百微米陣列凹槽結構下17-4PH葉片鋼材料抗汽蝕特性試驗研究

關鍵詞：陣列凹槽；失重法；Logistic方程；抗汽蝕性能 中圖分類號：TK263.3；TV131. 3⁺2 DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.008

0 引言

汽蝕是一種常見在液體動力環境中的材料損傷形式[1-2]，常見于冷卻水泵、液壓系統和發動機缸套等一些過流部件中[3-7]。在這些設備運行過程中，壓力變化會導致空泡潰滅，以沖擊波和微射流的形式對周圍材料表面產生沖擊，導致部件產生損傷變形和強度破壞，引起表面出現大量蜂窩狀破損[8-10]，影響正常工作效率，嚴重時將降低部件的可靠性、縮短設備的使用壽命。因此，如何防范汽蝕對部件的破壞已成為目前過流部件設計中亟須解決的重要課題。

國內外許多學者著眼于材料本身內在特性，就如何提高抗侵蝕性能方面進行了大量研究。早在1955年，KNAPP[就提出通過研究材料本身特性來探索材料汽蝕行為，即對材料在汽蝕環境下的表現進行分析。這種方法旨在加深對材料抗汽蝕性能的理解，并為材料的設計和改進提供依據。基于此，有學者通過改善材料本身的性能和表面熔覆技術處理來提高材料在汽蝕環境下的耐久性。DA等[]通過對合金結構鋼34CrAiNi7進行表面滲氮處理，增強了其抗汽蝕性能。WANG等[13]采用激光熔覆技術在17-4PH表面制備硬質鈷基合金，以改善其抗汽蝕性能。DI等[14]在研究水蝕沖擊過程中發現，釬焊鎢鉻鈷合金中的Co基材料本身的屬性能夠增強抗水蝕性能。除此之外，研究者也開始關注不同材料和外部沖擊環境等關鍵因素對汽蝕特性的影響機制。THOMAS等[5]基于旋轉噴射試驗裝置，通過幾個典型汽蝕階段中靶面的形貌演化，探索了液滴沖蝕下銅、黃銅、低碳鋼和硅鋼等金屬及合金的汽蝕特性。

近年來的研究工作及顯微形貌觀測表明，抗沖蝕性能對材料表面結構規則程度非常敏感[16]。邸娟等[17研究了高速射流與靶材的撞擊過程，發現表面粗糙度對水蝕特性有顯著影響；KIROLS等[18]研究了12%Cr 馬氏體鋼和Ti6Al4V材料表面粗糙度對水蝕性能的影響，得到材料表面的粗糙度和不規則性是影響材料水蝕性能的主要因素。連峰等[19-20]研究了表面織構對抗空蝕特性的影響，利用激光加工技術在T4V鈦合金表面分別加工出直線和網格紋理，得出網格紋理的表面抗空蝕能力強于直線紋理的表面。趙恩蘭等[21-22]發現，三角形微織構和矩形微織構均對空蝕有很好的抑制作用，且矩形凹槽紋理表面抑制氣泡的收縮和潰滅能力強，因而具有更優異的抗汽蝕性能。這些發現為發展材料抗汽蝕工藝方法提供了新的思路。然而，凹槽陣列幾何參數是如何影響材料汽蝕潛伏期時長和汽蝕損失量的還需進一步深人研究。

17-4PH鋼是一種常見的馬氏體沉淀硬化不銹鋼[23]，其國家標準牌號是0Cr17Ni4Cu4Nb，由于具有高強度、優異的硬度和適宜的耐腐蝕性等眾多優勢[24]，被廣泛應用于冷卻水泵和液壓元件的制造。因此，本研究基于17-4PH不銹鋼靶材，在其表面加工百微米級矩形陣列凹槽結構，借助超聲波汽蝕機展開汽蝕試驗，探討不同槽寬、槽間距等凹槽關鍵幾何參數對材料各汽蝕階段響應特性的影響機制；探明表面陣列凹槽微結構的關鍵幾何參數與汽蝕質量損失之間的量化對應關系，為深人理解汽蝕機制及汽蝕防護的工程應用提供基礎數據支撐和指導。

1汽蝕試驗

采用超聲波汽蝕機對17-4PH材料的4種試驗工況開展汽蝕試驗，每隔一段時間對試樣進行清洗稱重。

1. 1 試驗設備

試驗設備包括超聲波汽蝕機、低溫恒溫冷卻槽、超聲波清洗機和精密天平。汽蝕試驗按照ASTMG32—2016標準25]開展。試驗采用智能溫控型超聲波汽蝕機，其示意圖和設備實物圖分別如圖1、圖2所示，主要包括換能器和超聲波變幅器。換能器將電能轉換成振動動能，從而帶動變幅桿振動，在液體中產生氣泡，氣泡破滅沖擊試樣表面產生汽蝕破壞。

