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研究背景空蚀是指液流中不断形成、长大的空泡在固体壁面附近频频溃灭,壁面遭受巨大压力的反复冲击,从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀。空蚀严重威胁水电站、航空器、舰船安全,危害极大。近年来,我国大力发展深海探测、远洋科考、海军舰船、航空航天,开展需要在液体中特别是深海中（高静水压下）服役金属材料的抗空蚀性能的理论和实验研究对国家战略需求极其重要。空化泡溃灭时会伴随产生高温、高压、冲击波和微射流等。空蚀是空泡溃灭时产生的综合极端条件与材料相互作用的结果,空化条件的不同和材料本身性能都会对空蚀结果产生影响,目前对于多泡空蚀损伤过程及损伤机制都还没有形成统一理论。因此,对高静水压力下近固壁气泡对固壁产生损伤的宏观微观特征及其机理的研究具有非常重要价值。目的通过研究不同静水压力下近固壁空化泡对不同金属材料表面产生损伤,探讨空化强度对近固壁空化致金属材料损伤的影响,探索材料性能对近固壁空化致金属材料损伤的影响;明晰不同静水压力下近固壁空化致金属材料损伤凹坑的宏观/微观形貌和损伤机理,并反演分析不同静水压力下超声空化的相关物理机制。为建立一种评价金属材料抗空蚀性能的方法,研究适合在空化条件下的服役材料提供依据。方法1.不同静水压力下超声空化致金属材料损伤的宏观形貌研究在不同静水压力下（3 MPa、6 MPa、10 MPa）,采用电子倍增电荷耦合器件（Electron Multiplying Intensified Charge Coupled Device,emICCD）对两端开口的球形聚焦超声换能器自由场中空化泡群的声致发光进行拍摄。通过MATLAB对采集到的图片进行处理并计算出发光区域平均光强。球形聚焦超声换能器的频率为0.6 MHz、开口半径为219 mm,内径为480 mm,球台高度为400 mm。选取铜、17-4PH不锈钢和钨三种不同熔点的薄块金属材料作为基体材料（大小均为20×6×1 mm）,对其表面进行光滑处理（打磨、抛光）。通过维氏硬度测量和常温拉伸试验检测金属材料的力学性能,并借助电子背散射衍射（Electron Back-Scattered Diffraction,EBSD）技术对其晶粒大小进行分析。分别在3 MPa、6 MPa和10 MPa的静水压力条件下,将金属材料放置于球形换能器球心处进行超声作用,驱动电功率均为2000 W,持续作用时间均为1 s。超声处理后采用激光共聚焦显微镜（Confocal Laser Scanning Microscope,CLSM）对空蚀坑进行三维成像,随后分别选取坑深及损伤面积进行测量,得到相应的坑深和损伤面积。2.不同静水压力下超声空化致金属材料损伤的微观特征研究对上述超声作用获得的样品,通过场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscope,FESEM）观察金属材料表面损伤的微观形貌和结构特征;利用X射线衍射（Diffraction of X-rays,XRD）、能谱分析（Energy Dispersive Spectroscopy,EDS）对薄块金属材料表面损伤的化学成分进行分析;并采用电子背散射衍射（Electron Back-Scattered Diffraction,EBSD）对晶粒尺寸大于1 mm铜（大小10×8×1 mm）超声实验后样品中空蚀坑截面晶粒取向进行观测。通过分析不同静水压力下近固壁超声空化致金属材料损伤凹坑的微观形貌等,阐明空蚀对不同金属材料的损伤机理。结果1.