螺旋槳用銅合金在3.5% NaCl溶液中的空蝕和沖蝕行為

李慧琳,宋亓寧,張根元,許 楠,包曄峰,趙立娟

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，常州 213022)

隨著海洋進(jìn)一步被開發(fā)，國際交往運(yùn)輸愈發(fā)頻繁，對(duì)船舶和一系列海洋結(jié)構(gòu)件的性能要求也越來越高。螺旋槳是船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的核心部件[1-3]，常會(huì)遭受海水腐蝕[4]。在局部含沙海域，固體粒子也會(huì)以一定速度沖刷腐損(沖蝕)葉片，且由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)下葉片附近液體壓力會(huì)發(fā)生變化，空泡腐蝕(空蝕)問題同樣存在。因此，船用螺旋槳材料一般選用具有較好綜合力學(xué)性能和耐蝕性的銅合金[5]，常用的有錳黃銅和鋁青銅。

錳黃銅的鑄態(tài)組織粗大不均勻[6]，有較大的應(yīng)力腐蝕開裂傾向，且易發(fā)生脫鋅腐蝕、空蝕等問題[7]。鎳鋁青銅是在Cu-Al二元合金系中加入Ni、Mn、Fe等元素[8]，其耐海水腐蝕性能和抗空蝕性能較高，且經(jīng)濟(jì)可靠[9]。錳鋁青銅中加入了較高含量的Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～13%),抑制了β相的共析轉(zhuǎn)變，可以防止合金緩冷脆化，但其抗空蝕性能低于鎳鋁青銅，故其使用量略低[10]。

近年來，許多國內(nèi)外學(xué)者研究了螺旋槳用合金材料的空蝕及沖蝕行為[11-12]。于宏等[13-14]利用磁致伸縮空蝕試驗(yàn)機(jī)研究了ZQAl9-4-4-2鎳鋁青銅在2.4% NaCl溶液中的空蝕行為，結(jié)果表明：材料在空蝕條件下的最大失重率是在蒸餾水中的2.1倍，微裂紋在α/κ相界處的α相內(nèi)形成并擴(kuò)展導(dǎo)致了α相的失重和κ相的剝離。SONG等[15]研究了鎳鋁青銅和錳鋁青銅在3.5% NaCl溶液中的空蝕和腐蝕行為，結(jié)果表明：在蒸餾水中，機(jī)械侵蝕是主要破壞因素，而在硫化物溶液中，空蝕與腐蝕協(xié)同作用會(huì)對(duì)材料造成破壞。劉海霞等[16]探究了水射流對(duì)銅合金的沖蝕與空蝕作用，結(jié)果表明：當(dāng)外加沖擊力較大時(shí)，空蝕使得試樣表面出現(xiàn)空蝕坑并進(jìn)一步出現(xiàn)塑性變形,當(dāng)沖擊壓力為300 MPa，沖蝕時(shí)間為15 min時(shí),材料損傷最嚴(yán)重。上述學(xué)者探討了多種銅合金的空蝕與沖蝕行為[17-20]，但采用的試驗(yàn)設(shè)備和方法各異，導(dǎo)致結(jié)果難以統(tǒng)一衡量，因此有必要對(duì)比研究不同種類銅合金在同一溶液中的空蝕與沖蝕行為。

本工作采用超聲空蝕試驗(yàn)設(shè)備對(duì)三種典型船舶螺旋槳用銅合金進(jìn)行空蝕試驗(yàn)，分析材料的空蝕失重規(guī)律；采用旋轉(zhuǎn)圓盤試驗(yàn)和噴射試驗(yàn)分析沖蝕失重規(guī)律；并采用掃描電鏡對(duì)空蝕及沖蝕后的表面形貌進(jìn)行觀察，分析損傷變形特征和機(jī)制。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用3種銅合金的化學(xué)成分見表1。采用維氏硬度計(jì)測(cè)試3種銅合金的硬度，載荷200 g，保荷時(shí)間為10 s。測(cè)得錳黃銅、錳鋁青銅及鎳鋁青銅的維氏硬度分別為(124±6) HV，(176±8) HV，(177±7) HV。

表1 3種銅合金的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of three copper alloys %

