摘要

構(gòu)建了噴射式空蝕實(shí)驗(yàn)裝置，開展了新型共晶高熵合金NiCoCrFeNb0.45 的抗空蝕性能測試，利用灰度共生矩陣和二值化圖像方法，開發(fā)了基于圖像智能識(shí)別的空蝕損傷新型表征方法，實(shí)現(xiàn)了空蝕分布形態(tài)的數(shù)字化分析和空蝕局部損傷的微觀評(píng)估。結(jié)果表明：NiCoCrFeNb0.45的空蝕損傷機(jī)制為空泡潰滅造成的形變坑以及加工硬化造成的疲勞裂紋；NiCoCrFeNb0.45的雙相共晶組織包含了高硬度的Laves相和高韌性的FCC相，實(shí)現(xiàn)了高硬度和高韌性的平衡，相比04Cr13Ni5Mo和45鋼具有更優(yōu)異的抗空蝕性能；利用灰度共生矩陣提取的空蝕圖像標(biāo)準(zhǔn)差、能量值和熵值等特征參數(shù)表明NiCoCrFeNb0.45空蝕損傷形態(tài)分布最為簡單，空蝕程度最輕；圖像二值化方法可獲取材料表面大規(guī)模蝕坑群的分布規(guī)律，NiCoCrFeNb0.45的空蝕率為8.1%，顯著低于另兩種材料。該研究為水力機(jī)械的空蝕損傷評(píng)估及材料防護(hù)提供了新的理論參考。

關(guān)鍵詞： 水力機(jī)械 ; 抗空蝕材料 ; 圖像識(shí)別 ; 共晶高熵合金 ; 損傷評(píng)估

本文引用格式

王凱, 李晨沛, 盧金玲, 王振江, 王維. NiCoCrFeNb0.45 共晶高熵合金在水力機(jī)械中的抗空蝕性能研究. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)[J], 2023, 43(5): 1079-1086 DOI:10.11902/1005.4537.2022.288

WANG Kai, LI Chenpei, LU Jinling, WANG Zhenjiang, WANG Wei. Cavitation Resistance of NiCoCrFeNb0.45 Eutectic High Entropy Alloy for Hydraulic Machinery. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2023, 43(5): 1079-1086 DOI:10.11902/1005.4537.2022.288

水力機(jī)械內(nèi)部流體的復(fù)雜流動(dòng)導(dǎo)致了壓力變化區(qū)的存在，使得空泡在低壓區(qū)形成，在高壓區(qū)潰滅產(chǎn)生微射流，進(jìn)而形成局部壓力沖擊波對(duì)水力機(jī)械金屬材料反復(fù)作用，最終誘發(fā)嚴(yán)重的空蝕損傷[1~4]。金屬材料的損失一方面會(huì)使葉輪失去質(zhì)量均勻性，產(chǎn)生高振幅的振動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備失效，另一方面由于流道內(nèi)部水動(dòng)力形態(tài)的改變，可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)非定常問題，造成額外的水力損失，降低水力機(jī)械的效率[5~7]。目前水力機(jī)械常用的碳鋼和不銹鋼材料抗空蝕性能較弱，因此開發(fā)新型抗空蝕材料并對(duì)其抗空蝕性能進(jìn)行表征，對(duì)于保障水力機(jī)械的長周期安全高效運(yùn)行具有重要意義。

