不同沖蝕角條件下QAl9-4鋁青銅的沖蝕磨損特性*

劉成龍，黃偉九，王軍軍，李志均

(重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

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不同沖蝕角條件下QAl9-4鋁青銅的沖蝕磨損特性*

劉成龍，黃偉九，王軍軍，李志均

(重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

利用自主研發(fā)的轉(zhuǎn)盤式?jīng)_蝕實(shí)驗裝置，通過失重分析、表面形貌觀察以及表層粗糙度測定，探討了QAl9-4鋁青銅在不同沖蝕角度條件下的沖蝕磨損特性。結(jié)果表明，在0～30°沖蝕角度范圍內(nèi)，鋁青銅試樣的累積質(zhì)量損失隨角度增大而增加；當(dāng)沖蝕角度大于30°后，累積質(zhì)量損失降低。隨著沖蝕角度的逐步增大，沖蝕磨損形成的試樣表面缺陷逐漸從沿水流方向的長程犁溝向帶有凹坑的短程犁溝變化，且試樣表面平均粗糙度逐漸降低。

銅合金；沖蝕磨損；沖蝕角度

0 引 言

船舶通常在湖泊、長江、黃河及內(nèi)海等領(lǐng)域航行，各水域存在大量的沙粒，例如長江宜昌段年平均輸沙量為6.72億噸，最大含沙量為10.5 kg/m3，黃河三門峽河段年輸沙量近16億噸，最大含沙量高達(dá)1 200多kg/m3[1]。螺旋槳的服役環(huán)境較為嚴(yán)酷，處于江河水、固體粒子及溶解在水中氣體的共存環(huán)境，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易受到?jīng)_蝕、空蝕及沖刷的作用，導(dǎo)致其表面材料大量流失，造成失效。此外，螺旋槳在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，沙粒通常會以不同角度沖擊其葉片表面，形成不斷變化的沖蝕角度，沖蝕角度的變化對材料的沖蝕失效會產(chǎn)生較大的影響。

白萬金等[2]研究了碳鋼(A3鋼)、高鉻鑄鐵、剛玉(94.7% ) 3種工程材料在不同沖蝕角條件下的材料流失情況，在相同實(shí)驗條件下，導(dǎo)致材料失重量最大的沖蝕角度因材料變化而存在區(qū)別。鮑崇高等[3]研究認(rèn)為不銹鋼在0～45°范圍內(nèi)，其失重量隨角度增大而增加；當(dāng)沖擊角度大于45°后，失重量隨角度增大而減小。Stack[4]認(rèn)為材料失重的最大攻角與材料種類和工況(轉(zhuǎn)速、介質(zhì)等)相關(guān)，在沖蝕過程中至少有一個最大的攻角。目前，針對銅合金在固、液、氣環(huán)境中沖蝕角度影響下的材料失效行為鮮見報道。本文利用自主研發(fā)的沖蝕磨損實(shí)驗機(jī)，模擬船用螺旋槳的實(shí)際工況，考察沖蝕角度變化對銅合金沖蝕磨損行為的影響規(guī)律，為船用螺旋槳在江河水中的失效分析提供實(shí)驗依據(jù)。

1 實(shí)驗材料及實(shí)驗方法

1.1 實(shí)驗材料

實(shí)驗材料選用QAl9-4鋁青銅棒材(由東莞市長安龍翔金屬材料行提供)，主要化學(xué)成分如表1所示。鋁青銅是由以Cu為基的置換固溶體α相、以Cu3Al 的電子化合物為基的固溶體β相和以單獨(dú)質(zhì)點(diǎn)分布在組織中的Pb相組成的(如圖1所示)。實(shí)驗前，將試樣表面用200～1000#金相砂紙逐級打磨,打磨后試樣的粗糙度為(0.0119±0.05) μm，將打磨好的試樣在無水乙醇中超聲清洗15 min,干燥后待用。

表1 QAl9-4鋁青銅的主要化學(xué)成分(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 實(shí)驗方法

