Антикавитационная коррозия лазерно наплавленного CoCrFeNiAlx на поверхности TC4

Защита судов от невидимого гидроудара

Современные корабли и морское оборудование постоянно сталкиваются с незаметной угрозой: крошечными пузырьками в быстро движущейся воде, которые ударяют по металлу как микроскопические молотки. Этот процесс, называемый кавитацией, может разъедать винты, насосы и части корпуса, особенно в солёной морской воде, где к механическому воздействию примешивается химическая коррозия. В этом исследовании рассматривается новый тип защитного покрытия на базе «высокоэнтропийных» сплавов и показано, как точная настройка одного компонента — алюминия — может значительно продлить срок службы судовой детали.

Почему пузыри разрушают металл

Когда вода быстро обтекает корпус или винт, в локальных зонах давление может падать настолько, что образуются паровые пузыри, которые затем схлопываются в долях миллиметра от поверхности металла. Каждое схлопывание создаёт ударную волну и высокоскоростной струйный поток воды, который бьёт по металлу со скоростями до сотен метров в секунду. В морской воде растворённые соли превращают это чисто механическое изнашивание в двойной удар: поверхность испытывает напряжение, образуются микротрещины и ямки, а солевая коррозия атакует эти ослабленные участки, благодаря чему повреждения распространяются быстрее и глубже. Даже прочные титановые сплавы, такие как TC4, широко используемые в морском оборудовании, под этим комбинированным воздействием могут покрываться шершавыми, ячеистыми поверхностями и быстро терять материал.

Новые многокомпонентные покрытия для более прочных поверхностей

Чтобы противостоять этой проблеме, исследователи разработали покрытия на базе высокоэнтропийных сплавов CoCrFeNiAlx, которые объединяют пять металлов примерно в одинаковых долях, вместо того чтобы опираться на один основной элемент, как это делает сталь. Эти покрытия наносят на TC4 методом лазерной наплавки — процессом, при котором расплавляется тонкий поверхностный слой и вводится металлический порошок, формируя плотный, прочно связанный слой толщиной около 700 микрометров. Путём постепенного увеличения содержания алюминия удаётся изменить внутреннюю структуру: от однородной, более пластичной фазы — к смеси фаз и, в конечном счёте, к более твёрдой, жёсткой фазе. Такая внутренняя «архитектура» — расположение зерен и фаз — оказалась ключевой для сопротивления и ударному, и коррозионному воздействию.

Поиск оптимума содержания алюминия

Затем команда испытала, с какой скоростью покрытые и непокрытые образцы теряют массу при интенсивной кавитации сначала в пресной воде, затем в искусственной морской воде. Также исследовали, насколько легко начинается и распространяется коррозия при помощи электрохимических методов. Выявилась явная закономерность: с увеличением содержания алюминия сопротивление кавитации и коррозии сначала улучшалось, а затем ухудшалось. Состав, обозначенный как CoCrFeNiAl0.2, продемонстрировал наилучшее комплексное поведение. По сравнению с голым TC4 в дистиллированной воде это покрытие потеряло лишь около 5% материала после 24 часов кавитации. В морской воде, где повреждения в целом были примерно в 100 раз сильнее, оптимизированное покрытие всё равно существенно превзошло титан, показывая самые мелкие ямки и наиболее ровную поверхность.

Как покрытие противостоит воздействию

Микроскопические изображения и измерения твердости объяснили, почему именно эта формулировка так эффективна. Её смешанная внутренняя структура балансирует прочность и пластичность: покрытие достаточно прочное, чтобы противостоять вдавливанию от ударов пузырей, но при этом способно незначительно деформироваться и поглощать энергию, не разрушаясь трещинами. При повторных схлопываниях пузырьков верхний слой зерен становится более мелкозернистым и плотным, что дополнительно упрочняет поверхность. Одновременно алюминий и хром в покрытии взаимодействуют с кислородом, формируя тонкую, плотно упакованную оксидную плёнку из Al₂O₃ и Cr₂O₃. Эта плёнка действует как самоформирующаяся броня, замедляя коррозию и препятствуя росту ямок и трещин. Однако при слишком высоком содержании алюминия покрытие переходит в доминирование более жёсткой фазы, теряет пластичность и уже не способно смягчать удары, вследствие чего возникают более глубокие и хрупкие повреждения.

Что это значит для судов и морского оборудования

Точная настройка всего одного элемента в многокомпонентном покрытии показывает, что возможно существенно продлить срок службы титановых деталей, работающих в агрессивной морской среде. Покрытие CoCrFeNiAl0.2 сочетает благоприятную внутреннюю структуру с защитной оксидной «кожей», ограничивая как механический износ от кавитации, так и химическую атаку солей. Для судостроителей, конструкторов турбин и инженеров морского флота это исследование указывает путь к покрытиям, которые не только выдерживают постоянные удары океана, но и замедляют скрытую коррозию, которая следует за ними. На практике это означает более безопасное оборудование, меньше ремонтов и более эффективное использование материалов и энергии в течение срока службы судна.

Цитирование: Gao, PH., Liu, J., Chen, BY. et al. Anti-cavitation corrosion of laser-cladded CoCrFeNiAl_x on TC4 surface. npj Mater Degrad 10, 46 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00758-z

Ключевые слова: кавитационная эрозия, морская коррозия, высокоэнтропийные сплавы, защитные покрытия, титановые сплавы