研究[8~10]表明材料的高強(qiáng)度和良好的韌性有助于顯著降低空蝕損傷，擁有優(yōu)越抗空蝕表面性能的高熵合金逐漸引起了關(guān)注。Yeh等[11]首次提出了高熵合金的概念：與傳統(tǒng)合金采用一兩種元素作為主元素不同，高熵合金采用不少于4或5種元素作為主元素，每種元素的比例在5%~35%之間。這種類型的合金是多種元素共同作用形成的，因而表現(xiàn)出與傳統(tǒng)合金不同的特點(diǎn)。這種多主元體系中的高混合熵有助于形成熱力學(xué)穩(wěn)定的固溶體[12]，主要包括韌性較好的FCC相，或硬度較高的BCC相。這種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使高熵合金表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能，如高硬度和高斷裂韌性[13]。然而，如何平衡高熵合金的強(qiáng)度和韌性至關(guān)重要。一些FCC或BCC單相高熵合金由于只具有高強(qiáng)度或者高韌性，其抗空蝕性能并不顯著。為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的平衡，許多學(xué)者提出了共晶高熵合金，它是由高塑性相和高強(qiáng)度相共晶生長形成的具有規(guī)則片狀或棒狀微結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合材料，因此同時(shí)擁有高強(qiáng)度和良好的韌性[14~18]，可用于水力機(jī)械中抵抗空蝕和磨蝕損傷，而目前針對(duì)其抗空蝕性能的研究較為缺乏。

在抗空蝕性能表征方面，多數(shù)研究采用失重量和失重速率等指標(biāo)，或結(jié)合表面形貌進(jìn)行定性分析。然而，失重量和失重速率只是試樣整體損傷程度的平均化數(shù)值，并不能反映試樣表面不同位置的損傷程度；對(duì)損傷表面形貌的觀測多為損傷坑形貌的定性分析，而損傷坑的大小、數(shù)量和面積難以確定，因此對(duì)空蝕局部損傷的評(píng)價(jià)多為宏觀研究，難以從微觀角度來表征其局部損傷的差異。針對(duì)這一問題，將材料空蝕表征和圖像智能識(shí)別結(jié)合起來，通過對(duì)材料表面局部損傷的微觀特征進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和數(shù)字化，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論和方法，對(duì)材料空蝕形貌圖像進(jìn)行特征參數(shù)提取和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其空蝕局部損傷的分析，這對(duì)提高材料空蝕失效評(píng)估的準(zhǔn)確性和高效性具有重要意義，同時(shí)也為水力機(jī)械空蝕損傷規(guī)律的表征提出了新的思路。

本文通過空蝕實(shí)驗(yàn)裝置研究了新型共晶高熵合金NiCoCrFeNb0.45的空蝕行為，同時(shí)對(duì)另外兩種水力機(jī)械材料在相同條件下的抗空蝕性能進(jìn)行了對(duì)比?；诙祷儞Q和灰度共生矩陣的數(shù)字圖像處理方法，對(duì)掃描電鏡采集的空蝕圖像進(jìn)行特征值提取與分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水力機(jī)械金屬材料表面空蝕形貌微觀特征的智能化評(píng)估，為減緩水力機(jī)械的空蝕損傷提供了材料方面的重要參考，同時(shí)也為水力機(jī)械空蝕損傷的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

空蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由儲(chǔ)水罐、緩沖罐、隔膜泵、控制系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成，如圖1所示。在空蝕實(shí)驗(yàn)中，儲(chǔ)水罐中的水流進(jìn)入加壓隔膜泵，進(jìn)而獲得整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的水循環(huán)動(dòng)力。然而，加壓隔膜泵輸出的流量是以脈動(dòng)形式存在的，壓力不穩(wěn)定，可能會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在隔膜泵之后接入緩沖罐，使得流量壓力可以達(dá)到恒定值，將脈動(dòng)流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的高壓流。高壓流體隨后進(jìn)入錐形空化射流噴嘴，如圖2所示。將噴嘴和試件浸入液面以下，增加射流的剪切程度，同時(shí)要避免深度過深造成射流區(qū)域圍壓過大，抑制空化。射流在淹沒狀態(tài)下會(huì)形成一個(gè)高度剪切流動(dòng)區(qū)域，射流邊界存在很大的速度梯度，水的黏性力和反向壓差的作用使得射流邊界產(chǎn)生漩渦，隨著射流距離的增加，漩渦發(fā)生點(diǎn)向射流中心移動(dòng)。漩渦導(dǎo)致射流局部壓力降低，當(dāng)?shù)陀谒娘柡驼魵鈮毫r(shí)，空泡產(chǎn)生，大量空泡隨射流到達(dá)試件表面，隨后空泡潰滅產(chǎn)生的微射流和沖擊波效應(yīng)使試件表面發(fā)生空蝕。由于常用的振動(dòng)空蝕設(shè)備難以模擬水力機(jī)械的旋渦型空化流態(tài)，因此本文選用了噴嘴來產(chǎn)生類似于水力機(jī)械空化時(shí)的強(qiáng)渦流流態(tài)，可以更好地模擬水力機(jī)械的空化條件。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每種材料均進(jìn)行12 h的垂直射流空蝕。為了消除流體溫度對(duì)測試結(jié)果的影響，在儲(chǔ)水罐后方接入冷卻循環(huán)系統(tǒng)來保證流體溫度的恒定。此外，為了消除其它因素的影響，實(shí)驗(yàn)所用的流體介質(zhì)為去離子水。

