一种抗空蚀微结构表面层的制作方法

本发明涉及水利、液压、化工等工业领域，具体是涉及了一种用于抑制空蚀、减小空蚀破坏的微结构表面层，作为重要元器件的保护层。

背景技术：

液压泵、阀和水利机械等流体机械，随着现代高速、高压、大流量等需求的应用而出现空化现象。空化是指当流体局部压力低于液体汽化压力时，液体内部形成蒸汽或气体析出形成汽泡即空化泡的过程。当空化泡从低压区流经高压区时，在周围液体高压力的作用下体积缩小而溃灭，随之伴随产生压力冲击波、高速微射流和发光等现象。从而产生空化空蚀、振动、噪声和效率损失等严重后果。而空蚀是指空化泡在形成和溃灭过程中对周围壁面材料产生的剥蚀破坏。空蚀主要发生在透平机械的叶轮外侧和阀芯及液压管路流道等关键部位。关键零部件的空蚀破坏会使透平机械效率降低甚至失效。

技术实现要素：

为了减小及抑制流体器械产生的空化对器械本体产生的空蚀破坏，本发明提供了一种抗空蚀微结构表面层，可有效减小空蚀破坏、提高生产效率、延长使用寿命，并可实现节约能源等益处。

为了实现上述有效的抗空蚀过程，本发明采用的技术方案是：

所述表面层包括基底和设置在基底表面上用于抗空蚀的微凸起或者微凹槽的微结构。

在微凸起之间形成的微凹槽中或者在微凹槽本身中含有空气而形成气膜，使得微结构在固液界面之间形成一层用于抗空蚀的气膜层。

通过微结构在液体与基底之间封存一层密布的气膜层，使得液体中的空化泡与基底隔离，变固液界面为气液界面，使得空化泡溃灭时的微射流方向由朝向表面层变成背离表面层，从而可以有效的抑制和减小空蚀对零件的破坏。

所述的微凸起或者微凹槽是作为保护层，并且布置在基底上易空化表面，即将表面层置于空蚀易发生区域。

所述的易空化部位是指基底上受液体冲击的部位或者表面。所述的易空化部位也是液体通过时压力最低的部位。

所述表面层表面的微凸起的宽度d满足：10μm≤d≤150μm；所述表面层表面的微凸起的高度或者微凹槽的深度h满足：d≤h≤10d。

所述表面层表面的微凸起或者微凹槽的周期间距s满足：1.5d≤s≤5d。

本发明的上述尺寸是空化射流特殊设计，是适用于各种尺寸的基底对象，无论基底大小，上述尺寸的微结构都能适用来抗空蚀。尤其是表面微结构层密布设有拓扑形状为直径在10～150μm的微小阵列凸起，该表面微结构层经大量实验验证能使得在阵列凸起空间内封存足够量的气泡膜。

所述的基底是指航空航天设备的零部件或者水利水电设备的零部件等。具体为螺旋桨或者阀芯等。

本发明所述表面层置于流体系统中空蚀发生区域，减小、抑制空化空蚀对零件的破坏。

前述的微结构表层置于流体系统中空蚀发生区域，抑制空蚀破坏。

空化是当液体内局部压力降低时，液体内部蒸汽或气体析出形成的空泡初生、发展和溃灭的过程。空泡的形成和溃灭会导致周围液体流动形成微射流，液体的流动方向根据限制域的不同，微射流方向也会不同，在刚性壁面附近会产生朝向刚性壁面的微射流，在气液界面附近会产生远离气液界面的微射流。目前对空蚀的相关研究认为固、液界面附近的空泡溃灭时形成的微射流的高速反复冲击是造成空蚀破坏的主要原因。因此改变空化溃灭微射流方向及降低微射流速度是减小空蚀的有效手段。

本发明的微结构表面层可以在液体与结构表面之间封存一层密布的气泡膜，使得空化泡与结构隔离，变固液界面为气液界面。而这层气泡膜的存在会使空化溃灭射流速度大大降低甚至使得空化溃灭形成的射流方向由无气膜时朝向固液界面(刚性结构)方向变成有气膜时背离气液界面(刚性结构)的方向，从而可以高效地减小和抑制结构表面空蚀破坏。

采用本发明的技术方案的有益效果是：

本发明为抗空蚀技术提供了一种全新的、高效的方式，通过在空蚀发生严重区域的表面加工或镶嵌一层微结构表面层，改变空化泡溃灭微射流的方向和速度，从而抑制空蚀。

本发明的抗空蚀微结构表面层加工方便、安全、可靠，抗空蚀效果好，能大幅减小空蚀破坏、保护零部件结构表面。

附图说明

图1为本发明装置的典型圆柱微凸起结构示意图。

图2为本发明装置的典型圆锥台微凸起结构示意图。

图3为本发明装置的实施例螺旋桨的结构示意图。

图4为本发明装置的实施例液压阀芯的结构示意图。

图中：d表示微凸起的表面最大尺寸，h表示微凸起的最大深度，s表示邻近微凸起之间的距离。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和2所示，本发明表面层包括基底和设置在基底表面上用于抗空蚀的微凸起或者微凹槽的微结构，基底置于流体系统中，微结构布置在基底上受液体冲击的部位或者表面。在微凸起之间形成的微凹槽中或者在微凹槽本身中含有空气而形成气膜，使得微结构在固液界面之间形成一层用于抗空蚀的气膜层。

在制作加工过程中保证微凹槽之间的间距或者微凸起的宽度d在10μm到150μm之间，微凸起的高度或者微凹槽深度尺寸h在d到10d之间，并且保证微凸起或者微凹槽的周期间距s在1.5d到5d之间。

在安装或加工时保证抗空蚀微结构表面层置于空蚀易发生区域。并尽量避免安装在空泡初生区域。

实施例1

如图1和图3所示，表面层包括基底和设置在基底表面上的微凸起。基底1为螺旋桨，在螺旋桨的背离来流方向的最低压部位表面设有柱状的微凸起。

实施时将水流冲击并经过阀芯，经过测试发现：

微凸起不存在时，空化泡溃灭射流朝向螺旋桨表面形成空蚀。

微凸起存在时，空化泡溃灭射流背离螺旋桨的弹性表面，避免空蚀。

实施例2

如图2和图4所示，表面层包括基底和设置在基底表面上的微凹槽。基底1为阀芯，在阀芯的压力最低的部位表面设有倒三角状的微凹槽。

实施时将水流冲击并经过阀芯，经过测试发现：

微凹槽不存在时，空化泡溃灭射流朝向阀芯表面形成空蚀。

微凹槽存在时，空化泡溃灭射流背离阀芯弹性表面，避免空蚀。

由此实施可见，本发明大大降低了空化泡溃灭时微射流速度甚至改变微射流方向远离结构表面，从而有效抑制空化空蚀对材料表面的破坏。

以上所述内容，仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本专业的技术人员可以利用上述揭示的技术内容做些许的改动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种抗空蚀微结构表面层。所述表面层包括基底和设置在基底表面上用于抗空蚀的微凸起或者微凹槽的微结构，在微凸起之间形成的微凹槽中或者在微凹槽本身中含有空气而形成气膜，使得微结构在固液界面之间形成一层用于抗空蚀的气膜层；微凸起或者微凹槽是作为保护层，并且布置在基底上易空化表面。本发明大大降低了空化泡溃灭时微射流速度甚至改变微射流方向远离结构表面，从而有效抑制空化空蚀对材料表面的破坏。

技术研发人员：邹俊;李博;吉晨;杨华勇
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2017.08.09
技术公布日：2018.01.19