空蝕試驗(yàn)在3.5% NaCl溶液中進(jìn)行，試樣工作面的形狀與尺寸見圖1(a)，超聲振動(dòng)空蝕設(shè)備示意見圖1(b)。用水磨砂紙(240～800號(hào))逐級(jí)打磨試樣工作面，并用酒精超聲清洗，干燥后用精度為0.1 mg的電子天平稱量。將試樣至于超聲波探頭正下方0.5 mm處，試樣上表面距液面表面15 mm，變幅桿振幅為60 μm，振動(dòng)頻率20 kHz。每隔一定時(shí)間取樣稱量一次，直至5 h試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中，通過循環(huán)冷卻水保持測(cè)試溶液溫度為18～22 ℃。為降低誤差，每種銅合金均選擇3個(gè)平行試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

(a) 空蝕試樣 (b) 空蝕設(shè)備圖圖1 空蝕試驗(yàn)用試樣的工作面形狀與尺寸及空蝕設(shè)備原理圖Fig. 1 The shape and size of the working face for cavitation erosion test samples (a) and schematic diagram of the cavitation erosion device (b)

旋轉(zhuǎn)圓盤沖蝕試驗(yàn)用試樣工作面直徑為3 cm，噴射沖蝕試驗(yàn)試樣直徑為2 cm，每種銅合金均選擇3個(gè)平行試樣以降低誤差。試驗(yàn)前先將試樣工作面用水磨砂紙(240～800 號(hào))逐級(jí)打磨，并用酒精進(jìn)行超聲清洗，干燥后用精度為0.1 mg的電子天平稱量。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)圓盤試驗(yàn)時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)圓盤的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，腐蝕介質(zhì)以一定的速度剪切沖擊試樣表面造成沖蝕[21]，試驗(yàn)介質(zhì)為含2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))沙的3.5% NaCl溶液(沙粒直徑為75～150 μm)，在不同轉(zhuǎn)速(7 ，10 ，15 m/s)下旋轉(zhuǎn)沖蝕6 h后記錄質(zhì)量損失。噴射試驗(yàn)采用噴射式?jīng)_刷腐蝕裝置，裝置由噴射沖刷回路和循環(huán)攪拌回路兩部分組成，循環(huán)攪拌回路用于攪拌含沙溶液，噴射回路用于抽取含沙溶液并經(jīng)噴嘴噴射至試樣表面[22]。其中，噴嘴直徑為3 mm，噴嘴出口處離試樣表面距離5 mm，控制試樣與噴嘴間角度為90°，沖刷流體的流速為15 m/s，試驗(yàn)時(shí)間為1 h。采用掃描電鏡(JSM-6360LA，加速電壓15 kV)對(duì)空蝕和沖蝕后試樣的表面形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織形貌

由圖2可見：錳黃銅組織由β相基體、α固溶體和κ相組成。錳鋁青銅的基體組織中含有α相、β相和樹枝狀κ相，其中深灰色α相是富銅固溶體，β相是基于Cu3Al或Cu2MnAl的中間化合物，κ相是富含Mn、Fe的金屬間化合物，一般在α相內(nèi)析出[1]。鎳鋁青銅的微觀組織由粗大魏氏體α相、殘余β相和各種形狀的κ相組成，包括花瓣?duì)瞀蔍I、片層狀κIII和彌散在α基體中的細(xì)小粒狀κIV等金屬間化合物[9]。

(a) 錳黃銅 (b) 錳鋁青銅 (c) 鎳鋁青銅圖2 3種銅合金試樣的顯微組織Fig. 2 Microstructures of three copper alloy samples: (a) manganese-brass； (b) manganese-aluminum-bronze; (c) nickel-aluminum-bronze

2.2 空蝕試驗(yàn)

由圖3可見：在3.5% NaCl溶液中，試驗(yàn)初期(空蝕時(shí)間小于1 h)，錳鋁青銅和鎳鋁青銅的質(zhì)量損失大致相當(dāng)，錳黃銅空蝕速率明顯大于前兩者；空蝕1 h后，錳鋁青銅的質(zhì)量損失略大于鎳鋁青銅，3種試樣的質(zhì)量損失均隨著空蝕時(shí)間的延長逐漸上升，但空蝕速率的斜率隨空蝕時(shí)間的延長逐漸減小并趨于穩(wěn)定；試驗(yàn)至5 h，鎳鋁青銅的質(zhì)量損失最小，錳黃銅的最大。錳黃銅、錳鋁青銅、鎳鋁青銅的空蝕速率分別為4.165，1.440，1.090 mg·h-1·cm-2。兩種鋁青銅的空蝕孕育期均約為1 h，而錳黃銅的空蝕孕育期最短，約為0.5 h。綜上所述，抗空蝕性能最強(qiáng)的是鎳鋁青銅，其次是錳鋁青銅，錳黃銅最差。這主要是由于錳黃銅表層硬度較低，在受到空蝕沖擊時(shí)易產(chǎn)生空蝕坑且易造成材料脫落。

