微颗粒对超声空蚀影响的试验研究

陈海舰, 刘峰斌*, 郭诒大, 周 刚, 豆照良, 张韶华, 司丽娜, 叶 子, 杨 晔

(1.北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144;2.北京控制工程研究所 精密转动和传动机构长寿命技术北京市重点实验室, 北京 100094)

液体介质中空化气泡的溃灭会产生微射流和冲击波，对近壁面造成破坏，即空蚀现象[1].空蚀是发生在水轮机、螺旋桨和涡轮叶片等水力机械零部件中常见的破坏形式，不仅严重影响设备的正常运行，还会降低其使用寿命，造成巨大经济损失[2].

大量研究发现，空蚀受到液体介质[3]、基底材料[4-5]、温度压力[6-7]以及微颗粒[8]等诸多因素的影响.其中，由于实际水下环境中存在大量杂质，因此微颗粒对空蚀影响的研究尤其引人关注.研究人员对不同种类颗粒的形状、尺寸以及浓度对空蚀破坏的影响规律进行了大量研究，发现相比于颗粒形状，颗粒种类、尺寸和浓度对空蚀具有更大影响[9-12].研究发现尺寸和浓度对空蚀破坏影响都存在一个临界值，Chen等[11]使用超声振动空蚀装置，研究了不同粒径的CeO2对空蚀破坏程度的影响，发现粒径为500 nm时空蚀破坏程度最严重，粒径低于或高于500 nm时空蚀破坏程度均降低.Wang等[8]使用旋转圆盘空蚀试验装置研究了不同粒径CeO2对空蚀的影响，试验结果表明，临界粒径为1 μm，较小的粒径造成轻微的空蚀损伤，粒径为4 μm的微颗粒没有造成明显的空蚀损伤.Lian等[13]使用超声振动空蚀装置研究了沙颗粒的浓度和粒径对空蚀破坏的影响，发现临界尺寸为0.035～0.048 mm，当沙粒径小于这个临界尺寸且浓度大于25 kg/m3时会抑制空蚀破坏，并且沙粒径小于临界尺寸时，随着浓度的增加，空蚀破坏程度会继续减小.Hu等[12]使用超声振动空蚀装置研究了沙粒浓度对空蚀破坏的影响，临界沙浓度为3%(质量分数)，此时空蚀破坏程度最小，超过或低于此浓度，空蚀破坏程度均增大，且浓度为0.5%～5%（质量分数）时，空蚀破坏程度低于在纯水中的空蚀破坏程度.尽管不同研究得到的颗粒尺寸和浓度的临界值不同，但是均提出尺寸与浓度的耦合作用决定了临界值的大小[12-13].不同尺寸和浓度的微颗粒对空蚀破坏产生不同影响，研究者认为可以归因于悬浊液黏度变化[14]、空化和颗粒冲蚀的联合作用[15-16]以及颗粒提供的异质形核位数量的差异[17].

综上所述，学者们普遍认为微颗粒的加入对空蚀破坏程度会有显著的影响.但是，研究结果比较分散且存在很大差异.基于此，本文中使用超声振动空蚀试验装置，以45钢为基底材料，以四种不同种类悬浊液为空蚀介质，研究了微颗粒的浓度、粒径和材质对空蚀的影响，探讨了微颗粒对空蚀的影响机制.研究结果对抑制空蚀破坏和进一步应用空化具有重要的理论意义和实际价值.

1 试验部分

1.1 试验设备

试验采用自行搭建的超声振动空蚀试验装置，如图1所示.装置主要由超声发生器、磁致伸缩换能器、变幅杆、隔音箱、恒温水槽和蠕动泵组成.超声振动频率为20±0.5 kHz，振幅为24 μm，变幅杆下端的直径为20 mm.为减小温度变化对空蚀试验的影响，在恒温水槽内加入冰水混合物对烧杯进行水浴处理，使用温度探头实时监测水温，试验过程中水温保持在20±2 ℃范围内.为避免悬浮液中的微颗粒沉淀，设计了一种循环搅拌系统，该系统由1个蠕动泵组成，连接到柔性软管上，将位于容器底部的悬浮液输送到液面上表面的区域.同时，对比了有无循环搅拌系统情况下纯水介质下的空蚀，以评价水的流动对空蚀的影响.

Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic vibration cavitation experimental device (1.ultrasound generator, 2.temperature probe, 3.magnetostrictive transducer, 4.isolator, 5.variable amplitude rod, 6.sample, 7.peristaltic pump)图1 超声振动空蚀试验装置示意图(1.超声发生器，2.温度探头，3.磁致伸缩换能器，4.隔音箱，5.变幅杆，6.样品，7.蠕动泵)

1.2 试验样品

试验材料为45钢，其化学成分列于表1中.为了便于进行空蚀试验，使用线切割将材料加工成Ф10 mm×10 mm的圆柱(图2).超声空蚀试验前，依次使用240#、600#、1000#、1500#和2000#的碳化硅水磨砂纸对样品进行打磨处理，然后使用粒径为2.5 μm的金刚石抛光膏对打磨后的样品进行抛光处理，随后用无水乙醇冲洗干净，氮气吹干后保存在干燥皿中.试样使用前用无水乙醇超声清洗5 min.

表1 45钢的主要化学成分(质量分数)Table 1 The main chemical composition of 45 steel(mass fraction)

试验中采用了SiO2、Al、Al2O3和SiC四种不同材质的微颗粒，其微观形貌如图3所示.从图中可以看出三种不同粒径的SiO2及Al微颗粒均为球形，Al2O3和SiC微颗粒呈不规则多边形.使用BT-9300S激光粒度分布仪分别测量了各个微颗粒的中值粒径，标注粒径和中值粒径值列于表2中.

表2 微颗粒的标注粒径和实测粒径Table 2 The labeled and measured particle sizes of microparticles

Fig.2 45 steel sample and dimensions图2 45钢样品与尺寸

微颗粒悬浊液的配制：使用电子天平准确称量每次所需不同微颗粒的质量，加入到350 mL纯水中，先用玻璃棒搅拌均匀，然后超声分散3 min，均制备成浓度为1 g/L的悬浊液.另外，为了考察浓度对空蚀破坏的影响，对于粒径为2 μm的SiO2，除配置浓度为1 g/L的悬浊液外，还配置了0.01、0.1和 10 g/L浓度的悬浊液.

1.3 空蚀试验与表征

试验在500 mL烧杯中进行，试验时超声功率为480 W，每超声4 s，间歇4 s，总时间10 min.首先将打磨抛光好的45钢样品使用无水乙醇超声清洗5 min，而后固定在样品台中心.试验中样品与变幅杆距离为15 mm，在烧杯中加入配置好的微颗粒悬浊液，在恒温水槽内加入冰水混合物对烧杯进行水浴.试验结束后取下样品，使用无水乙醇超声清洗3 min，烘干后将样品保存在干燥皿中.每次试验后，将烧杯和样品台使用纯水超声清洗3 min，振动头使用纯水反复冲洗，以减少外界干扰.

目前普遍表征空蚀破坏程度的方法为失重法，然而对于初生期的空蚀并没有明显的质量损失，因此本文中采用采集空蚀坑数量表征空蚀破坏程度.因为空蚀坑的产生是随机的，单一照片可见范围有限，很难用单一照片的空蚀坑数量表征空蚀的破坏程度.综合考虑，选取5个空蚀坑采集区域，如图4所示，每个采集区域为长度1 mm的正方形，理论上这样采集可以反映空蚀坑在样品表面的分布规律.采用激光共聚焦显微镜对采集区域拍照，使用ImageJ软件的Analyze Particles功能对采集区内的空蚀坑数量进行统计.