圖1   噴射空蝕實(shí)驗(yàn)裝置

圖2   噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

NiCoCrFeNb0.45樣品的制備采用純度為99.95%的元素Ni、Co、Cr、Fe和Nb。將非自耗鎢極磁控電弧爐工作腔抽至真空，再通入純度為99.99%的高純Ar作為保護(hù)氣體，把上述單質(zhì)原料混合一起放入非自耗鎢極磁控電弧爐里，重復(fù)熔煉4次制得NiCoCrFeNb0.45母合金錠[19]。另外，由于水力機(jī)械中廣泛使用04Cr13Ni5Mo不銹鋼和45鋼，因此在空蝕實(shí)驗(yàn)中選取這兩種材料進(jìn)行對(duì)比。每件試樣均加工成44 mm×12 mm×6 mm的尺寸，然后用砂紙進(jìn)行打磨、拋光，直至顯微鏡下觀察表面沒有劃痕，最后放入無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗并用惰性氣體吹干。利用維氏硬度計(jì) (HMV-T2) 和力學(xué)性能測試儀 (INSTRON 3382) 測得NiCoCrFeNb0.45的硬度、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為545 HV, 1280 MPa和2321 MPa，約為04Cr13Ni5Mo和45鋼的2~4倍，展現(xiàn)了優(yōu)越的力學(xué)性能。利用掃描電鏡 (MERLIN Compact, SEM)獲得了3種材料的空蝕二維形貌。通過激光共聚焦顯微鏡 (OLYMPUS OLS4000) 掃描得到3種材料空蝕后的表面粗糙度形貌。

2 基于灰度共生矩陣和二值圖像的空蝕形貌特征識(shí)別模型

為了能夠提取和分析空蝕形貌圖像特征，首先需要將SEM采集到的空蝕形貌圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，從而將空蝕形貌圖像轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ǖ臄?shù)字矩陣形式，然后利用各種函數(shù)關(guān)系處理方法進(jìn)行圖像特征值提取，基于灰度共生矩陣和二值化圖像處理方法建立空蝕形貌特征識(shí)別模型。

空蝕圖像可定義為一個(gè)二維函數(shù)f(i，j)，其中i和j是空間位置坐標(biāo)，而任何一個(gè)空間位置坐標(biāo)(i，j)處的函數(shù)值f(i，j)代表該位置的圖像灰度值。假設(shè)原始圖像轉(zhuǎn)化為M行N列的圖像，空間位置坐標(biāo)(i，j)和函數(shù)值f(i，j)成為有限的離散數(shù)值，該圖像稱之為數(shù)字圖像。數(shù)字化的空蝕形貌圖像實(shí)質(zhì)上就是將一個(gè)二維連續(xù)函數(shù)進(jìn)行離散，近似為一個(gè)M×N的數(shù)值矩陣，表示為[20]：

在由多個(gè)像素點(diǎn)組成的圖像矩陣中，一個(gè)像素點(diǎn)稱為一個(gè)圖像單元，任意一個(gè)值f(i，j)都與空間坐標(biāo)(i，j)處的一個(gè)圖像單元(像素點(diǎn))相對(duì)應(yīng)，且f(x，y)∈[0, L-1]，L為圖像的灰度級(jí)?；叶戎翟叫。碓撎幍膿p傷越嚴(yán)重，從而可以將數(shù)字化圖像與空蝕損傷聯(lián)系起來，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字化圖像提取特征值的方法可實(shí)現(xiàn)定量識(shí)別空蝕特征及嚴(yán)重程度。

