周惠娣研究员空蚀力/热耦合损坏机制研究获新进展

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空泡溃灭释放的高速高压微射流、冲击波和高温等多重物理作用对材料壁面造成的空蚀问题已成为船舰推进器、航空发动机燃油泵以及水轮机组等过流部件的“癌症”，给相关装备安全运行带来重大隐患，因其破坏机制极为复杂，目前仍缺少有效解决方案。其中，空泡溃灭释放的高温对材料表面有无明显作用至今存在争议，严重影响了空蚀机制的准确揭示及抗空蚀材料的研制。
　　近日，中国科学院兰州化学物理研究所先进润滑与防护材料研究发展中心周惠娣研究员课题组针对镍铝青铜（NAB）在海水腐蚀环境下的空蚀损坏程度较其在淡水中轻的异常现象，剖析了其相关机理。
　　研究人员发现在淡水中空蚀后的NAB表面存在大量熔蚀坑，且生成了以氧化铜（CuO）和氧化亚铜（Cu2O）为主的氧化物颗粒，证实了空化热对材料表面有明显加热作用且能造成其熔化和氧化的事实。然而，在海水中，空化热与腐蚀因子耦合却诱使NAB表面快速形成一层致密均匀的氧化膜，该膜可有效阻隔空化热的熔化、介质的选择性腐蚀及载荷的冲击破坏，最终使其空蚀程度反而变轻。
　　该研究工作以“Why does seawater corrosion significantly inhibit the cavitation erosion damage of nickel-aluminum bronze?” 为题发表在Corrosion Science上(https://www.sciencedirect.com/sc ... 22006187?via%3Dihub)。兰州化物所马俊凯助理工程师为论文第一作者，兰州化物所侯国梁副研究员、西北师范大学段文山教授为通讯作者。

图1 NAB在不同介质中的空蚀性能及机理

　　除熔化和氧化外，研究人员还在高熵合金涂层表面首次观察到了晶粒在空蚀过程中发生明显热力学生长的现象，进一步证实了空泡溃灭产生的高温作用到此类材料表面的温度至少在其再结晶温度（0.68Tm，Tm为熔点）以上。基于此，该团队提出了一种新的抗空蚀材料的设计理念，即根据热力学和拓扑学计算结果研制出一种成分为Al10Cr28Co28Ni34的单一FCC相高熵合金涂层，赋予其较高的加工硬化能力（0.80），使其表层结构在载荷冲击下能够产生晶粒细化、位错塞积和形变孪晶等力学响应行为。而在空化热的作用下，这些结构又可以发生晶粒生长和结构弛豫等热力学和动力学响应行为，在实现组织结构可逆回复的同时，促使两种能量在一定程度上相互抵消，以致该涂层的空蚀损失速率仅为经典高强AlCrCoFeNi双相高熵合金涂层的一半，展现出了较优异的耐空蚀能力。
　　该研究工作以“Design of High-Entropy Alloy Coating for Cavitation Erosion Resistance by Different Energy-Induced Dynamic Cyclic Behaviors”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c19210）上。兰州化物所硕士生曹昊博为论文第一作者，侯国梁副研究员、安宇龙研究员为通讯作者。

图2 Al10Cr28Co28Ni34涂层的空蚀性能和力/热耦合空蚀机理

　　以上工作得到了国家自然科学基金面上项目、中科院青年创新促进会人才项目、甘肃省陇原青年创新创业人才项目和中科院材料磨损与防护重点实验室青年基金等的支持。
       文章来源：兰州化物所
       周惠娣，女，1965年出生。河北昌黎人。2000年10月加入民盟。研究员，硕士生导师。曾任民盟中科院兰州分院委员会副主委、主委，民盟甘肃省委第十一届委员会委员、十二届委员会常务委员，政协甘肃省第九、十届委员会委员，全国妇联第九届和甘肃省妇联第十一届执委、民盟第十届中央委员会委员。现任中国科学院兰州化学物理研究所磨损与表面工程课题组组长，兼任中国机械工程学会表面工程分会委员。1985年7月兰州大学物理系毕业，获理学学士学位。1988年6月获兰州大学物理系理学硕士学位。同年进入中国科学院兰州化学物理研究所，历任研究实习员、助理研究员、副研究员和研究员。一直从事摩擦学新材料应用和应用基础方面的工作，获国家发明1等奖1项、甘肃省科技进步1等奖1项、中国科学院科技进步2等奖2项、军队科技进步2等奖1项；发表文章90余篇、申请国家发明专利20多件；获全国首届新世纪“巾帼优秀发明者”、“甘肃省优秀女科技工作者”、“甘肃省优秀专家”称号及中组部和中科院联合颁发的“‘西部之光’优秀学者”称号。