Page 9 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 陈天骅, 等: Inconel 718镍基超合金的空蚀行为研究 419

μm/min. 从图4(a)可以看出，整个空蚀过程明显地分为 3.0
Incone1718 superalloy
两个部分，第一阶段是空蚀孕育期阶段，第二阶段是 2.5 316L stainless steel
空蚀加速阶段. 其中，空蚀孕育期时长，作为衡量材料 2.0
抗空蚀磨损性能的重要参考指标，本文中定义其为质
量损失曲线中最大空蚀率对应切线与时间轴相交的 Surface roughness, R a /μm 1.5

截距. 在第一阶段，两种测试样品的质量损失增长均 1.0
十分缓慢，说明在该阶段并未发生如材料剥落、掉块 0.5
等较为严重且明显的质量损失现象，Inconel 718的空
0.0
蚀孕育期时长大约为320 min，316L约为170 min，大概 0 180 360 600
Cavitation erosion time/min
仅为Inconel 718的二分之一. 当进入第二阶段，两种测
Fig. 5 Surface roughness(R a ) as a function of the erosion time
试样品均表现出显著的空蚀损失质量的增加，甚至在 图 5 不同时间表面粗糙度（R a ）变化
某些时刻呈现出线性增长的趋势，特别是316L在此阶
段的空蚀质量损失较Inconel 718更为明显. 当空蚀时 0.324 μm，316 L对应增量0.849 μm，大约是Inconel
间达到最终累计时长600 min后，Inconel 718质量损失 718的2.6倍. 当空蚀时间延长至360 min，较空蚀180 min
达到9.3 mg，相比之下316L则达到了25.2 mg，大约是 相比Inconel 718增加0.474 μm达到0.923 μm；相比之
Inconel 718的2.7倍，并有继续增长的趋势. 比较样品 下316L则增长较快，增加1.322 μm达到2.303 μm. 从图5
的平均空蚀深度曲线发现，两种测试样品均展示了与 中可清楚地发现，在该区间内两种测试样品表面粗糙
上述一致的趋势特征. 因此，Inconel 718镍基超合金的 度的增幅程度均达到了各自的最高值，不过Inconel
抗空蚀磨损性能是优于316L不锈钢的. 对空蚀率曲线 718的增幅程度大概仅是316L的三分之一，说明Inconel
[图4(b)]进一步分析发现，虽然在整个过程中两种测 718表面粗糙度增长相对缓慢. 在随后空蚀时间累计
试样品的空蚀率会有起伏变化，但是316L的空蚀率始 至600 min过程中，两种测试样品的表面粗糙度增幅均
终高于Inconel 718，并且随着空蚀时间的延长两种测 有降低表现，Inconel 718增加0.366 μm，316L甚至略低
试样品之间的空蚀率差距逐渐扩大. 另外，两种测试 于Inconel 718增量为0.351 μm. 回顾整个过程，可以看
样品的空蚀率曲线在各自的孕育期阶段内，大约在空 出两种测试样品的表面粗糙度变化最显著的阶段均
蚀30~40 min时间范围内，均呈现先升后降的态势，初 是在第二阶段. 虽有研究表明材料表面抗空蚀性能与
[14]
步判断在此期间材料内部结构可能发生了变化，研究 材料硬度有一定关系，但并未得到共识 . 因此本文
[13]
认为 ，在空蚀磨损初期即没有明显质量损失的时 中设想表面粗糙度的变化也从另一方面衡量了材料
期，材料表面在空泡溃灭产生的冲击作用下会出现加 在抵抗塑性变形、裂纹扩展以及材料剥落等方面的能力.
工硬化现象，这也是导致空蚀率在这一时期出现波动 2.3 空蚀机理
的可能原因之一. 2.3.1 空蚀表面组织结构演变
2.2.2 表面粗糙度分析 在1 mm狭缝系统下对测试样品进行高分辨X射
图5所示为Inconel 718镍基超合金与316L不锈钢 线衍射物相分析得到图6图谱，图6(a)的衍射结果表
空蚀表面粗糙度演变规律. 从图5中可以看出，两种测 明，Inconel 718在空蚀前基体组织为奥氏体且包含一
试样品的表面粗糙度数值均随空蚀时间的延长呈上 些金属间化合物，如AlNi 、Ni Fe. 随着空蚀时间的延
3
3
升的变化趋势. Inconel 718在经历600 min空蚀测试后 长，主峰强度呈现出先增强后减弱的变化，谱峰形状
粗糙度从空蚀前的0.125 μm增至1.289 μm，增加了 基本保持不变且未发生偏移等变动. 在整个空蚀过程
1.164 μm，316L在该过程中则从最初的0.132 μm增至 中无新峰形成，说明Inconel 718在整个空蚀阶段并未
2.654 μm，增加了2.522 μm，增幅程度大约是Inconel 发生相变等组织结构演变. 316L则有不同的表现，主
718的2.1倍. 在整个空蚀过程中，Inconel 718的表面粗 峰强度随空蚀的进行逐渐减弱，谱峰形状与位置均发
糙度数值始终小于316L，说明Inconel 718在空蚀过程 生变化，并检测出在衍射角(2θ)接近45°的位置存在新
中表面变化程度相对平缓. 不仅如此，两种测试样品 的衍射峰，表明空蚀过程中有新相形成，初步判断认
在相同时间节点区间内的增幅也有较大差异，在空蚀 为样品在空蚀过程中因连续不断地空泡溃灭产生的
[15]
至180 min后，Inconel 718的表面粗糙度对应增量仅为 压力冲击作用下诱导形成新相 . 根据布拉格衍射公