2.1 基于灰度共生矩陣的空蝕形貌特征值提取

獲得空蝕形貌圖像的數(shù)字化矩陣后，基于空蝕形貌圖像中的像素點(diǎn)與灰度值的空間分布對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以提取其統(tǒng)計(jì)特征量，如均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、能量和熵等，進(jìn)而來定量對(duì)比空蝕的嚴(yán)重或復(fù)雜程度。

對(duì)于0~255灰度級(jí)的空蝕形貌圖像來說，其灰度統(tǒng)計(jì)是一個(gè)一維的離散函數(shù)，可以通過下式進(jìn)行表示[21]：

(2)

式中，gi 表示空蝕形貌圖像f(i，j)的第i級(jí)灰度值，p(gi )表示第i級(jí)灰度值gi 出現(xiàn)的概率，ni 表示空蝕形貌圖像f(i，j)中灰度值等于gi 的像素點(diǎn)的數(shù)量，n表示空蝕形貌圖像f(i，j)中像素點(diǎn)的總數(shù)量。

空蝕形貌圖像f(i，j)的標(biāo)準(zhǔn)差σi 表示為[20]：

(3)

空蝕形貌圖像f(i，j)的能量Eenergy用于反映圖像不同區(qū)域灰度等級(jí)分布的分散性，表示為[20]：

 (4)

空蝕形貌圖像f(i，j)的熵Eentropy反映圖像內(nèi)容的隨機(jī)性，可以用來表征空蝕形貌圖像紋理的復(fù)雜程度，它可以表示為[20]：

  (5)

式中，當(dāng)Eentropy=0時(shí)，表示空蝕形貌圖像中無紋理。

2.2 基于二值圖像的大規(guī)模蝕坑群幾何分布特征提取

空蝕測試后的材料表面存在著大量幾何尺寸不同的蝕坑，一方面肉眼難以準(zhǔn)確獲取蝕坑數(shù)量，另一方面由于蝕坑形狀具有顯著的不規(guī)則性，且不同區(qū)域蝕坑形狀復(fù)雜多變，因此難以通過傳統(tǒng)的幾何方法精確地計(jì)算出試樣表面分布的不同蝕坑的面積大小。針對(duì)這一問題，可采用閾值法對(duì)空蝕圖像進(jìn)行二值化處理，提取圖像區(qū)域參數(shù)，進(jìn)而獲取不同位置處蝕坑的幾何分布特征。

對(duì)于空蝕形貌圖像，為了明確區(qū)分空蝕區(qū)域和材料基體，設(shè)定空蝕區(qū)域和材料基體區(qū)域的灰度閾值分別為Tc和Tm，將空蝕形貌圖像中(i，j)位置處圖像像素點(diǎn)的灰度值轉(zhuǎn)換為g(i，j) [20]：

其它

   (6)