2 结果与讨论

2.1 不同浓度SiO2微颗粒悬浊液对超声空蚀的影响

图5为样品在浓度分别为0.01、0.1 、1.0 和10 g/L的粒径为2 μm的SiO2悬浮液中空蚀后表面的激光共聚焦显微镜(LCSM)照片.从图5中可以看出在不同浓度悬浮液中空蚀后样品表面都出现了明显的空蚀坑，但是空蚀坑的数量和分布情况都不相同.图6为浓度为1 g/L的SiO2悬浮液条件下空蚀坑的扫描电子显微镜(SEM)照片，可以看出空蚀坑由中心坑和周围环状区域组成，这与文献[18]发现的空蚀坑结构一致.环状区域由不规则的条状纳米结构堆积而成，纳米结构是由微射流冲击样品表面破裂生成的小碎片喷发到周围，然后高温氧化自组装而形成的[19].

Fig.3 SEM micrographs of different microparticles: (a) SiO2 (0.5 μm); (b) SiO2 (2 μm); (c) SiO2 (70 μm); (d) Al (3 μm);(e) Al2O3 (3 μm); (f) SiC (3 μm)图3 不同微颗粒的SEM形貌图：(a) SiO2 (0.5 μm)；(b) SiO2 (2 μm)；(c) SiO2 (70 μm)；(d) Al (3 μm)；(e) Al2O3 (3 μm)；(f) SiC (3 μm)

Fig.4 Schematic diagram of the sample surface collection area图4 样品表面采集区示意图

图7为不同悬浊液浓度试验样品表面采集区的空蚀坑数量统计结果图，可以发现纯水进行循环流动处理后，空蚀坑的数量变化不大，从121个减少至103个.导致这一现象的原因可能有两方面：一方面，水流循环产生的流场可能会对空泡溃灭产生的微射流产生轻微分散，使微射流冲击壁面的冲击力减小；另一方面，水流循环产生的流场迫使一部分空泡远离样品表面，这些空泡溃灭产生的微射流不能到达样品表面[20].当添加不同浓度SiO2颗粒后，空蚀明显加剧，当浓度较低时(0.01 g/L)，空蚀坑的数量达到255个，远远超过在纯水中的空蚀数量，随着浓度增加，空蚀坑数量也增大.当浓度为1.0 g/L时，空蚀坑数量增大到396个，但是浓度较高时(10 g/L)，空蚀坑数量反而下降为302个，试验所得结果的变化趋势与已有研究结果一致.文献[13]中报道在介质中加入微颗粒后会改变介质的黏度，从而降低空蚀破坏程度，本文中试验结果与文献报道结果相反.实际上，研究发现只有当微颗粒浓度大于25 g/L时才会开始改变介质的黏度[13,21]，相比而言，本文中试验的微颗粒浓度最高为10 g/L，不会导致黏度的明显变化，本文中的结果可能与空泡异质成核有关.Harvay等[22]提出气核可以稳定存在于微颗粒的表面缝隙中，Arora等[23]试验发现空泡会在微颗粒表面异质形核，并且颗粒浓度的升高会增大微颗粒的数量，气核和异质形核点位的数量也随之增加，因此生成的空泡数量也随之增多，从而导致空蚀破坏加重，但当微颗粒浓度达到一定程度时，微颗粒密集，会在样品表面上产生“保护层”，阻碍空泡溃灭对样品表面的直接冲击，这样的“保护层”会随着悬浊液浓度的增加而增厚[12].另外，微颗粒还会与空泡相互吸附形成联合体，联合体受浮力作用上升，使空泡在远离样品表面处溃灭[24].也有报道中认为这可能是因为悬浊液中微颗粒质量分数的增大而导致颗粒团聚，从而减少了实际参与空蚀的微颗粒数量，空泡生成数量变少导致生成的空蚀坑数量也减小[23].空蚀过程中往往伴随着颗粒的冲蚀损伤，从而加剧材料的破坏[25]，冲蚀损伤的形态呈现犁沟状[9].本文中没有发现明显的冲蚀损伤坑，这可能是因为微颗粒因微射流撞击所获得动能有部分损失，微颗粒撞击表面的动能不足以造成

冲蚀损伤[20].另外，研究表明，微颗粒与微射流对样品表面的冲击导致样品表面硬化也是冲蚀现象不明显的原因之一[20].Chen等[9]的研究结果表明只有具有尖锐棱角的不规则微颗粒与样品碰撞才会产生冲蚀坑，球形微颗粒则不会.从图3可以看出，本文中所用微颗粒均为球形或无尖锐棱角的不规则形状.