該裝置額定功率2500W，振動頻率 20kHz ，振幅50μm ，變幅桿和變幅桿尖端與試樣之間的距離分別為 15.9.2mm 。由于在試驗過程中超聲波變幅器的振動會產生大量的熱，為了避免溫度過高影響試驗結果，采用低溫恒溫槽循環水對運行過程中的水介質進行恒溫處理，溫度為 20°C 。將試樣固定在容器底部，調整變幅桿工具頭與試驗材料的距離為 2mm ，設備開啟后就會在水槽中產生氣泡，氣泡發生潰滅后將對試樣表面造成破壞。

試驗過程中，每隔一段時間需將試樣取下，將其烘干冷卻后，用精密天平稱重，天平精度為 0.0001g 稱重均測量5次取平均值，以盡量減小測量誤差，保證試驗的可靠性。

1.2 試驗材料

試樣尺寸為 22mm×22mm×10mm ，如圖3所示。凹槽結構加工如圖4所示，其中 L 表示槽寬、W表示槽間距 ??H 表示槽深。由于激光打標機加工過程中存在高溫燒蝕，所以預設尺寸與加工實際尺寸存在誤差。在掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）下，測得3種凹槽結構的實際尺寸分別為： ①L= 160μm 、 W=200μm ： ②L=460μm 、 W=600μm ： ③L= 700μm 、 W=400μm 。并將表面未經任何處理的17-4PH基材作為試驗對照組。

2 結果與分析

2.1 失重量分析

本文試驗數據收集采用失重法，記錄各試樣在每個時間段的質量來繪制累積質量損失-時間曲線，如圖5所示，曲線橫坐標是試樣的汽蝕時長（h），縱坐標是試樣的平均累積質量損失 （mg） 。由圖5可以看出，試樣經連續 50h 汽蝕后，帶有凹槽結構的試樣的累積汽蝕質量損失均小于表面未經處理的17-4PH基材。凹槽結構中， L=160μm，W=200μm 的試樣質量損失量最多，為 31.2mg ，仍僅為未經處理的17-4PH基材的34.6% ，說明在17-4PH表面設置百微米級凹槽陣列微結構可顯著提高材料的抗汽蝕性能。與此同時，在汽蝕 50h 后， L=700μm ） W=400μm 的試樣質量損失量最少，為 10.92mg ，損失量約為未經處理基材的12.11% ，約為 L=160μm，W=200μm 的試樣的 35% ，約為 L=460μm 、 W=600μm 的試樣的 36.14% 。可知，在表面設置不同參數的凹槽結構對汽蝕的抑制作用不同，進一步優化配比合適的結構參數，會顯著提高抗汽蝕性能、減少汽蝕損傷。且凹槽結構在百微米級可高效精確地實現制備，因此有良好的工程應用價值。

在圖6所示質量損失速率圖中， L=160μm 、 W= 200μm 和 L=460μm 、 W=600μm 的試樣在 0～4h 的質量損失速率高于未經處理的17-4PH基材。這是因為表面凹槽結構的槽寬 L 較小，液體中的氣泡潰滅沖擊材料表面時，會在凹槽附近出現應力集中，所以受到的沖擊較強，導致質量損失速率大于未處理基材。且在質量損失速率峰值點處，未處理基材的質量損失速率為 的試樣質量損失速率為 14.96mg/h，L=460μm，W=600μm 的試樣質量損失速率為 3.92mg/h ，而 L=700μm，W=400μm 的試樣質量損失速率僅為 0.4mg/h ，是 L=160μm 、 W=200μm 的試樣質量損失速率的 2.67% 。可見，槽寬 L 越小，這種應力集中效果越顯著，但是隨著汽蝕的進行（ ^4h 以后），凹槽結構的優勢逐漸彌補了這種缺陷，帶有凹槽結構的試樣質量損失會小于基材。

2.2Logistic擬合分析

本研究通過收集各試樣的汽蝕失重數據，繪制以汽蝕時間與累積質量損失為坐標的17-4PH基材的汽蝕損失質量散點圖，選取表面未經處理的基材試樣結果作為對照組，使用Logistic生長曲線方程[式（1）]對4個工況質量損失數據散點圖數據點進行擬合，繪制擬合曲線，如圖7、圖8所示（點為試驗數據點，曲線為Logistic擬合曲線）。

