空蚀问题常见于液体过流部件中,成为影响这些部件的使用寿命和工作效率的关键问题,造成巨大的经济损失。抗空蚀材料的研发和应用是解决部件空蚀问题最直接有效的途径。近等原子比的TiNi合金被发现具有优异的抗空蚀性能,成为抗空蚀材料研究的热点。然而,高的原材料成本及部件生产加工成本限制其广泛的应用。本文研究大气环境下在常用材料表面采用先进的表面技术制备优质抗空蚀TiNi合金防护层,为TiNi合金涂层的研制、发展和应用提供有价值的科研依据和实验支持,具有重要的现实意义。本文通过改进超音速火焰喷枪系统,获得具有低温高速焰流特性的低温超音速火焰喷涂技术(LT-HVOF)。实验分别使用TiNi预合金粉末和Ni包覆Ti粉末作为喷涂材料,采用LT-HVOF制备Ti-Ni涂层,研究喷涂粉末的沉积机制和氧化行为。采用激光重熔技术对不同基体表面预置的Ti-Ni复合涂层进行重熔合金化处理,以获得TiNi合金涂层。运用SEM, TEM、XRD、EDS、显微硬度仪、纳米压痕仪等研究分析手段来表征不同材料、不同工艺制备的TiNi涂层的微观组织结构和基本力学性能。采用超声波振动设备对不同的TiNi涂层进行空蚀试验,应用失重法、空蚀形貌观察、显微硬度等方法来研究涂层的空蚀行为,并深入分析探讨涂层的空蚀失效机理。采用LT-HVOF沉积球形TiNi预合金粉末,大部分粉末粒子主要以未熔的形式沉积,未熔的粉末粒子高速撞击到基体表面发生塑性变形,粒子中发生剧烈变形的区域会出现动态再结晶现象,发生晶粒细化；但LT-HVOF焰流仍具有较高的温度,致使部分的粒子表面发生局部熔化,少量粒径较小的粒子发生熔化。LT-HVOF制备的TiNi合金涂层存在一定的氧化,氧化主要发生在喷涂粒子的表面上,在局部熔化的区域和熔化粒子上存在严重的氧化；涂层主要呈未熔变形粒子的堆垛结构,塑性变形咬合的粒子间存在一定的界面。实验通过对比LT-HVOF制备的TiNi涂层和低压等离子喷涂(LPPS)制备的低氧TiNi涂层抗空蚀性能发现,LT-HVOF TiNi涂层抗空蚀性能明显差于LPPS TiNi涂层,其空蚀阻抗值约为LPPS TiNi涂层的1/4。粒子表面氧化物和粒子界面的存在严重影响了TiNi涂层的抗空蚀性能。在空蚀疲劳破坏的作用下,裂纹首先在氧化物和粒子界面上萌生,并沿着氧化物和界面扩展,导致脆性氧化物和整个粒子的脱落,造成严重的空蚀破坏。LT-HVOF制备的TiNi涂层空蚀失效机制主要是氧化物和粒子界面上裂纹的萌生和扩展。为了减少涂层的氧含量,本文通过粉末的优化设计,采用一定粒度的镍包覆钛粉末作为喷涂材料,利用LT-HVOF制备Ti-Ni涂层,这是大气中制备低氧TiNi涂层的关键。粉末在LT-HVOF喷涂过程中主要以未熔的形式沉积,外层的镍可以有效地保护内层的钛,防止其发生氧化；涂层呈致密的变形粒子堆垛结构；涂层在制备过程中没有发生相变和成分的变化,保护着原始粉末的状态,主要含有Ti和Ni的单质相,其氧含量为0.65wt.%。利用激光重熔技术分别对316L不锈钢表面预置的Ti-Ni复合涂层和镍铝青铜表面预置的Ti-Ni复合涂层进行合金化处理。在激光重熔过程中,重熔层发生快速的熔化凝固,可以有效地减少氧气向涂层内部扩散,控制重熔层的氧化。两种基体表面TiNi激光重熔层都具有致密、成分均匀的结构,无贯穿裂纹,都主要含有TiNi基质相和Ti2Ni树枝晶相。TiNi激光重熔层都发生了轻微的氧化,存在少量的氧化物,但氧化物的结构和存在形式略有不同：316L不锈钢表面TiNi激光重熔层内的氧化物呈多孔疏松的结构；而镍铝青铜表面TiNi激光重熔层内的氧化物常伴随着Ti2Ni相生成,主要存在于富Ti的树枝晶上。两种基体表面TiNi激光重熔层都具有较高的硬度和良好的弹性。两种不同基体表面TiNi激光重熔层在去离子水中和在3.5%NaCl溶液中都表现出优异的抗空蚀性。在去离子水中,316L不锈钢和镍铝青铜表面的TiNi重熔层的空蚀阻抗值均比两种基体材料高一个数量级,又分别是WC-10Co-4Cr涂层的7.2倍、6.53倍。在3.5NaCl溶液中,耐腐蚀性优异的TiNi激光重熔层空蚀失重远小于镍铝青铜,和在去离子水中空蚀失重量接近。腐蚀对TiNi重熔层的空蚀破坏影响很小。在两种不同的介质中,两种TiNi激光重熔层表现出相似的空蚀失效机制：空蚀破坏首先在最薄弱的脆性氧化物发生,氧化物发生脆性断裂而脱落,导致少量的空蚀失重；镍铝青铜表面TiNi激光重熔层上的氧化物主要存在于富钛的Ti2Ni树枝晶内,氧化物脱落,裂纹向Ti2Ni相扩展,导致少量Ti2Ni相先期脱落；随着空蚀的进行,涂层主要的失效机制是相界处裂纹的萌生和扩展,裂纹在Ti2Ni相内扩展导致其脱落。TiNi基质相由于应力诱发马氏体相变和马氏体择优再取向消耗了大量空蚀作用在材料表面的能量,减小了空蚀应力的破坏作用,但在空蚀疲劳破坏作用下,疲劳裂纹会以缓慢的速度向TiNi相扩展,最终导致材料的破坏。