在自制的沖蝕磨損實(shí)驗機(jī)上進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(如圖2所示)。鋁青銅試樣安裝在旋轉(zhuǎn)圓盤上(試樣中心距軸心R=77.5 mm)，在轉(zhuǎn)盤室中注入以SiC顆粒制備含沙水。試樣規(guī)格為?12 mm,樣品加工成上端有坡角，下端有絲牙的螺絲狀(如圖3所示)，實(shí)現(xiàn)變化沖擊角度的沖蝕實(shí)驗。

實(shí)驗前后采用無水乙醇超聲清洗試樣3 min。實(shí)驗進(jìn)行8 h，每隔1 h取下3個試樣，用精度為0.1 mg的電子天平稱量。采用GX51F型光學(xué)顯微鏡，JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡，觀察試樣沖蝕后的表面形貌和截面形貌。利用線切割獲取沖蝕后試樣的截面樣品，用金相砂紙打磨后，用10 g氯化三鐵、30 mL鹽酸和120 mL蒸餾水配制而成的溶液，腐蝕15 s后觀察其截面形貌。利用手持式TR220粗糙度測量儀測試試樣表面的粗糙度值和表面輪廓線。

實(shí)驗條件：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為2 520 r/min，轉(zhuǎn)盤室壓力為0.1 MPa，實(shí)驗時間為8 h，沙粒粒徑為0.6 mm，含沙量為3 kg/m3，沖蝕角度分別為0、15、30和45°，實(shí)驗過程中介質(zhì)溫度控制在50 ℃以下。

圖1 鋁青銅顯微組織

圖2 自制沖蝕磨損試驗機(jī)

圖3 沖蝕角度變化的鋁青銅試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 失重分析

圖4 不同沖蝕角度條件下鋁青銅的累積質(zhì)量損失隨時間的變化曲線

圖5 沖蝕過程示意圖

2.2 表面微觀形貌觀察及分析

圖6示出了鋁青銅QAl9-4在不同沖蝕角度條件下沖蝕8 h后的形貌。從圖6(a)中可見試樣表面存在有明顯方向性的長程犁溝；圖6(b)中試樣表面也存在有明顯方向性的犁溝，但其長度略為減短；圖6(c)中試樣表面中單條犁溝長度明顯減小，并且出現(xiàn)少量小而淺的凹坑；圖6(d)中試樣表面的犁溝長度減小，且方向性變差，同時局部還出現(xiàn)一些凹坑。分析認(rèn)為，當(dāng)沖蝕角度為0°時，沖蝕以單純的切削形式進(jìn)行，導(dǎo)致試樣表面形成明顯方向性的長程犁溝；當(dāng)沖蝕角度為15°時，試樣表面既受到水平切削作用又受到垂直分量產(chǎn)生的撞擊作用，但垂直分量產(chǎn)生的撞擊作用過弱，而水平切削作用相對0°的水平切削作用小，所以試樣表面形成長度略為減短的明顯方向性犁溝；當(dāng)沖蝕角度為30°時，試樣表面同時受到較大的微切削和沖刷撞擊共同作用，導(dǎo)致犁溝長度明顯減小，且出現(xiàn)凹坑；當(dāng)沖蝕角度為45°時，試樣表面受垂直分量產(chǎn)生的撞擊作用明顯增大，導(dǎo)致表面局部凹坑明顯增加。如圖6、7所示，隨著沖蝕角度的增大，其水平分力減小，水平方向的動能減小，粒子在切削的過程中，動能不斷損失，致使犁溝的長度減小，同時其垂直分力增加，使表層材料被擠壓而出現(xiàn)小的擠壓唇，隨后粒子再對擠壓唇或剪切唇進(jìn)行鍛打，嚴(yán)重變形后呈片屑狀從材料表面流失[10]。

圖6 在不同沖蝕角度條件下鋁青銅沖蝕8 h后的形貌

圖7 粒子沖擊示意圖

表2是沖蝕角度為0、15、30和45°的鋁青銅QAl9-4試樣沖蝕作用不同時間后的表面平均粗糙度值。實(shí)驗前試樣表面粗糙度為(0.0119±0.05) μm。由表2可見，鋁青銅試樣表面粗糙度在沖蝕2 h后明顯增大，隨沖蝕時間的延長，粗糙度呈小幅度增加。其中，沖蝕角度為0°的試樣表面粗糙度明顯較其它角度試樣表面粗糙度大。分析認(rèn)為，水平切削作用使得表面出現(xiàn)犁溝，并且犁溝周圍存在凸起剪切唇，致使表面粗糙增大；而垂直分量產(chǎn)生的撞擊作用使得凸起唇片因鍛打擠壓而脫落，隨后粒子再對擠壓唇或剪切唇進(jìn)行鍛打，嚴(yán)重變形后呈片屑狀從材料表面流失，所以傾角為30、45°的試樣表面粗糙度明顯比傾角為0、15°的試樣表面粗糙度小。