在擬合曲線的最大斜率點處繪制切線，得到切線方程，該切線在橫坐標的截距即為名義潛伏期時長 t₁ （分割孕育期與加速期）。在擬合曲線的穩定階段繪制切線，得到其方程，該切線與最大斜率點處切線的交點即為轉捩點，橫坐標為 t₂ （分割加速期與衰減期）。通過上述數據處理方法，可將材料汽蝕過程的不同階段進行定量劃分，即 [0，t₁） 為汽蝕名義潛伏期， [t₁，t₂） 為汽蝕加速期， [t₂，+∞） 為汽蝕衰減期。

同理，采用上述方法得到 L=460μm，W=600μm 和L=700μm，W=400μm 兩種凹槽工況的擬合圖，并計算得到 t₁ 和 t₂ ，表1所示為擬合得到的各試樣潛伏期、加速期和衰減期。

2.3 顯微形貌分析

為進一步探究17-4PH基材與表面陣列凹槽結構試樣的抗汽蝕性能，選取幾個特定時刻對試樣表面形貌進行觀察，以便定性分析汽蝕形貌特征，汽蝕1h后試樣損傷形貌如圖9所示。圖9（a）中，17-4PH基材處于潛伏期階段，表面的破壞往往比較微小，在高倍顯微鏡下可見，17-4PH基材表面損傷以塑性變形和晶界附近的材料剝落為主，氣泡破滅時產生的沖擊波和微射流會無規則、不均勻地作用在表面上，導致在潛伏期呈現不規則的剝落，聚集形成了較為淺顯的解理狀形貌，并在表面出現細小的汽蝕坑。圖9（b）中， L= 160μm?W=200μm 試樣由于潛伏期為 0.79h ，此時已經在凹槽內應力集中的作用下進入加速期，L表面呈現明顯的材料剝落，出現汽蝕坑。圖9（c）中，L=460μm / W=600μm 試樣處在潛伏期與加速期過渡階段，槽寬處表面形成層狀分布解理結構，在解理匯集周圍出現裂紋，并伴隨有分布細小的汽蝕坑，破壞程度較基材嚴重。從靶材表面汽蝕損傷形貌可以看出，當凹槽的 L 設置得越小時，發生在凹槽的應力集中作用會加劇汽蝕破壞效果，因此潛伏期變短，更早進入加速期，抗汽蝕性能甚至較未處理基材差。

為進一步研究基材與凹槽試樣的抗汽蝕性能，對加速期 8h 的試樣表面進行觀察，結果如圖10所示。圖10（a）中，17-4PH基材表面剝落呈高低起伏分布，破壞程度嚴重，汽蝕坑分布數量增多。圖10（b）中， L= 160μm?W=200μm 試樣圍繞在汽蝕坑周圍表面材料剝落明顯，并伴隨汽蝕坑深度進一步擴大。圖10（c）中， L=460μm，ψ=600μm 試樣在汽蝕坑周圍聚集形成眾多河流狀花紋的結構，表面坍塌破壞進一步加劇。

隨著汽蝕時間的延長，對 30h 汽蝕后的試樣進行觀察，結果如圖11所示。圖11（a中，17-4PH基材處于衰減期，表面幾乎被完全剝離，汽蝕坑周圍坍塌聚集變大且分別向徑向和深度方向擴展，整體呈現出多孔結構。圖11（b）中， L=160μm，W=200μm 試樣處于衰減期，試樣表面形貌結構破壞嚴重，槽間距處出現斷裂。圖11（c）中， L=460μm，W=600μm 試樣同樣處于衰減期，表面材料呈現向汽蝕坑方向聚集剝落的狀態，汽蝕坑深度擴展加劇。在該階段，觀察到金屬光澤的亮斑分布在汽蝕坑周圍，這是由于在汽蝕過程中內部金屬相不斷裸露。在這個階段，材料表面粗糙不平，易形成水膜，同時存在氣體夾雜、液體夾渣等現象，使得微射流沖擊表面的破壞作用減弱，導致這一

時期的材料的質量損失速率減緩。圖11（d）中， L= 700μm?W=400μm 試樣仍處于加速期破壞階段，表面分布著塊狀的解理結構，在交會處形成裂紋，材料剝落。對于 L=700μm，W=400μm 試樣，由于 L 較大，形成的表面積較大，在凹槽槽寬表面形成的水膜保護面較大，抵抗微射流作用較強，使其抗汽蝕能力得到提高，故凹槽結構表面積越大，受汽蝕的影響越小，且初步推測抗汽蝕性能對槽寬 L 更敏感。