(a) 空蝕質(zhì)量損失

由圖4可見：錳黃銅試樣在空蝕的初始階段(1 h)，富Zn的β相遭受腐蝕，試樣表面粗糙度增加，面心立方的α相在空蝕應(yīng)力下發(fā)生塑性變形，另外，由于晶體結(jié)構(gòu)的差異，α、β及κ相對(duì)空蝕應(yīng)力的響應(yīng)不一，導(dǎo)致α/κ和β/κ相界處產(chǎn)生裂紋和較小的空蝕孔洞[23]?？瘴g3 h時(shí)，α相內(nèi)出現(xiàn)了明顯的韌窩狀組織，產(chǎn)生了劇烈的塑性變形，β相開始出現(xiàn)解理斷裂，空蝕孔洞進(jìn)一步發(fā)展為較大且不規(guī)則的空蝕坑，平滑表面也被破壞?？瘴g5 h時(shí)，原始組織幾乎已經(jīng)不能分辨，只有少部分β相殘余，并且表面遍布大而深的空蝕坑。

(a) 1 h (b) 3 h (c) 5 h圖4 錳黃銅在3.5% NaCl溶液中空蝕不同時(shí)間后的表面形貌Fig. 4 Surface morphology of manganese brass after cavitation etching in 3.5% NaCl solution for different times

由圖5可見：在空蝕初期，錳鋁青銅中的α相由于硬度最低，最先開始出現(xiàn)空蝕損傷，材料表面出現(xiàn)許多微孔洞和裂紋，且κ相發(fā)生整體脫落，β相無明顯的空蝕損傷?？瘴g3 h，劇烈塑性變形使殘留的α相發(fā)生空蝕，原始組織不復(fù)存在，β相也發(fā)生了解理斷裂，空蝕孔洞進(jìn)一步擴(kuò)展，空蝕坑數(shù)量增加，材料表面十分粗糙。空蝕5 h后，材料的原始組織已分辨不清，局部出現(xiàn)大且深的凹坑。

(a) 1 h (b) 3 h (c) 5 h圖5 錳鋁青銅在3.5% NaCl溶液中空蝕不同時(shí)間后的表面形貌Fig. 5 Surface morphology of manganese aluminum bronze after cavitation etching for different times in 3.5% NaCl solution

由圖6可見：鎳鋁青銅試樣在空蝕初期，表面基本完整，塑性變形只發(fā)生在局部與κ相相鄰的α相中，并在κ/α相界處出現(xiàn)裂紋以及一些微孔。隨著空蝕的進(jìn)行，相界上的裂紋將會(huì)擴(kuò)展，κ/α相界被進(jìn)一步破壞，使得κ相脫落，留下空蝕坑，材料表面出現(xiàn)較明顯的損傷，空蝕 3 h后，腐蝕使得κ相暴露在材料表面并面臨脫落，空蝕坑的尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大，數(shù)量增加，表面變得更加粗糙?？瘴g5 h后，試樣表面空蝕坑數(shù)量大幅增加，但整體較為平坦，沒有出現(xiàn)大而深的海綿狀空蝕形貌。

