激光熔覆CoCrFeNiAlx在TC4表面的抗空蚀腐蚀

保护船舶免受无形的水锤伤害

现代船舶和海上设备持续面临一种隐蔽威胁：快速流动的水中形成的微小气泡像显微锤一样撞击金属。该过程称为空蚀，会啃蚀推进器、泵和舱体部件，尤其在含盐海水中，化学腐蚀与机械打击并行，使破坏更严重。本研究考察了一种由“高熵”合金制成的新型保护涂层，并展示了通过精细调控一种成分——铝——如何显著延长船用部件的使用寿命。

气泡为何能损坏金属

当水在船体或螺旋桨周围高速流动时，局部压力可降至足以使蒸汽气泡瞬间形成，随后在距离金属表面只有几分之一毫米处塌缩。每次塌缩都会产生冲击波和高速水射流，冲击速度可达数百米每秒。在海水中，溶解的盐份将这种纯机械的冲击变为二重打击：表面受应力，微裂纹和凹坑形成，盐促使腐蚀集中在这些薄弱处，使损伤扩展得更快更深。即便是像TC4这样的高强度钛合金，在这种联合袭击下也会出现粗糙的蜂窝状表面并迅速失去材料。

用于更坚韧表面的多金属新涂层

为应对这一问题，研究人员开发了基于CoCrFeNiAlx高熵合金的涂层，这类合金将五种金属以近似相似的比例混合，而不是像钢那样依赖单一主要元素。他们通过激光熔覆将这些涂层沉积到TC4钛上，熔覆过程熔化一薄层表面并引入金属粉末，形成约700微米厚的致密结合层。通过逐步增加铝含量，涂层内部结构可以从单一、更有延展性的相变为相混合，最终转变为更硬、更刚性的相。这样的内部“结构构造”——晶粒和相的排列方式——被证明对抵抗冲击和腐蚀至关重要。

寻找铝含量的最佳平衡点

研究组随后测试了涂覆与未涂覆样品在强烈空蚀作用下的失重速率，分别在纯水和人工海水中进行。他们还用电化学方法探测腐蚀的起始与扩展易性。结果呈现出清晰规律：随铝含量增加，抗空蚀和抗腐蚀性能先改善后下降。标记为CoCrFeNiAl0.2的成分表现出最佳的整体性能。与蒸馏水中的裸TC4相比，该涂层在24小时空蚀后只损失约5%的材料。在总体损伤约大100倍的海水中，优化后的涂层仍远超钛基体，表现出最浅的坑洞和最平滑的表面。

涂层如何反击

显微成像和硬度测量揭示了该配方为何如此有效。其混合的内部结构在强度与塑性之间取得平衡：既足够强以抵抗气泡冲击造成的压痕，又能略微变形以吸收能量而不致开裂。在反复气泡塌缩下，表层晶粒变得更细、更致密，从而进一步硬化表面。同时，涂层中的铝和铬与氧反应生成一层薄而致密的氧化膜，主要为Al₂O₃和Cr₂O₃。该氧化膜像自形成的装甲，减缓腐蚀并阻止坑洞和裂纹扩展。然而当铝含量过高时，涂层被更刚性的相主导，失去塑性，因而不能再缓冲冲击，开始出现更深、更脆性的损伤。

这对船舶和海上设备意味着什么

通过对多金属涂层中单一元素的精细调控，作者表明可以显著延长在恶劣海水环境中工作的钛部件寿命。CoCrFeNiAl0.2涂层将有利的内部结构与保护性的氧化皮结合起来，限制了空蚀引起的机械磨损和盐分导致的化学侵蚀。对造船者、涡轮设计者和海上工程师而言，这项工作指向了不仅能承受海洋持续冲击、还能减缓随之而来的隐蔽腐蚀的涂层。就实际应用而言，这意味着设备更安全、维修更少、在船舶生命周期内材料与能量使用更高效。

引用: 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

关键词: 空蚀侵蚀, 海洋腐蚀, 高熵合金, 保护涂层, 钛合金