表2 在不同沖蝕角度條件下鋁青銅沖蝕不同時間后的表面粗糙度值

圖8示出了傾角為45°的鋁青銅試樣沖蝕作用8 h后的SEM形貌?？梢?，試樣表面有與水流方向一致的長程犁溝，表面變得很粗糙并有凹坑，材料的表層和亞表層已被磨損，試樣表面已經(jīng)產(chǎn)生沖蝕磨損，機(jī)制以微切削、剝落和犁溝為主。通過截面分析(如圖9所示)發(fā)現(xiàn)，沖蝕形成的凹坑內(nèi)存在明顯的微裂紋。微裂紋的擴(kuò)展方向不一致，有的向材料內(nèi)部擴(kuò)展，有的沿著接近平行于試樣表面的方向擴(kuò)展。分析認(rèn)為：在劇烈的沖刷作用下，鋁青銅試樣表面會發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，晶體發(fā)生滑移，晶體內(nèi)部也會發(fā)生一定程度的滑移，位錯大量聚集，微裂紋在晶界處萌生，同時腐蝕介質(zhì)通過微裂紋與內(nèi)部組織接觸發(fā)生晶界腐蝕，改變材料表面的強(qiáng)度，弱化材料的晶界、相界，使材料中的耐磨的硬化相暴露，沖刷強(qiáng)度加劇，材料大量流失，同時凹坑和微裂紋的存在，增加了材料與腐蝕介質(zhì)的表面積，而沖刷能加速傳質(zhì)過程，促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物脫離材料表面，加速腐蝕導(dǎo)致的材料流失[11]。

圖8 沖蝕角度為45°時鋁青銅試樣沖蝕作用8 h后的SEM形貌

圖9 沖蝕磨損后的鋁青銅試樣橫截面形貌

3 結(jié) 論

(1) 在本實(shí)驗條件下，沖蝕角度的變化會顯著影響鋁青銅在含砂水中的材料損失量，其中，在0～30°范圍內(nèi)，其累積質(zhì)量損失隨角度增加而增大；當(dāng)沖蝕角度為45°時，該值降低。

(2) 隨著沖蝕角度的逐漸增大，鋁青銅試樣表面沖蝕缺陷逐漸從沿水流方向的長程犁溝狀轉(zhuǎn)變?yōu)閹в邪伎拥姆较蛐詼p弱的短程犁溝。

(3) 沖蝕角度越高，沖蝕磨損導(dǎo)致鋁青銅試樣表面平均粗糙度越低。

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Erosion wear characterization of QAl9-4 aluminum bronze with different erosion angles

LIU Chenglong, HUANG Weijiu, WANG Junjun, LI Zhijun

(School of Materials Science and Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China)

The erosion wear characterization of QAl9-4 aluminum bronze has been investigated with different erosion angles by a self-developed rotating disc erosion wear device. The weight loss, surface morphology and roughness were measured. The results show that the accumulated weight loss of QAl9-4 aluminum alloy samples was improved little by little with increasing the erosion angle when the angle was lower than 30°, in contrast, which decreased when the angle is higher than 30°. With increasing the erosion angle, the sample surface morphology varied from the long-range furrows to the short-range furrows with erosion pits, and the surface roughness decreased gradually.

aluminum bronze; erosion wear; erosion angle

1001-9731(2016)10-10230-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51171216)

2015-10-20

2016-06-20 通訊作者：黃偉九，E-mail: huangweijiu@cqut.edu.cn

劉成龍 (1976-)，男，山東沂水人，教授，博士，主要從事材料強(qiáng)化、失效及保護(hù)。

TG115.5

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.043