超声波气蚀

当材料暴露于空化流体时，就会发生空蚀。破裂的空化气泡会引起强烈的冲击波和微射流，进而引起高度局部化的表面应力。 由于反复的气泡破裂而造成的这种载荷重复，会导致局部表面疲劳失效以及随后材料的脱落或剥落。

下图显示了气蚀的典型进程（25 kHz，44.5微米，24°C水）

270镍的气蚀

在超声中，空化通常是由超声变幅杆主动产生的，以便观察对过程的影响（例如，超声波均匀化）。然而，这种空化会逐渐去除喇叭表面的材料。这会导致一些问题。

• 随着的缩短，系统的频率会增加，直到电源无法再启动工具头为止。
• 当角面因腐蚀而进入凹坑时，它会产生较少的气蚀，从而影响工艺。
• 被腐蚀的材料可能污染过程。

可以通过以下四种方法的组合来缓解这些问题：

• 使用具有较高抗气蚀性的工具头的材料。
• 使用具有较高抗气蚀性的涂层。
• 提高工具头的表面光洁度。
• 使用带可更换的工具头。

用料

金属制品

对于涉及气蚀的应用，钛（通常为Ti-6Al-4V）通常是默认的谐振器材料。 它具有可接受的（但不是例外）的抗气蚀性，并且对许多液体也相对惰性； 也使用各种钢。 （有关各种材料的气蚀数据，请参见附录C）

弹性体

弹性体不适合作为谐振器材料。然而，它们可能有助于防止超声能量的传输或减少空化侵蚀(主要是表面)。在相对低强度的空化作用下，这些材料可能“*没有空化损伤”。经过硫化的三元乙丙烯单体(EPDM)板材在20 kHz的50微米峰值振动下的耐腐蚀性是316L不锈钢的三倍。(注:未硫化的EPDM涂料性能不佳)

可更换的替帽

空化腐蚀后更换实心喇叭的成本很高。 取而代之的是，将可更换的替帽用于端面直径小于Ø25mm的工具头。

可更换替帽的工具头

工具头涂层

各种涂层已被用于改善气蚀（与钛相比作为参考）。当工具头端面面积太大或太小，无法使用可更换的替帽以及端面形状不规则时，这些涂层可应用于工具头端面也可以用户保护工具头的基础材料。涂层可根据其厚度分类：薄或厚。它们还可以根据韧性和脆性来分类。

薄涂层

如果由于超声振动引起的惯性力相对较低，则涂层可以认为很薄。然后，粘附力不必很高。这些涂层包括铬和氮化钛。

硬铬：与316L不锈钢基体金属相比，硬度为2密耳（0.05毫米）的铬减少了10倍的气蚀。将其归因于铬的较高硬度（60 Rc对25 Rc），不锈钢的气蚀在很大程度上取决于材料的晶粒尺寸。）

氮化钛：由于其硬度和良好的附着力，氮化钛长期以来一直用于减少气蚀。但是，该过程不能任意应用。值得注意的是，将氮气气氛增加到13%左右(显微硬度~550)，可以稳定地减少气蚀。在这个水平上，侵蚀率比原来的钛低3倍。然而，氮和硬度的进一步增加并不能进一步减少汽蚀。

厚涂层

由于它们的质量，厚涂层必须抵抗巨大的惯性力。然后，涂层和基材之间的附着力不足可能是一个问题。如果此类涂层也很脆，则不能在大面积（如清洗槽）上涂覆，因为超声波弯曲会导致涂层开裂。

与空蚀有关的参数

在相对相似的材料组中，抗气蚀性通常会随着机械性能的提高而提高，例如表面硬度，拉伸强度，屈服强度，延展性，应变能等。但是，在不同类型的材料之间会发生较大的异常，例如韧性金属与强脆金属，金属与陶瓷，金属与弹性体等。

硬度

硬度是与抗气蚀性相关的主要材料性能。基础材料的硬度可以整体（例如，通过硬化）或局部（例如，通过表面硬化或喷丸处理）产生。

喷丸

喷丸的321不锈钢（退火）和纯铁在蒸馏水和1％盐水中进行了20 kHz的气蚀测试。 喷丸处理将材料硬化至0.3毫米的深度，（之所以选择321级不锈钢，部分原因是它对加工硬化反应良好）规定的振幅为15μm（大概峰值），水温为50°C。（在图B1中，“y”是试样表面以下的距离[mm]，垂直轴标记为“HV 0.02”）。

喷丸处理对321不锈钢（SS）和纯铁（Fe）的表面硬度的影响

表面光洁度

当材料初受到气蚀作用时，可能存在一个初始阶段，在此阶段与随后的阶段相比，腐蚀速率可以忽略不计。 如果表面高度抛光，则可以延长初始期时间。

晶粒大小

与疲劳一样，气蚀也发生在微观尺度上。因此，具有几乎相同宏观性能（例如抗拉强度）的两种材料对气蚀的抵抗力可能有显著不同。同一种材料随着粒径的减小他的抗气蚀性增加，对于不同的材料则没有任何意义。

各种材料的空蚀数据

提供以下信息以供参考。由于损耗，疲劳，成本和材料的可用性，许多列出的材料可能不适合用作超声工具头。例如，尽管许多钢的腐蚀速率比钛低，但它们的输出幅度却受到内部损耗（加热）的限制。但是，可以通过减少局部超声应力的优化轮廓来改善此加热问题。在任何情况下，某些材料仍可能适合用作可更换的替帽或涂层。

测试环境

1. 空化流体是室温水。
2. 振幅峰峰值为50微米。
3. 直径为13.9毫米。
4. MDP =平均渗透深度[密耳] =（体积损失）/（试样表面积）
5. 1密耳= 25.4微米

各种材料的气蚀率

钛

Ti-6Al-4V当以大振幅操作时，1 mm的超声工具头会在1000小时内被腐蚀。

不锈钢

在对水中十二种不锈钢进行的空化测试中，发现当铬与镍的含量之比约为1.8：1时，耐空蚀性就会出现。