不同静水压力下空化泡群发光强度在3 MPa、6 MPa、10 MPa静水压力下,球心处空化泡群随着静水压力的增加其发光范围减小,亮度增加;这表明静水压力的增加导致空化泡外侧的环境压力变大,空化阈值增加,空化泡群被压缩,泡群范围变小,10 MPa下空化泡群范围最小且最为稳定。不同静水压力下空化泡群发光强度均为由中心区域到边缘区域呈现逐渐减小的趋势,其中,静水压力10 MPa下空化泡群内发光强度差异最为明显。2.不同静水压力下超声空化致金属材料损伤的宏观形貌随着静水压力的增加Cu、17-4PH不锈钢、W三种材料空蚀坑坑深均逐渐增加,损伤面积呈现出不同的变化趋势;其中,Cu表面空蚀坑损伤面积随着静水压力的增加逐渐减小,17-4PH不锈钢和W表面空蚀坑损伤面积随着静水压力的增加逐渐增大。在相同条件下,通过对比分析得出:三种金属材料的坑深为h Cu>h 17-4PH Stainless Steel>hW,损伤面积为S Cu>S 17-4PH Stainless Steel>SW;当静水压力为3 MPa时Cu、17-4PH不锈钢表面上产生了明显的空蚀坑,W表面并没有产生明显的空蚀坑。3.不同静水压力下超声空化致金属材料损伤的微观特征及机制当静水压力为3 MPa时,铜材料空蚀坑内损伤形貌较为均匀,主要呈现为蜂窝状,表面有20μm左右的微凹坑,初步判定是由于空化产生的高温使铜产生熔化后在力的作用下形成的;当静水压力为6 MPa时,铜材料空蚀坑较3 MPa不是很均匀,坑内物质结构边缘较3 MPa更为圆滑,凹坑边缘位置的微凹坑较为明显,中心区域微凹坑数量较少;在6 MPa和10MPa静水压力下,铜材料空蚀坑出现很多熔融态的小球,小球尺寸大约为10μm-40μm左右。在3 MPa的静水压力下,17-4PH不锈钢表面仅有均匀的微小损伤;而在10 MPa静水压力下,空蚀坑中心位置凹坑深度较6 MPa静水压力增加,但其他区域形貌一致,与铜材料静水压力3 MPa下的损伤类似,但微凹坑尺寸要小于铜材料。当静水压力为3 MPa时,钨表面无明显空蚀坑,随着静水压力的增加,空蚀坑直径和深度均增加,在6 MPa和10 MPa静水压力下,空蚀坑微观形貌大致相同,均为主要沿晶界的沿晶断裂,晶界处有明显的裂缝,除沿晶断裂外还存在少量的穿晶断裂。EDS和XRD检测结果表明超声空化处理后铜、17-4PH不锈钢、钨三种材料成分及物相均没有发生变化。在3 MPa、6 MPa和10 MPa静水压力下,晶粒大小毫米级的铜材料空蚀实验后,通过EBSD观测到的超声空化均使铜材料晶粒内出现取向差,表明空蚀使材料内产生了位错,并且随着静水压力的增加而增加。静水压力为3MPa、6MPa、10MPa时,取向差分别约为4°、12°和44°。结论（1）结合金属材料晶粒大小、熔点、力学性能等认为金属材料的抗空蚀性能与材料的熔点及硬度有很高的相关性;在3 MPa、6 MPa和10 MPa的静水压力下,根据材料的熔点推断出空化泡溃灭后作用于材料表面的温度均大于1440℃。随着材料熔点的增加,温度对材料损伤的影响逐渐减小,主要表现为冲击波、微射流等力的作用,并且随着静水压力的增加,其对材料的作用也逐渐增加。（2）随着静水压力的增加,球心处空化泡群发光强度及空化强度均逐渐增加,范围逐渐减小;空蚀坑坑深随着静水压力的增加而增加,损伤面积由材料本身的性能与空化作用之间的关系所决定;空化泡群中心到边缘位置的发光强度逐渐减弱,空化时产生的温度以及冲击波、微射流等力的作用也逐渐减弱。（3）在不同的静水压力下,超声空化所产生的力均使铜材料空蚀坑中心处晶粒内原子局部不规则排列,产生位错;随着静水压力的增加,位错密度增加。但在氧容量0.8 mg/L脱气去离子水中,空化作用没有使材料形成新的物质或氧化物,也没有物相的改变。