表面形貌的研究大多基于 SEM 观察。许多研究者的研究结果表明气蚀表面产生严重的塑性变形,流体的微射流冲击使材料表面产生气蚀针孔,随后在针孔壁处萌生裂纹,裂纹以疲劳方式向 内部扩展 ,最后趋于平行表面方向扩展,当几个裂纹相连按时造成表层小块剥落,上述过程反复进行,使表层材料不断剥落。气蚀微观表面凹凸不平,布满气蚀坑及裂纹,宏观呈海绵状形貌,有时产生针孔和麻点等。气蚀坑边沿形成坑唇,坑唇是气蚀的主要特征,此现象支持现行的机械作用理论,即气蚀破坏来自汽泡溃灭时产生的冲击渡和微射流的冲击作用。空化严重时,材料表面晶粒破碎脱落。 扫描电镜 下有时可观察到 疲劳辉纹 ,由此,气蚀被认为是一种疲劳破坏,而疲劳辉纹是疲劳断裂的重要特征。Kocaflda及Vaidya等观察到A1的气蚀中产生的气蚀小坑底部出现了条纹,与疲劳辉纹相似。对气蚀表面和表面剥离粒子的SEM观察和粗糙度的测量,发现气蚀表面特性与疲劳断裂特性相似。在气蚀过程中,局部塑性变形条纹影响裂纹的形成及扩展,引起材料表面松弛和粒子剥离,当裂纹扩展到一定深度时,通常沿垂直和平行于表面的方向进行,这意味着孕育期已完成,以后发生材料重量的减小。气蚀仅是造成材料损伤的许多因素之一,同时还观察到由服役载荷和腐蚀造成的材料疲劳。裂纹沿晶界萌生、扩展和连接而导致晶粒剥落是气蚀的一种重要失效模式。

气蚀过程

用磁致伸缩气蚀仪进行的气蚀试验表明.气蚀失重率一时间曲线大致分成四个阶段

(1)气蚀的起始阶段,即孕育期(Incubationperiod):在此阶段,材料没有损失或损失很少,表面产生了少量的塑性变形[m,z0]。在大多数气蚀条件下均可以观察到这一阶段。孕育期的长短依赖于材料的性能和气蚀的强度。

(2)气蚀上升期(Accumulationperiod):在这一阶段,随着气蚀暴露时问的延长,材料失重迅速增加,即在孕育期之后材料开始吸收越来越多的冲击能量,导致表面加工硬化和冲击加强,使得材料失重率迅速增加,这一时期主要受材料的加工硬化机制控制。在这一阶段,气蚀坑遍布整个表面。

(3)稳定期(Stationaryperiod):即气蚀率 恒定期 ,可观察到气蚀率保持一个恒定的值,这一时期与与材料表面的均匀冲击加工硬化有关,气蚀率达到最大值,导致曲线上出现峰值。对于不同的材料,这一时期有长有短。

(4)下降期(Attenuationperiod):在稳定期之后,气蚀率开始下降。在下降期,气蚀速率迅速下降或出现波动,气蚀率的降低与靠近粗糙表面的汽泡溃灭压力的减小、气体进入充满流体的蚀坑造成的缓冲作用及气蚀区气体在液体中的扩散有关。这一时期的初始特征是在测试材料表面形成了孤立的深坑。对于不同的材料,气蚀各个时期的长短是不同的,就是同一种材料,采用相同的加工方法,若采用不同的实验方法,得到的结果也不尽相同,可以预见,延长材料的孕育期,就可提高材料的抗气蚀寿命,因此如何延长材料的气蚀孕育期,一直是气蚀研究的重点内容。当然,这几个阶段在抗气蚀中的角色和重要性还有待于深入研究。在已有的研究成果中,人们试图将这几个阶段与材料的特质与性能相联系。随着人们对气蚀过程认识的不断深入,气蚀各阶段与材料的性能之间、与气蚀微观形貌之间的关系会更加明晰,这又会促进人们对气蚀机理的研究。 .

实验方法

关于气蚀的实验研究,除采用已列入国家标准的超声气蚀实验外,根据不同的流体条件,还采用 文丘里管 、旋转圆盘仪等进行。较常用的气蚀实验方法主要有以下几种:

(1)磁致伸缩振动气蚀法

超声波伸缩振动气蚀法的基本原理是利用具有 趋磁性 的传感器或者 压电传感器 在交变电流作用下能够伸长或变短的特性.使置于换能器端部的试样在液体中产生高频振动,导致试样表面产生气泡,气泡溃灭时使试样发生气蚀。该方法的优点是材料气蚀速度快,效果显着,在气蚀机理的研究方面具有很大的应用价值,可以利用此方法进行抗气蚀材料的初步筛选。

(2)文丘里管型气蚀实验法

又称为缩放型气蚀法。其实验原理是:当液体流经文丘里管道时,流速在喉部达到一定程度,在该处所产生的低压可使流经该处的液体空化,形成固定型空穴。在固定型空穴内表面上附着的游移型气泡将在其尾部溃灭,如在固定型空穴尾部放置材料试样,则试件表面由于游移型空泡溃灭而发生气蚀破坏。由于这种方法中的液体流动情况与实际管道中水流的流态比较接近,因此,常用来研究管道材料的气蚀机理和测定材料的抗气蚀性。

(3)旋转圆盘气蚀实验法

该法的实验原理是;在转盘上距轴心不同距离处有贯穿转盘厚度的小孔或嵌在转盘上的凸体,当转盘在试验流体内高速旋转时,在小孔或凸体后将产生尾流空化,其中游移型气泡将在尾流末端沿盘面溃灭,嵌入盘面气泡溃灭处的试样表面将产生气蚀损伤。这种方法的特点是其所产生的空化状态为具有强大破坏力的旋涡型空化,类似于在水轮机、水泵或闸门槽中产生的流态。它的气蚀能力高于文丘里管型气蚀法,其缺点为设备中的水流流态要比文丘里管型气蚀设备或磁致伸缩仪复杂,且试验周期长。对比上述不同的气蚀实验方法,不难发现:对于不同的气蚀方法,因为所采用的时间和空问特征不同其结果是很难相互比较的。文丘里管、转盘仪实验(水力学实验)与振动实验相比,气蚀率较低。

引用来源

中文名
气蚀
外文名
cavitation;cavitation erosion
特征
先在表面形成小麻点后扩大成洞穴
危害
产生振动和噪声,降低机械性能
现象
固体与液体相对运动产生表面损伤
别名
空蚀 穴蚀
释义
与流体接触的金属表面上发生腐蚀