Fig.6 SEM micrograph of cavitation pit under the condition of 1 g/L SiO2 suspension图6 浓度为1 g/L的SiO2悬浮液条件下空蚀坑形貌的SEM照片

Fig.7 Statistical graph of the number of cavitation pits in the sample surface collection area with different concentrations of SiO2 suspensions图7 不同浓度SiO2悬浊液中样品表面采集区的空蚀坑数量统计图

2.2 不同粒径SiO2微颗粒悬浊液对超声空蚀的影响

图8为不同粒径的SiO2样品表面的SEM观测照片，可以看出样品表面空蚀坑大小和数量有明显区别.悬浊液中微颗粒粒径的变化导致样品表面空蚀破坏程度变化.从图9空蚀坑统计结果来看，随着微颗粒粒径的增大，各组对应的样品表面空蚀坑数量逐渐减少，所有添加微颗粒样品的空蚀破坏程度均要比不添加微颗粒的严重.微颗粒粒径越大，对应样品的空蚀破坏程度下降，微颗粒粒径为500 nm时，空蚀破坏较为严重，空蚀坑数量达到454个，这与Chen等[11]的研究结果一致.这很可能是同等质量下微颗粒粒径不同，使微颗粒数量产生差异，从而出现由微颗粒异质形核产生的空化气泡数量改变所导致的结果.

理论上，同等质量微颗粒，粒径500 nm和2 μm的颗粒数量约为70 μm的103～104倍，那么空蚀坑的数量也应该相差巨大，可实际上，加入粒径500 nm和2 μm微颗粒的样品表面，其空蚀坑数量虽多于加入粒径70 μm的样品表面，但相差并不大.这可能是由于在表面边界层作用下，单一微颗粒和空泡都有远离材料表面的趋势，而微颗粒与空泡联合体的运动是由颗粒粒径尺寸决定的[26].500 nm、2 μm和70 μm三种粒径差值较大，500 nm和2 μm的微颗粒与空化气泡组成的联合体的运动特性主要是由空泡决定，与单一空泡的运动相似，联合体向远离材料表面的方向运动，导致生成空蚀坑数量减少.而70 μm微颗粒与空化气泡组成联合体的运动特性主要是由微颗粒决定，70 μm微颗粒质量很大，所受的重力很大，由于重力作用联合体更容易趋近材料表面，导致生成空蚀坑数量增加.

另外随着加入微颗粒粒径的增大，样品表面的空蚀坑也逐渐增大.加入70 μm微颗粒样品表面的空蚀坑直径约为20～40 μm，远大于加入500 nm和2 μm微颗粒时样品表面的空蚀坑直径(约5 μm).以往单空泡空蚀破坏研究发现，空蚀坑径的大小与空泡溃灭时空泡的直径、能量和与样品表面的距离相关，一般来说空泡直径越大所含能量越大[27-28]，所以认为在大粒径微颗粒表面异质成核形成的空泡直径可能会远大于小粒径微颗粒，从而导致微颗粒粒径越大，空泡直径越大.而大的微颗粒与空泡的联合体更容易靠近材料表面，缩减了联合体与材料表面的距离，空泡溃灭形成的空蚀坑直径更大.

