廖志康,劉成龍,高丹丹,李志均,黃偉九
(重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400054)
隨著現(xiàn)代船舶向大型化、高速化發(fā)展,對船舶推進(jìn)器的要求也越來越高。目前,船用螺旋槳材料較多選用具有較好剛度、屈服強(qiáng)度和抗生物污染能力的銅合金[1]。在螺旋槳高速運轉(zhuǎn)過程中,與之相接觸的水環(huán)境屬于多相流環(huán)境。服役過程中的力學(xué)因素與電化學(xué)因素的聯(lián)合作用會導(dǎo)致銅合金的材料流失及部件的失效[2-3]。針對銅合金在高速多相流體系中的失效破壞,其研究分別從兩個方向入手:空蝕與沖刷腐蝕。針對銅合金空蝕,鋁青銅和錫黃銅在腐蝕介質(zhì)(3.5%NaCl溶液)的空蝕破壞基本經(jīng)歷孕育期、上升期、穩(wěn)定期及衰減期4個階段[4-5],而且空蝕會導(dǎo)致銅合金表面出現(xiàn)加工硬化或加工軟化現(xiàn)象[4,6-7]。此外,空蝕會導(dǎo)致銅合金表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形,誘導(dǎo)裂紋的萌生與擴(kuò)張,最終導(dǎo)致材料表面失效。該失效行為與銅合金的相成分與表面潤濕性密切相關(guān)[8-12]。針對銅合金沖刷腐蝕的研究主要從腐蝕、磨損及腐蝕與磨損的交互作用入手,通過試驗研究不同影響因素作用下銅合金的沖刷腐蝕行為,結(jié)合沖刷腐蝕后材料的表面微觀形貌、表面膜結(jié)構(gòu)及腐蝕產(chǎn)物,探討銅合金在不同因素作用下的沖蝕規(guī)律和機(jī)制[12-14]。也可利用失重分析手段試驗研究在介質(zhì)因素或流體力學(xué)因素影響下腐蝕與磨損協(xié)同作用導(dǎo)致的材料沖刷損耗,探討不同影響因素在材料流失過程中所占的權(quán)重或者銅合金的抗沖刷腐蝕性能[9,11,15]。雖然針對銅合金空蝕和沖刷腐蝕的研究取得了有價值的研究結(jié)果,但是上述研究更多的是探討銅合金在單相或雙相流中沖刷腐蝕或空蝕失效行為,對其空蝕與沖蝕聯(lián)合作用下的銅合金破壞機(jī)理并未做深入研究。
本文以錫黃銅為研究對象,利用自制的旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用試驗裝置,采用合適的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與壓力,借助空蝕孔產(chǎn)生空蝕作用,借助含沙水產(chǎn)生沖蝕作用,研究兩者聯(lián)合作用下錫黃銅試樣表面失效形貌演變特征,闡釋其失效過程。
試驗材料選用HSn70-1錫黃銅板材,購自重慶輝進(jìn)金屬材料公司。試驗在自制的旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用試驗裝置上進(jìn)行,圖1為試驗裝置實物。試驗樣品利用線切割加工成9 mm×20 mm×3 mm的規(guī)格。試驗前在稀鹽酸溶液中超聲除油,依次經(jīng)過200~1200#金相砂紙逐級打磨并拋光,乙醇和丙酮(1∶3)超聲清洗、烘干,隨后用精度0.1 mg的JA1003B電子天平稱重。
圖1 自制的旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用試驗裝置
空蝕與沖蝕試驗分別在自來水與含沙水兩種測試介質(zhì)中進(jìn)行,試驗參數(shù)如表1所示,其中選擇的流速可同時實現(xiàn)空蝕與沖蝕現(xiàn)象。試驗開始后10,30,60 min各取樣1次,然后每隔60 min取樣1次,直到480 min結(jié)束試驗。每次取樣后,將試樣進(jìn)行超聲清洗20 min,烘干,用精確度為0.1 mg的電子天平再次稱量,并準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)。每種試驗工況重復(fù)3次。利用JSM6460LV掃描電鏡觀察試樣表面微觀形貌,并分析試樣表面剝落屑、空蝕坑特征。
表1 空蝕與沖蝕試驗參數(shù)
