超声聚能器空化腐蚀的研究进展

　　1 引言

　　在水处理、采油等领域，大功率、高能量的功率超声设备应用广泛，因其工作环境恶劣，如油田污水中含有溶解盐类、硫化物、铁等，对功率超声设备有较高的要求。功率超声设备主要由四部分组成：超声波聚能器、大功率超声波换能器、电功率发生器以及功率声源与换能器之间的匹配电路。超声波聚能器是功率超声设备的关键器件之一，主要作用是：进行位移(振幅)放大、能量会聚、作为机械阻抗变换器、作为过渡单元实现换能器与工作媒质之间隔热、在聚能器波节位置固定整个振动系统等[1]，其材料一般为不锈钢、钛合金等。工作过程中，超声波换能器施加激励信号于聚能器，使之高频振动，在液体介质中易产生更多的空化泡，空化泡瞬间破裂的同时产生强大的微射流冲击聚能器造成其表面剥蚀[2]。不同材料的聚能器由于其内部组织结构、硬度、塑性等存在差异[3]，实际工作过程中，聚能器空化腐蚀程度也各不相同。

　　2 超声空化腐蚀的研究概况

　　60年代，H.G. Flynn对声空化现象进行了初步研究，将声空化过程分为稳态空化和瞬态空化两个阶段，为进一步研究空化效应的本质奠定了理论基础[4]。与此同时，C.E.Naude 和A.T.Ellis通过高速摄影观察到：液-固相媒质中，声空化泡崩溃向固体表面喷射高速微射流的现象，揭示了空化腐蚀的主要原因[5]。Luo Jing对超声空化腐蚀的特性进行了实验研究[6]，结果显示：空化腐蚀形态是由空化泡的分布结构决定的，空化腐蚀度与空化泡的密度和空化泡的厚度有关。R.Nagarajan研究了易腐蚀的微电子元件的超声波清洗最优化方案[7]。H.C.Man研究了TC4钛合金的空化腐蚀的行为[8]。王再友[3]介绍了抗空蚀材料在应用等方面所取得的进展，提出并讨论了目前研究的某些不足之处及今后的研究方向;张小彬[9]利用超声振荡空蚀设备研究了一种大型水轮机马氏体不锈钢合金成分调整前后在蒸馏水和模拟长江水中的空蚀行为;张小彬[10]综述了国内外不锈钢抗空蚀激光表面熔覆技术的研究现状，介绍了该技术的特点、设备和抗空蚀熔覆粉末体系等。近年来，在造船、水利等领域，很多学者对抗空化腐蚀材料和处理工艺的研究做了大量的工作。超声聚能器的空化腐蚀与水轮机叶片的空化腐蚀都是由空化泡崩溃产生微射流冲击材料表面产生的，但是超声聚能器相对于水轮机叶片，工作过程中产生的空化效应更强，空化腐蚀过程更为复杂，对材料和工艺的要求也更高。

　　3 影响超声聚能器空化腐蚀的因素

　　在液体媒质中，当超声波能量足够高时，存在于液体中的微小气泡(空化泡)在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化泡急剧崩溃闭合的过程称为超声空化。空化过程中，空化泡随液流进入压力较高的区域时，失去存在的条件而突然溃灭，原空化泡周围的液体运动使局部区域的压力骤增，当液流中不断生长、膨胀的空化泡在超声聚能器附近频频溃灭，其表面会遭受巨大压力的反复冲击，从而引起聚能器表面剥蚀，称作空化腐蚀。本文从超声聚能器材料(包括不锈钢、黄铜和钛合金等)的内部微观组织结构、力学性能和聚能器辐射面的粗糙度等方面分析了造成聚能器空化腐蚀的一些因素。