[发明专利]一种射流空化强化轴流泵叶片表面形状记忆合金涂层的方法

说明书

本发明属于材料表面强化技术领域，涉及一种射流空化强化轴流泵叶片表面形状记忆合金涂层的方法。本发明首先将铜锌铝形状记忆合金通过激光熔覆至轴流泵叶片表面易发生空蚀的部位，而后对轴流泵叶片进行射流空化强化，通过控制射流空化的作用时间和靶距，实现表面强化但避免叶片空蚀。在本发明所述等射流空化强化工艺参数的条件下，作为涂层的铜锌铝形状记忆合金吸收大量空化泡溃灭产生的冲击应力，获得具有大量细微结构及优异形状记忆效应和超弹性的新型铜锌铝形状记忆合金涂层，实现过流部件抗空蚀能力和使用寿命的提升。

技术领域

本发明属于材料表面强化技术领域，涉及一种射流空化强化轴流泵叶片表面形状记忆合金涂层的方法。

背景技术

空化是发生在液体中的复杂相变现象。当液体内部的局部静压强低于某一压强阈值时，液体中的微小气核会长大成为肉眼可见的空化泡。当空化泡迁移到至高压区域后，由于泡壁内外侧压强不平衡，将发生溃灭。空化泡溃灭发生在固体壁面附近时，对壁面将产生瞬时冲击载荷，当壁面的同一位置反复受到空化泡溃灭产生的冲击载荷的作用，将产生强化，这有利于提高壁面的疲劳性能。然而，在产生强化后，对壁面仍然进行空化泡溃灭冲击，将会诱发空蚀，即材料自壁面剥离，壁面被破坏。壁面的材质是影响其强化和抗空蚀性能的关键因素。

铜锌铝形状记忆合金基于其热弹性马氏体相变属性具有优异的超弹性、形状记忆效应和阻尼特性。铜锌铝形状记忆合金的微观结构中蕴含有大量在外场(包括温度场和应力场)下能够可逆移动的微观界面，包括基体/马氏体界面，马氏体/马氏体界面及马氏体内的孪晶界面。这意味着，铜锌铝形状记忆合金能够通过这些微观界面的可逆移动有效地吸收空化泡溃灭释放的能量，因而呈现优良的抗空蚀性能。然而，铜锌铝形状记忆合金较高的材料成本极大地制约了其在过流部件上的大规模应用。因此，通过在过流部件表面涂装铜锌铝形状记忆合金涂层，利用其表面涂层大量可移动的微观界面对空化泡溃灭的吸能效应，可望在降低制造成本的同时，极大提高过流部件的抗空蚀能力和使用寿命。

轴流泵叶轮具有复杂的叶片几何形状，叶片呈扭曲形；轴流泵叶轮一般为开式叶轮，无前后盖板的约束，所以可以较为方便地对轴流泵叶片表面进行涂层和强化处理。运行于海洋工程、水利工程、化学工程中的轴流泵，其遭受空蚀的风险较高，尤其是泵叶片的进口部分，发生局部空蚀的可能性较大。通过涂层工艺改善轴流泵叶片的抗空蚀能力，目前已有报道。然而，目前存在的问题是：(1)涂层的实际效果并不理想；(2)涂层在叶片表面的覆盖面积大，涂层材料浪费严重。产生这两个问题的原因，一是目前应用的涂层材料并非最优；二是轴流泵叶片的空蚀发生的位置并非整个叶片。

作为一种重要的涂层制备技术，激光熔覆技术可以在不同形状的基体表面获得成分分布稳定的铜锌铝形状记忆合金涂层。然而，基于激光熔覆技术制备的铜锌铝形状记忆合金涂层尽管成分均匀可控，但是其相对粗大的微观结构(可动微观界面的含量低)及较低的屈服强度(易于塑性变形)，极大地限制了其大量可移动的微观界面的获得以及形状记忆效应和超弹性的发生。因此，细化铜锌铝形状记忆合金涂层的微观结构并通过强化手段改善其记忆效应和超弹性已经成为铜锌铝形状记忆合金涂层领域的学术研究前沿和应用研究热点。以往对于铜锌铝形状记忆合金的强化处理多采用传统热-机械处理(包括塑性变形和时效、退火等工艺)的方式，但是容易在长期的空蚀工况下失效。而本发明提到的射流空化强化技术在改善过流部件表面涂层性能方面，还未见相关报道。

发明内容

针对传统热-机械处理中存在的问题，本发明公开一种射流空化强化轴流泵叶片表面形状记忆合金涂层的方法。通过射流空化强化的方式能够有效细化铜锌铝形状记忆合金涂层的微观结构并提升涂层的屈服强度(改善形状记忆效应和超弹性)，有助于获得具有优良抗空蚀能力的新型高寿命过流部件涂层。

本发明首先将铜锌铝形状记忆合金通过激光熔覆至轴流泵叶片表面易发生空蚀的部位，而后对轴流泵叶片进行射流空化强化。射流空化产生空化泡，借助空化泡溃灭对铜锌铝形状记忆合金涂层的反复冲击，获得具有大量细微结构(主要是大量可移动的微观界面)及优异形状记忆效应和超弹性的新型铜锌铝形状记忆合金涂层，实现过流部件抗空蚀能力和使用寿命的提升。