在不同時間、不同流速條件下,錫黃銅試樣在自來水中的累積質(zhì)量損失如表2所示。由于試驗選用的電子天平精確度為0.1 mg,試驗前60 min失重較小,無法準(zhǔn)確測出,故視為無失重。由試驗結(jié)果可知:隨著試驗時間的延長,試樣失重逐漸增大;隨著流速的增大,在相同的試驗時間內(nèi),流速為28 m/s時的試樣累積質(zhì)量損失最大;在空蝕試驗480 min之后,25 m/s流速下錫黃銅試樣的質(zhì)量損失約為4.6 mg,流速為28 m/s時錫黃銅試樣質(zhì)量損失為9.5 mg,約是25 m/s時質(zhì)量損失的2倍,說明在該流速下試樣空蝕最為嚴(yán)重。
表2 錫黃銅在自來水中的累積質(zhì)量損失
圖2為在不同流速條件下錫黃銅試樣在自來水中的累積質(zhì)量損失率隨時間的變化曲線。由該曲線的變化規(guī)律可知:在前120 min,錫黃銅試樣的累積質(zhì)量損失率隨時間的延長幾乎不變,該階段可視為空蝕孕育期;在120~300 min階段,錫黃銅試樣累積質(zhì)量損失率幾乎呈線性增加,可視為空蝕上升期;在300 min之后,流速為28 m/s和31 m/s條件下的錫黃銅空蝕進(jìn)入穩(wěn)定期,該階段錫黃銅的累積質(zhì)量損失率隨時間增加變化不明顯。相對而言,流速為25 m/s條件下錫黃銅試樣的累積質(zhì)量損失率曲線仍處于上升階段。與磁致伸縮空蝕試驗裝置相比[4],利用本試驗中的旋轉(zhuǎn)圓盤試驗機(jī)可見錫黃銅試樣空蝕的孕育期和上升期需要更長時間。
圖2 在不同流速條件下錫黃銅試樣在自來水中的累積質(zhì)量損失率隨時間的變化曲線
圖3為流速28 m/s時錫黃銅試樣在自來水中空蝕不同時間后的表面形貌。在試驗初始階段,錫黃銅試樣表面出現(xiàn)分布較為均勻的空蝕針孔與面積變化的空蝕坑,如圖3(a)所示。隨著試驗時間的增加,試樣表面遭受的空蝕破壞逐漸增強(qiáng),具體表現(xiàn)為空蝕坑密度、面積及深度增加,如圖3(a)~(d)所示。該變化表現(xiàn)出較為典型的空蝕破壞特征[16]。從圖4放大的失效形貌可見,空蝕480 min后,試樣表面的空蝕破壞明顯呈現(xiàn)沿α/β晶界萌生并擴(kuò)展的裂紋,局部區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形,表層材料脫落后留下局部深坑[4,17]。在28 m/s流速條件下,試樣表面受到空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波或微射流的破壞作用更強(qiáng)烈,導(dǎo)致試樣表面明顯出現(xiàn)變大、變深的空蝕坑。
圖3 流速為28 m/s時,錫黃銅試樣空蝕微觀形貌
圖4 錫黃銅試樣在不同流速作用下480 min時試樣的空蝕微觀形貌
在流速為28 m/s時,在含沙水(含沙量為3 kg/m3、沙粒粒徑為0.075 ~0.150 mm)測試介質(zhì)中,錫黃銅試樣的累積質(zhì)量損失率隨時間的變化曲線如圖5所示。試驗進(jìn)行480 min后,測得自來水中試樣的累積質(zhì)量損失為9.5 mg,而含沙水中試樣累積質(zhì)量損失為23 mg,這表明沙粒的存在加大了錫黃銅的質(zhì)量損失速率。從圖5可見,在相同的試驗時間內(nèi),含沙水中試樣的累積質(zhì)量損失率明顯高于自來水中的累積質(zhì)量損失率。與純空蝕誘發(fā)的錫黃銅失重相比,在沙粒存在的情況下,試驗進(jìn)行30 min后,試樣已出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失,而此時錫黃銅在自來水中幾乎沒有質(zhì)量損失。此外,錫黃銅在自來水中表現(xiàn)出明顯的空蝕上升期與穩(wěn)定期,而在含沙水中,錫黃銅試樣的累積質(zhì)量損失率隨試驗時間延長連續(xù)增加,并未出現(xiàn)明顯的材料失效孕育期和穩(wěn)定期。
圖5 流速為28 m/s時錫黃銅試樣在自來水和含沙水中的累積質(zhì)量損失率變化曲線