進一步對4種工況進行能譜儀（EnergyDispersiveSpectrometer，EDS）面掃分析，結果如表2所示。3種凹槽結構在汽蝕區域Fe的相對含量均較未處理基材高，分別為 63.9%.71.5%.71.5% ，表示凹槽結構的設置有助于維持或提高Fe的含量，從而形成抗蝕的鐵氧化物層，提高了耐汽蝕性能。并且 Cr，Ni，Mo 等抗蝕元素在汽蝕區域中相對于未處理基材有較高的相對含量，說明凹槽設置有助于維持這些抗蝕元素的相對含量，改善抗蝕性能。其中 L=700μm，W=400μm 試樣汽蝕區域的C、O含量相對較低，且C、O含量在汽蝕前、后變化較小，減緩了氧化物的形成，提高了其抗汽蝕性能。對比3種凹槽結構， ∠=700μm，W=400μm 試樣在未汽蝕區域比另外兩種凹槽結構含有的Fe、Cr元素多，且在汽蝕后變化較小，形成抗汽蝕的鐵氧化物層較多，抑制了進一步的汽蝕破壞。其中Cr是不銹鋼中常用的抗蝕元素， Mo 常用于提高合金的耐蝕性，在汽蝕之前， L=700μm，W=400μm 表面已經含有Cr、Mo元素，有助于減緩試樣的汽蝕損傷，汽蝕后相對含量依舊較高，有助于形成抗汽蝕的含 Cr，Mo 氧化物保護層，從而提高抗汽蝕性能。

3結論

基于超聲波汽蝕試驗平臺，制備3種凹槽結構試樣，分別為： ①L=160μm ） W=200μm ： 、W=600μm 、 W=400μm ，加上未經任何處理的17-4PH試樣，共4種工況進行汽蝕試驗，得到以下結論：

1）3種百微米級陣列凹槽結構在經連續汽蝕 50h 后，質量損失分別為未處理基材的 34.6%.33.52% 和12.11% ，因此在表面設置百微來級陣列凹槽結構可顯著提升材料的抗汽蝕性能

2）凹槽結構中槽寬 L 越小，在初期應力集中效果越顯著，質量損失較多，但隨著汽蝕的進行，凹槽結構逐漸表現出優異的抗汽蝕性能。

3）引入Logistic生長曲線對汽蝕累積質量損失曲線進行擬合，可定量得到材料潛伏期、加速期和衰減期等參數。

4）L=700μm，W=400μm 的試樣質量損失量為10.92mg ，是另外兩種凹槽結構的 35% 和 36.14% ，故配比合適的凹槽結構幾何參數，可進一步減輕汽蝕損傷，且在百微米級可高效精確地實現制備，因此有很好的工程應用價值。

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Abstract：Asacommonmaterialforflowcomponents，17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）martensiticstainless steelisvulnerable toseriouscavitation damage.Basedonthecorrosion inhibitionefectofarraytexture structure，thisstudyfocusedonthe cavitationcharacteristicsandinhibitionmechanismof17-4PHmaterialunderthesurfacestructureofhundred-microngroove array.Basedontheultrasoniccavitation testplatform，theexperimentaldata wereobtainedbythe weightlossmethod，andthe data points were fited byLogistic equation toobtain the nominal incubation period and other parameters.Theresults show that the surface groove target with groove spacing W and groove width L in the range of hundred-micron has a good inhibitory effectoncavitation damage.The geometric parametersof the groove array structure with the appropriateratiocan further reduce the cavitation damage of the material. The groove array target with groove width L=700μm and groove spacing W= 400μm has the longest incubation period （22.79 h） and the smallest cumulative mass loss（ （10.92mg ）after continuous cavitation for 50h ，thereby exhibiting the best cavitation resistance.This study can provide reference for practical engineering applications in preventing cavitation erosion.

Key Words： Array groove; Weight loss method; Logistic equation; Cavitation resistance performance

Correspondingauthor：DI Juan，E-mail： juandi@tyust.edu.cn

Fund：National Natural Science FoundationofChina Youth Science Fund （522o5212）; Youth Science Research Projectof Fundamental Research Programof Shanxi Province （20210302124052）;Open Fundof KeyLaboratoryof Performance EvolutionandControlforEngineeringStructures（TongjiUniversity）ofMinistryofEducation（2021KF-3）；Graduate Education Innovation Project of Taiyuan University of Science and Technology（SY2022035）

Received：2023-12-21 Revised：2024-01-17