通過對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理后，就可以將空蝕形貌圖像中的不同區(qū)域分離開來。圖像中像素之間關(guān)系的確定十分重要，對(duì)于某二值圖像g(x，y)，設(shè)其中某一像素點(diǎn)p在由只有0，1兩個(gè)數(shù)字所構(gòu)成的數(shù)據(jù)矩陣中的位置是(x，y)，則在點(diǎn)p的水平方向、垂直方向以及4個(gè)對(duì)角方向的相鄰像素點(diǎn)就形成了像素點(diǎn)p的8個(gè)鄰域。在識(shí)別以八鄰域約束的二值圖像時(shí)，可以分別將材料空蝕區(qū)域和基體區(qū)域設(shè)置為前景色 (白色，取值為1) 和背景色 (黑色，取值為0)。設(shè)二值圖像中某一像素點(diǎn) (x，y) 的取值為1，當(dāng)其與相鄰的水平方向、垂直方向以及對(duì)角方向上的8個(gè)像素點(diǎn)的取值都相同時(shí)，則該點(diǎn)屬于空蝕區(qū)域的內(nèi)部像素點(diǎn)；當(dāng)其只與相鄰的8個(gè)像素點(diǎn)中的1個(gè)以上取值不同時(shí)，則該點(diǎn)是屬于空蝕區(qū)域的邊界像素點(diǎn)；當(dāng)其與相鄰的8個(gè)像素點(diǎn)的取值都不相同時(shí)，則該點(diǎn)是孤立的像素點(diǎn)。同理，對(duì)于二值圖像中取值為0的基體區(qū)域的像素點(diǎn)也是以此判斷。因此，在二值圖像識(shí)別中，總像素點(diǎn)集合為A，取值為1的空蝕區(qū)域內(nèi)部像素點(diǎn)和邊界像素點(diǎn)可形成空蝕集合C={1}，孤立的像素點(diǎn)構(gòu)成集合Cs={1}，進(jìn)而可以利用集合C和集合Cs的和來表示空蝕坑的數(shù)量，集合中像素點(diǎn)的數(shù)量可表征空蝕坑面積，最終可以通過下式評(píng)估出二值圖像中的空蝕率[22]:

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 空蝕二維形貌分析

由于所有試件在開始測試前已打磨至沒有劃痕，因此試件表面空蝕后的粗糙度能夠反映出不同材料的空蝕程度，3種材料空蝕后的表面粗糙度曲線如圖3所示，橫軸代表掃描長度，縱軸代表材料表面的起伏高度。粗糙度越大，表明材料表面的空蝕坑越深，反之表明材料表面越光滑，空蝕程度更輕。NiCoCrFeNb0.45、04Cr13Ni5Mo和45鋼3種試件射流中心區(qū)域的空蝕深度分別為1.8、3.5和4.9 μm，NiCoCrFeNb0.45的粗糙度明顯小于04Cr13Ni5Mo和45鋼，這是由于NiCoCrFeNb0.45的層狀共晶組織是包含Laves相和FCC相的雙相構(gòu)成，Laves相屬于硬相，Nb的加入使其體積分?jǐn)?shù)增大，增強(qiáng)了晶格畸變，與高韌性的FCC相組成的共晶片層結(jié)構(gòu)具有較小的間隙，起到固溶強(qiáng)化的作用，這使它不僅具有較高的硬度還擁有極好的韌性，導(dǎo)致其優(yōu)越的抗空蝕能力。

圖3   3種材料的空蝕粗糙度

3種材料的空蝕二維形貌如圖4所示。3種材料表面都布滿形狀尺寸差異較大且方向各異的形變坑和疲勞裂紋。45鋼含有大量的鐵素體，空蝕坑使材料內(nèi)部的組織暴露出來，非常容易發(fā)生銹蝕，圖4c展示了45鋼表面的黃褐色銹跡以及生銹發(fā)黑的空蝕坑。NiCoCrFeNb0.45由空化現(xiàn)象造成的形變坑如圖5a所示，流體中的氣泡潰滅后產(chǎn)生的沖擊波或者形成的微射流造成了材料表面的擠壓凹陷，類似于圓形顆粒沖擊的機(jī)械作用。NiCoCrFeNb0.45的延伸率達(dá)到了27.9%，而45鋼的延伸率為16%，因此NiCoCrFeNb0.45相比45鋼具有優(yōu)良的延展性，導(dǎo)致其形變坑邊緣多呈現(xiàn)圓弧狀，而45鋼的蝕坑則具有邊角性。另一方面，氣泡的潰滅發(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)，每一次氣泡的潰滅都會(huì)對(duì)材料表面產(chǎn)生加工硬化作用，所積聚的殘余壓應(yīng)力會(huì)增加材料表層組織的硬度，同時(shí)降低其延展性。這部分組織逐漸由延性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，?jīng)過大量氣泡潰滅的反復(fù)作用，逐漸產(chǎn)生了疲勞裂紋，隨著時(shí)間的推移，小裂紋連接起來，形成較大的裂紋深溝，如圖5b所示，這種脆性裂紋與固體顆粒造成的微切削明顯不同，是一種從外向內(nèi)的金屬疲勞過程。裂縫處的表面發(fā)生脆化，而其深層組織保持著原有的延展性，當(dāng)沖擊大于表面脆化組織的極限強(qiáng)度時(shí)發(fā)生開裂，逐漸向內(nèi)部蔓延，產(chǎn)生具有一定深度的疲勞裂紋[23]。