空蝕損傷是腐蝕與力學(xué)沖擊協(xié)同作用的結(jié)果，腐蝕會(huì)粗化材料表面，降低表面的力學(xué)性能，在力學(xué)沖擊條件下，損傷加速；空蝕還會(huì)破壞材料表面腐蝕產(chǎn)物膜，并使材料表面活性增加，增加暴露在腐蝕介質(zhì)中的新鮮材料表面，從而加重腐蝕損傷。由圖4～6可見：在3.5% NaCl溶液中空蝕5 h后，錳黃銅表面的破壞的最嚴(yán)重，出現(xiàn)大且深的空蝕孔洞，錳鋁青銅表面的空蝕孔洞明顯少于錳黃銅，鎳鋁青銅的表面破壞相對(duì)較輕微，沒有出現(xiàn)大而深的空蝕坑。這是由于錳鋁青銅中α相是基體，而錳黃銅中β相是基體，β相在空蝕應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生解理斷裂，導(dǎo)致較大失重。另外，錳黃銅的β相富Zn，在3.5% NaCl溶液中優(yōu)先發(fā)生腐蝕，而腐蝕又進(jìn)一步促進(jìn)空蝕應(yīng)力下的損傷，所以錳黃銅的耐空蝕性能較差。鎳鋁青銅中的α相是面心立方結(jié)構(gòu)，有很好的加工硬化能力[13]，且原始α+κIII共析組織的存在增強(qiáng)了表面的強(qiáng)度和硬度，空蝕裂紋由于深度方向擴(kuò)展受阻而易于橫向擴(kuò)展，試樣表面不會(huì)出現(xiàn)大而深的空蝕坑，抗空蝕能力較好。綜上，鎳鋁青銅的抗空蝕能力最強(qiáng)，錳鋁青銅次之，錳黃銅最差。

(a) 1 h (b) 3 h (c) 5 h圖6 鎳鋁青銅在3.5% NaCl溶液中空蝕不同時(shí)間后的表面形貌Fig. 6 Surface morphology of Ni-Al bronze after cavitation etching for different times in 3.5% NaCl solution

2.3 沖蝕試驗(yàn)

2.3.1 旋轉(zhuǎn)圓盤沖蝕試驗(yàn)

由圖7可見，3種銅合金的沖蝕質(zhì)量損失均隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的增加而增加。這是由于隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增大，含沙溶液對(duì)材料表面的剪切作用增加，且溶液中沙粒對(duì)材料表面的沖擊概率增大，導(dǎo)致材料質(zhì)量損失增加。在不同轉(zhuǎn)速條件下，鎳鋁青銅都表現(xiàn)出較錳黃銅和錳鋁青銅更強(qiáng)的耐沖蝕能力。當(dāng)轉(zhuǎn)速為15 m/s時(shí)，錳黃銅、錳鋁青銅、鎳鋁青銅的沖蝕速率分別為1.160 1，0.892 4，0.594 9 mg·h-1·cm-2。

(a) 質(zhì)量損失

錳黃銅的沖蝕速率最高，這是由于錳黃銅的強(qiáng)度、硬度較低，在相同的試驗(yàn)條件下，其抗沙粒切削能力弱，表面易變形和脫落。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，試樣工作面與轉(zhuǎn)盤保持平行，含沙溶液在轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)下與試樣保持一定的速度進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，沖擊材料表面，從而使試樣表面受到剪切作用。同時(shí)，犁削作用使得試樣表面發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，導(dǎo)致材料堆積，形成與介質(zhì)流動(dòng)方向一致的犁溝和唇片，造成材料流失。

由圖8可見：在含沙量2%的3.5% NaCl溶液中沖蝕6 h后，3種試樣表面均存在與流速方向一致的犁溝和唇片。錳黃銅和錳鋁青銅試樣經(jīng)6 h沖蝕后，表面出現(xiàn)了明顯的犁溝槽和沙粒沖擊坑(孔洞)，這是由于在沙粒剪切作用下，材料被擠出形成唇片并在沙粒的剪切作用下不斷脫落。隨著沖蝕的不斷進(jìn)行，表面粗糙度增加，平整不一，因此在較大沖蝕角的部位，沙粒的沖擊會(huì)造成表面出現(xiàn)孔洞和較深的犁溝槽。相比于錳黃銅，錳鋁青銅表面的沖擊坑更淺，材料流失程度較輕，這得益于其較高的表面硬度和耐蝕性。鎳鋁青銅表面并未發(fā)現(xiàn)明顯孔洞，損傷程度較小，抗沖蝕性能最好。

(a) 錳黃銅

2.3.2 噴射沖蝕試驗(yàn)

由圖9可見：經(jīng)過1 h噴射沖蝕試驗(yàn)后，錳黃銅、錳鋁青銅、鎳鋁青銅的沖蝕速率分別為5.222 9，1.782 6，1.684 8 mg·h-1·cm-2。可見，錳黃銅的沖蝕速率最大，錳鋁青銅和鎳鋁青銅表現(xiàn)出更高的耐沖蝕能力。