圖6為錫黃銅試樣在含沙水測試介質(zhì)中,流速為28 m/s時不同試驗時間后的表面失效形貌。從圖中可見:試驗30 min后,試樣表面出現(xiàn)少許凹坑和與水流方向一致的摩擦痕跡或溝槽,如圖6(a)所示;隨著試驗時間的延長,試樣表面凹坑數(shù)量逐漸增多,面積逐漸增大,溝槽深度增加,且末端有少許凸起唇片或鼓包出現(xiàn),如圖6(b)~(d)所示。與圖4中試樣的空蝕破壞形貌相比,空蝕與沙粒誘發(fā)的沖蝕聯(lián)合作用導(dǎo)致試樣表面產(chǎn)生更為嚴(yán)重的破壞。延長試驗時間至360 min,試樣表面呈現(xiàn)無明顯方向性的深溝和無規(guī)則凹坑,而且可觀察到試樣表面存在明顯的即將脫落部分。繼續(xù)延長試驗時間,試樣表面的破壞更加嚴(yán)重,如圖6(d)和(e)所示。對比試驗480 min后的試樣形貌(如圖7所示),空蝕與沖蝕聯(lián)合作用與純空蝕誘發(fā)的試樣表面破壞呈現(xiàn)出顯著的區(qū)別。在空蝕與沖蝕聯(lián)合作用下,試樣表面呈現(xiàn)出的凹坑變得更大、更深,且在溝槽末端產(chǎn)生更多凸起,凸起之間存在被撕裂的裂紋,此前形成的唇片或鼓包變成更大的凸起唇片,或者因唇片脫落形成更深更大的無序凹坑。
圖6 空蝕與沖蝕聯(lián)合作用下試樣表面微觀形貌演變
圖7 錫黃銅試樣在不同測試介質(zhì)中試驗480 min后的表面微觀形貌
圖8示為在兩種介質(zhì)中不同試驗時間后的錫黃銅試樣表面粗糙度變化曲線??芍?,在相同試驗時間時,空蝕作用試樣表面粗糙度較空蝕與沖蝕聯(lián)合作用的要小,尤其在試驗時間超過60 min后,該區(qū)別更加顯著。這與圖3、圖6中的試樣表面失效形貌演變相對應(yīng)。當(dāng)試樣表面受到含沙水流高速沖擊時,高速運動的沙粒產(chǎn)生微切削作用,在試樣表面形成深淺不一的凸起唇片、凹坑及溝槽。在試樣表面形成的凹坑處,高速微射流或沖擊波在凹坑底部更容易產(chǎn)生,從而促進(jìn)凸起唇片一次或多次被推向凸起的邊緣,最終發(fā)生塊狀脫落,留下面積更大的無規(guī)則空蝕坑,增大了試樣表面粗糙度[16-17]。
圖8 錫黃銅試樣在自來水和含沙水中不同試驗時間后的表面粗糙度變化曲線
上述試驗結(jié)果表明:在本試驗自制的旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用試驗裝置中,與自來水中的錫黃銅試樣破壞形貌表現(xiàn)出顯著區(qū)別,且含沙水中的累積質(zhì)量損失率明顯高于自來水中的累積質(zhì)量損失率;含沙水中試樣的破壞主要緣于沙粒的沖蝕磨損作用。分析認(rèn)為,錫黃銅試樣在隨圓盤旋轉(zhuǎn)的過程中,在無沙粒情況下,在空蝕源孔附近,空泡潰滅引發(fā)沖擊波或微射流,沿水流速度切線方向產(chǎn)生大量空蝕坑,導(dǎo)致材料表面失效;而在含沙水中,試樣表面除遭受空泡潰滅引起的沖擊波或微射流對試樣表面的沖擊作用外,還受到沙粒對其強(qiáng)烈地沖蝕磨損作用[18],高速沙粒的沖擊導(dǎo)致試樣表面因沖蝕磨損而加速脫落。此外,沙粒的存在還可改變流動自來水的黏度、紊動性等屬性,降低空泡的形核能,促進(jìn)空泡形成,加劇空蝕破壞程度[19]。同時,空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波或微射流沖擊試樣表面時也沖擊沙粒,大大增加了沙粒動能,該作用也會增強(qiáng)沙粒對試樣表面的沖蝕磨損效果。因此,在含沙水中,試樣表面的損傷包括來自來水流中空泡潰滅導(dǎo)致的損傷以及沙粒的沖蝕磨損損傷,而后者起主導(dǎo)作用。
1)在自制的旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用試驗裝置中,流速為28 m/s時錫黃銅試樣遭受最嚴(yán)重的空蝕破壞。
2)在自來水中,錫黃銅空蝕失效呈現(xiàn)顯著的孕育期、上升期和穩(wěn)定期;而含沙水中,在480 min的試驗時間內(nèi),錫黃銅的失效僅呈現(xiàn)出孕育期與上升期。
3)在自來水中,錫黃銅的表面失效形貌呈現(xiàn)出空蝕坑密度、面積及深度隨試驗時間的延長而逐步增加的演變規(guī)律;而在含沙水中,錫黃銅的表面失效形貌不僅存在空蝕坑,且呈現(xiàn)出顯著的由沖擊磨損誘發(fā)的凸起唇片、凹坑和溝槽。
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