圖4   3種材料空蝕后表面形貌

圖5   NiCoCrFeNb0.45表面的損傷特征

3.2 基于灰度共生矩陣的空蝕圖像特征值分析

圖6所示為3種材料的空蝕圖像灰度值分布圖，其中NiCoCrFeNb0.45的灰度值主要在50~220范圍，04Cr13Ni5Mo的灰度值范圍在40~230，45鋼的灰度值范圍為10~220。由于灰度值越小，表明空蝕損傷越嚴(yán)重，因此NiCoCrFeNb0.45的空蝕損傷最輕，45鋼最嚴(yán)重，這與圖3空蝕粗糙度的測試結(jié)果相吻合；另一方面，NiCoCrFeNb0.45的灰度值分布最集中，45鋼的灰度值分布最分散，反映出45鋼的表面損傷分布最復(fù)雜，而NiCoCrFeNb0.45的表面損傷分布最簡單。

圖6   試件表面的灰度值分布規(guī)律

為了進(jìn)一步定量對(duì)比材料表面空蝕損傷的嚴(yán)重程度和復(fù)雜程度，對(duì)不同材料的空蝕形貌圖像進(jìn)行基于灰度矩陣的統(tǒng)計(jì)特征值提取，具體提取結(jié)果如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)差反映了圖像像素灰度值與均值的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越大說明圖像越復(fù)雜，實(shí)際損傷程度越嚴(yán)重，試件表面的蝕坑越復(fù)雜。能量值反映了腐蝕形貌的分散性，能量值越大，形貌分布相對(duì)更均勻。熵指的是體系的混亂程度，即損傷的隨機(jī)性，數(shù)值越大代表表面損傷程度越嚴(yán)重，表面的蝕坑信息越多。3種材料中NiCoCrFeNb0.45的標(biāo)準(zhǔn)差和熵均為最小，其能量值最大，反映其損傷程度最輕，且損傷分布也最為簡單。

表1   空蝕形貌灰度特征值提取結(jié)果

從二維圖像中可以得到材料的空蝕損傷機(jī)制，若能獲得三維圖像，可以更直觀地識(shí)別材料表面空蝕損傷的嚴(yán)重程度及損傷特征。李智[24]發(fā)現(xiàn)圖像中不同位置的灰度可表征其蝕坑的深度。本文通過激光共聚焦顯微鏡激光模式的掃描可以得到材料表面最高與最低點(diǎn)的實(shí)際高度，然后將高程差數(shù)據(jù)與圖像的灰度值進(jìn)行對(duì)應(yīng)換算，圖像灰度矩陣像素點(diǎn)的位置提供x和y坐標(biāo)，灰度值經(jīng)過換算可以得到z坐標(biāo)，最終將掃描電鏡采集的二維空蝕圖像轉(zhuǎn)化成三維圖像。如圖7所示，可以看出還原后的三維形貌準(zhǔn)確地展現(xiàn)了不同材料的裂縫和蝕坑等典型空蝕形貌特征。NiCoCrFeNb0.45與04Cr13Ni5Mo表面主要為水射流中空泡破裂形成的小型形變坑和裂縫，45鋼則具有面積較大、深度更深的蝕坑。從三維形貌的色差可以輕易比較出不同材料的空蝕程度，并且還可以進(jìn)一步突顯出材料的空蝕機(jī)制的差異。NiCoCrFeNb0.45的空蝕深度最淺，整體顏色占據(jù)冷色域，表面有明顯的孤立凹坑以及較窄的裂縫，其抗空蝕性能最好。04Cr13Ni5Mo三維形貌顏色整體偏暖，代表其空蝕深度較深，表面形變凹坑更多，基本覆蓋了整個(gè)表面，小的凹坑會(huì)連片形成大型蝕坑。45鋼表面三維形貌基本占據(jù)了整個(gè)色域，其空蝕深度最深，空蝕坑面積最大，這是因?yàn)槠溲有暂^差，受到過量的沖擊，組織會(huì)發(fā)生碎裂，形成凹坑。