Fig.8 SEM micrographs of sample surface with different particle size of SiO2 suspensions: (a) no particle; (b) 500 nm;(c) 2 μm; (d) 70 μm图8 不同粒径SiO2悬浊液中样品表面SEM照片：(a)无颗粒；(b) 500 nm；(c) 2 μm；(d) 70 μm

Fig.9 Statistical graph of the number of cavitation pits in the sample surface collection area with different concentrations of SiO2 suspensions图9 不同粒径SiO2悬浊液中样品表面采集区的空蚀坑数量统计图

2.3 不同材质对超声空蚀的影响

图10为不同材质微颗粒试验样品表面激光共聚焦显微镜照片.可以看到，加入SiO2、SiC和Al2O3微颗粒的试验组样品表面生成了许多空蚀坑，而且可以很明显地观察到空蚀坑与周围环状区域的结构存在很大区别，而加入Al微颗粒的样品表面几乎没有空蚀坑.

从图11中不同材质的微颗粒样品采集区的空蚀坑数量统计图可以看出，添加SiO2、SiC和Al2O3微颗粒的试验组样品，其表面空蚀坑数量均远超不添加微颗粒的样品表面.其中添加SiO2微颗粒的试验组样品表面空蚀破坏程度最严重，空蚀坑数量为396个，而添加SiC和Al2O3微颗粒的试验组样品表面空蚀破坏程度相差不大，空蚀坑数分别为257个和210个.进一步发现添加Al微颗粒的试验组样品表面空蚀坑数极少，在采集区内只有7个，远少于不添加微颗粒的试验组样品，因此，Al微颗粒的加入抑制了样品的空蚀破坏.

靠近样品表面的空泡与微颗粒联合体的数量决定空蚀破坏的强度差异[8]，而对影响微颗粒与空泡结合形成联合体能力的因素目前已有一些研究.微颗粒的静电作用力、氢键作用力、范德华力和短程疏水力等相互作用共同影响了微颗粒空泡联合体[29].添加SiO2、SiC和Al2O3对超声振动空蚀破坏产生促进作用的原因与上文讨论一致.本次试验中添加Al微颗粒后样品表面几乎不产生空蚀坑，Al微颗粒在超声振动空蚀试验中表现出独特的对45钢材料的空蚀抑制能力，这可能与Al颗粒本身的带电性有关.Yan等[30]认为Al微颗粒表面带负电性，不仅可以稳定吸附气核，而且由于长程静电力排斥作用使得颗粒和气泡远离45钢表面，从而达到了抑制空蚀的效果.虽然本文试验中采用的Al微颗粒是球形的，不同于Yan等[30]使用的不规则块状Al微颗粒，但是微颗粒的形貌特征对空蚀的破坏程度影响不大[9].

Fig.10 LCSM micrographs of sample surface with different materials of microparticle suspensions:(a) SiO2; (b) SiC; (c) Al2O3; (d) Al图10 不同材质微颗粒悬浊液中样品表面LCSM照片：(a) SiO2；(b) SiC；(c) Al2O3；(d) Al

Fig.11 Statistical graph of the number of cavitation pits in the sample surface collection area with different materials of microparticle suspension图11 不同材质微颗粒悬浊液中样品表面采集区的空蚀坑数量统计图

图12为加入Al微颗粒样品表面空蚀坑形貌的SEM照片，与图6相比可以看出空蚀坑周围的纳米结构并不是连续分布的，在中心坑周围和较远的地方均有1个较暗的环状区域，在此区域的纳米结构很少甚至没有，这可能与Al微颗粒抑制空蚀破坏有关.

Fig.12 SEM micrograph of cavitation pit in Al microparticle suspensions图12 Al微颗粒悬浊液中空蚀坑形貌的SEM照片

3 结论

a.空蚀破坏程度随SiO2悬浊液浓度的变化而变化，但是这种变化不是单调的线性关系.存在1个临界浓度1 g/L，此时空蚀破坏程度将会达到1个极值，小于临界浓度时，空蚀破坏随浓度的增加而增大；大于临界浓度时，空蚀破坏随浓度的增加而减弱.

b.空蚀破坏程度随粒径的增大而减弱，但空蚀坑的坑径随微颗粒粒径的增大而增大，这可能与不同粒径颗粒形成气核尺寸有关.

c.添加SiC、Al2O3和SiO2微颗粒会不同程度加剧空蚀破坏程度，然而添加Al微颗粒可以明显抑制超声空蚀破坏.