空泡潰滅釋放的高速高壓微射流、沖擊波和高溫等多重物理作用對材料壁面造成的空蝕問題已成為船艦推進器、航空發動機燃油泵以及水輪機組等過流部件的“癌癥”，給相關裝備安全運行帶來重大隱患，因其破壞機制極為復雜，目前仍缺少有效解決方案。其中，空泡潰滅釋放的高溫對材料表面有無明顯作用至今存在爭議，嚴重影響了空蝕機制的準確揭示及抗空蝕材料的研制。

　　近日，中國科學院蘭州化學物理研究所先進潤滑與防護材料研究發展中心研究員周惠娣團隊針對鎳鋁青銅（NAB）在海水腐蝕環境下的空蝕損壞程度較其在淡水中輕的異常現象，剖析了其中機理。 

　　研究人員發現在淡水中空蝕后的NAB表面存在大量熔蝕坑，且生成了以氧化銅（CuO）和氧化亞銅（Cu₂O）為主的氧化物顆粒，證實了空化熱對材料表面有明顯加熱作用且能造成其熔化和氧化的事實。然而，在海水中，空化熱與腐蝕因子耦合卻誘使NAB表面快速形成一層致密均勻的氧化膜，該膜可有效阻隔空化熱的熔化、介質的選擇性腐蝕及載荷的沖擊破壞，最終使其空蝕程度反而變輕。相關研究工作以Why does seawater corrosion significantly inhibit the cavitation erosion damage of nickel-aluminum bronze?為題發表在Corrosion Science上。 

　　除熔化和氧化外，研究人員還在高熵合金涂層表面首次觀察到了晶粒在空蝕過程中發生明顯熱力學生長的現象，進一步證實了空泡潰滅產生的高溫作用到此類材料表面的溫度至少在其再結晶溫度（0.68T_m，T_m為熔點）以上。基于此，該團隊提出了一種新的抗空蝕材料的設計理念，即根據熱力學和拓撲學計算結果研制出一種成分為Al₁₀Cr₂₈Co₂₈Ni₃₄的單一FCC相高熵合金涂層，賦予其較高的加工硬化能力（0.80），使其表層結構在載荷沖擊下能夠產生晶粒細化、位錯塞積和形變孿晶等力學響應行為。而在空化熱的作用下，這些結構又可以發生晶粒生長和結構弛豫等熱力學和動力學響應行為，在實現組織結構可逆回復的同時，促使兩種能量在一定程度上相互抵消，以致該涂層的空蝕損失速率僅為經典高強AlCrCoFeNi雙相高熵合金涂層的一半，展現出了較優異的耐空蝕能力。相關研究工作以Design of High-Entropy Alloy Coating for Cavitation Erosion Resistance by Different Energy-Induced Dynamic Cyclic Behaviors為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

　　上述工作得到了國家自然科學基金面上項目、中科院青年創新促進會人才項目、甘肅省隴原青年創新創業人才項目和中科院材料磨損與防護重點實驗室青年基金等的支持。 

　　論文鏈接：1、2 

圖1 NAB在不同介質中的空蝕性能及機理

圖2 Al₁₀Cr₂₈Co₂₈Ni₃₄涂層的空蝕性能和力/熱耦合空蝕機理