圖9 3種銅合金在含2%沙的3.5% NaCl溶液中噴射沖蝕1 h后的沖蝕失重Fig. 9 Erosion mass loss of three copper alloys after jet impingement for 1 h in 3.5% NaCl solution containing 2% sand

噴射沖蝕試驗(yàn)中，在試樣的不同位置，固體顆粒的實(shí)際沖擊角和沖擊速度是從試樣中心沿半徑方向改變的，這導(dǎo)致不同沖蝕區(qū)域表現(xiàn)出不同的沖蝕變形行為，如圖10所示。

由圖10可知，3種銅合金試樣經(jīng)噴射沖刷后的沖蝕形貌類似，均可以觀察到3個(gè)沖蝕區(qū)域，試樣表面輪廓大致呈“W”形。對(duì)于噴嘴正下方的區(qū)域1，沙粒正向沖擊材料表面，在力學(xué)沖擊下造成材料的變形，3種材料表面均出現(xiàn)了分布不均勻的沙粒壓痕。而對(duì)于靠近噴嘴正下方的區(qū)域2，材料表面受到的沖蝕最嚴(yán)重，表現(xiàn)出犁溝和唇片形貌，這是由于隨著距試樣中心距離的增大，材料表面沖擊角減小，正應(yīng)力和切應(yīng)力共同主導(dǎo)該區(qū)域的沖蝕損傷，因此產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形而出現(xiàn)了犁溝和唇片，并在正應(yīng)力反復(fù)沖擊下，造成表面壓痕。對(duì)于遠(yuǎn)離噴嘴正下方的區(qū)域3，材料表面的犁溝變得更淺更長，意味著這一區(qū)域的沖擊角已經(jīng)變得很小，在小的沖擊角下，剪切應(yīng)力占主導(dǎo)地位，驅(qū)動(dòng)沙粒沿流動(dòng)方向在材料表面滑動(dòng)，使得材料堆積在犁溝末端形成唇片或碎屑，見圖11。

圖10 3種銅合金噴射沖蝕不同區(qū)域的損傷深度示意圖Fig. 10 Schematic diagram for the erosion damage depth of three copper alloys at different areas after jet impingement erosion

(a) 錳黃銅區(qū)域1 (b) 錳黃銅區(qū)域2 (c) 錳黃銅區(qū)域3

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，錳黃銅由于表面硬度較低且耐蝕性較差，腐蝕和沖蝕的協(xié)同作用更顯著，其表面犁溝較深，且犁溝末端的碎屑出現(xiàn)大量剝落，材料流失較嚴(yán)重，錳鋁青銅和鎳鋁青銅表面的犁溝較淺，表面損傷程度較輕，抗沖蝕性能較好。

3 結(jié)論

(1) 在空蝕作用下，錳黃銅的空蝕孕育期最短，其β相基體優(yōu)先遭受腐蝕且發(fā)生解理斷裂，材料表面出現(xiàn)大而深的空蝕坑；錳鋁青銅的α相首先被破壞，隨即β相出現(xiàn)解理斷裂，材料表面局部出現(xiàn)空蝕坑；鎳鋁青銅在α/κ相界處出現(xiàn)裂紋，α相發(fā)生塑性變形，κ相由于裂紋擴(kuò)展而脫落，表面粗糙度相對(duì)較小?？瘴g5 h后，錳黃銅的空蝕速率最大。

(2) 旋轉(zhuǎn)圓盤沖蝕試驗(yàn)中，3種銅合金失重均隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增加而增加，其中錳黃銅的沖蝕速率最大。3種銅合金表面均出現(xiàn)犁溝和唇片形貌，其中錳黃銅表面的犁溝較深，材料流失最嚴(yán)重。

(3) 噴射沖蝕試驗(yàn)中，錳黃銅的沖蝕質(zhì)量損失最大。3種銅合金表面均可分為3個(gè)沖蝕區(qū)域，其中靠近噴嘴正下方的區(qū)域同時(shí)受到正應(yīng)力和切應(yīng)力共同作用，導(dǎo)致的材料流失最嚴(yán)重。3種材料的抗沖蝕性能由高到低為鎳鋁青銅、錳鋁青銅、錳黃銅。