圖7   3種材料的三維空蝕形貌

3.3 基于二值圖像的大規(guī)模蝕坑群分布特征分析

在材料表面空蝕形貌圖像中，雖然特征區(qū)域已從材料基體顏色中徹底脫離出來，但蝕坑的輪廓形狀是不規(guī)則的，難以通過傳統(tǒng)的幾何學(xué)方法計(jì)算出區(qū)域的面積大小。而在采用基于二值圖像的空蝕形貌特征提取方法時(shí)，能夠以像素點(diǎn)數(shù)目多少衡量空蝕形貌圖像中的特征區(qū)域的面積，并可統(tǒng)計(jì)出蝕坑的數(shù)目。其計(jì)算精度與空蝕形貌圖像數(shù)字化后的數(shù)據(jù)矩陣大小有關(guān)，特征區(qū)域面積的計(jì)算精度與初始圖像的離散程度成正比，即初始圖像離散程度越高，特征區(qū)域面積的計(jì)算越精確。圖8所示為3種材料表面的蝕坑數(shù)量及對(duì)應(yīng)面積分布圖，圖中采用像素點(diǎn)數(shù)目衡量各蝕坑的面積大小，橫坐標(biāo)代表蝕坑的數(shù)量，縱坐標(biāo)代表每個(gè)蝕坑的面積?？梢钥闯?，NiCoCrFeNb0.45試樣表面蝕坑共有274個(gè)，其中最大蝕坑面積是548個(gè)像素點(diǎn)，總蝕坑面積為7285個(gè)像素點(diǎn)，空蝕率為8.1%；04Cr13Ni5Mo試樣表面蝕坑共有286個(gè)，其中最大蝕坑面積是1604個(gè)像素點(diǎn)，總蝕坑面積為9635個(gè)像素點(diǎn)，空蝕率為10.4%；45鋼試樣表面蝕坑共有271個(gè)，其中最大蝕坑面積是18231個(gè)像素點(diǎn)，總蝕坑面積為35128個(gè)像素點(diǎn)，空蝕率為39%。NiCoCrFeNb0.45的最大蝕坑面積最小，總的蝕坑面積也是最小，同時(shí)其空蝕率遠(yuǎn)低于另外兩種材料，反映其優(yōu)越的抗空蝕性能。

圖8   3種材料表面的蝕坑面積分布

4 結(jié)論

(1) NiCoCrFeNb0.45的雙相組織由硬相Laves相和軟相FCC相構(gòu)成，固溶強(qiáng)化作用使其同時(shí)具有高強(qiáng)度和高韌性，導(dǎo)致其抗空蝕能力明顯優(yōu)于04Cr13Ni5Mo和45鋼，空蝕深度低于另兩種材料2~3倍。

(2) NiCoCrFeNb0.45的空蝕損傷機(jī)制為空泡潰滅造成的圓弧狀形變坑以及由外向內(nèi)的疲勞裂紋。

(3) 空蝕圖像灰度共生矩陣提取的特征值表明NiCoCrFeNb0.45的灰度標(biāo)準(zhǔn)差和熵值均為3種材料中最小，能量值最大，體現(xiàn)其空蝕損傷形態(tài)分布最為簡單，空蝕程度最輕。

(4) 基于圖像二值化處理獲得的大規(guī)模蝕坑分布特征表明NiCoCrFeNb0.45的單個(gè)蝕坑面積最小，蝕坑數(shù)量較少，總的空蝕率最低。

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