沖蝕速度及沙粒粒徑對鋁青銅沖蝕磨損的影響*

黃偉九，劉成龍，李志均，王軍軍，廖志康

(1.重慶理工大學 重慶市模具技術重點實驗室，重慶 40054;2.重慶理工大學材料科學與工程學院， 重慶 400054)

?

沖蝕速度及沙粒粒徑對鋁青銅沖蝕磨損的影響*

黃偉九1,2，劉成龍1,2，李志均1，王軍軍1,2，廖志康1

(1.重慶理工大學 重慶市模具技術重點實驗室，重慶 40054;2.重慶理工大學材料科學與工程學院， 重慶 400054)

利用旋轉式沖蝕試驗機對QAl9-4鋁青銅在含SiC沙粒的3.5%NaCl中的沖蝕磨損行為進行了研究。結果表明，在介質流速小于28.3 m/s時，失重量隨介質流速的增加而增大；失重隨沙粒粒徑變化有明顯的轉折點，在粒徑為0.3 mm時材料流失最為顯著。沙粒粒徑變化引起QAl9-4鋁青銅沖蝕磨損行為的變化，小粒徑時以犁削磨損為主，大粒徑時鍛打擠壓作用增強的同時犁削磨損作用減弱。

沖蝕磨損；鋁青銅；沙粒粒徑；沖擊速度

0 引 言

隨著船舶向大型化、高速化發展，對推進器用材提出了更高的要求。目前，船用螺旋槳較多選用具有較高剛度、屈服強度和抗生物污染能力的銅合金。螺旋槳服役環境大多為含顆粒的腐蝕性流體，服役過程中銅合金與腐蝕性流體間的高速相對運動會導致銅合金部件的損傷，甚至報廢[1]。截止目前，針對銅合金在高速多相流體系中的失效破壞，研究人員分別從空蝕與沖刷腐蝕兩個方向開展了部分研究，其中沖刷腐蝕的主要研究對象是純銅、黃銅、白銅、Cu-Cr-Zr合金等[2-5]。此外，研究表明，在含固相粒子的高速流體中，金屬材料的失效形式、材料流失與粒子沖擊速度、粒徑等因素密切相關[6-10]，而目前針對純銅及銅合金進行的沖刷腐蝕試驗的粒子沖擊速度都較小[2-5]。本試驗重點研究在粒子沖擊速度較高情況下，螺旋槳用QAl9-4鋁青銅的材料流失行為與失效微觀形貌，探討沖蝕速度與粒子粒徑變化對鋁青銅的沖蝕磨損失效行為的影響規律及作用機理。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試樣制備

選用上海柯濱鋁業有限公司的QAl9-4鋁青銅板材，其主要化學成分見表1。利用線切割，將QAl9-4鋁青銅板材加工成9 mm×20 mm×3 mm規格試樣。試驗前，試樣在稀鹽酸中超聲除油，隨后利用200～1000#金相水磨砂紙逐級打磨試樣的試驗面，最后在乙醇和丙酮溶液中超聲清洗后烘干待用。

表1 QAl9-4鋁青銅的主要化學成分

1.2 試驗方法

試驗在自制的旋轉圓盤空蝕與沖蝕聯合作用實驗裝置上進行[11]。具體試驗參數如表2所示。

試驗過程中，每隔1 h取樣1次，超聲清洗20 min后吹干，隨后采用精度為0.1 mg的JA1003B電子天平稱重；采用TR220手持式粗糙度測試儀測試試樣表面平均粗糙度；利用NanoTestMT納米硬度測量儀測量試樣表層硬度，每組實驗重復3次取平均值；利用JSM6460LV掃描電鏡觀察沖蝕后試樣表面微觀形貌。

表2 QAl9-4鋁青銅沖蝕實驗參數

2 試驗結果與討論

2.1 沖蝕磨損失重分析

在含粒徑為0.3 mm SiC沙粒的3.5% NaCl測試介質中，QAl9-4鋁青銅的累積失重量與介質流速的關系如圖1所示。由圖可見，在相同的試驗時間內，隨著介質流速的逐步增大，試樣的累積失重量逐步增加，而且隨著試驗時間的延長，該效應越發明顯。沖蝕8 h后，在28.3 m/s介質流速條件下試樣的累積失重量為301.3 mg，分別為23.6和18.8 m/s流速條件下的1.6倍和2.4倍。分析認為，在介質流速較低時，介質中沙粒的動能較小，單位時間內作用到試樣表面的有效沙粒數較少，且沖擊力較低，引發的材料流失較小；當介質流速增大時，粒子動能增加，單位時間內作用到試樣表面的有效沙粒數增加，且沙粒沖擊力增大，誘發更為嚴重的材料表層失效，表現出累積失重量增加[10,12]。

圖1 介質流速變化條件下QAl9-4鋁青銅累積質量損失隨時間的變化曲線

在介質流速為28.3 m/s時，QAl9-4鋁青銅的累積失重量與沙粒粒徑的關系如圖2所示。由圖可知，在試驗時間小于1 h時，沙粒粒徑變化對鋁青銅試樣的流失量影響不大；而當試驗時間超過1 h后，沙粒粒徑增加會顯著導致試樣失重量的增大。在試驗時間達到8 h后，粒徑為0.1 mm的SiC沙粒使試樣累積失重量達到209.8 mg，而粒徑為0.3和0.6 mm的SiC沙粒引起的累積失重量分別達到340.0和315.0 mg。本試驗采用旋轉圓盤空蝕與沖蝕聯合作用實驗裝置，旋轉圓盤的轉動帶動介質流動，沙粒而隨之流動。沙粒在隨從介質流動方向運動的同時，還存在著與介質流動方向垂直的運動[12]。在沙粒粒徑小于0.3 mm時，介質流動給予沙粒的動能足夠大，重力引起的垂直方向的運動分量較低，其沖擊力足夠誘發試樣表面失效。與粒徑為0.1 mm的試驗條件相比，0.3 mm粒徑的沙粒質量大，其動能和沖擊力也大，因而會導致相同實驗時間內試樣累積失重量的增大；而當粒徑大于0.3 mm時，重力引起的垂直方向的運動分量增加，單位時間內作用于試樣表面的沙粒量會減少，從而導致相同實驗時間內試樣累積失重量的降低。

圖2 沙粒粒徑變化條件下QAl9-4鋁青銅累積質量損失隨時間的變化曲線

2.2 沖蝕試樣表面形貌與沖蝕磨損失效行為分析

圖3示出了不同介質流速條件下沖蝕8 h后QAl9-4鋁青銅試樣的表面形貌。由圖可見，試樣表面形貌主要表現為魚鱗狀的唇片、短程犁溝以及唇片剝落留下的凹坑[7,14]。隨著介質流速的增大，試樣表面的破壞程度逐步加重，尤其當介質流速為28.3 m/s時(圖3(c))，試樣表面的犁溝深度增加，方向性變得雜亂，凹坑的面積與數量增大。試驗過程中，含沙介質對試樣表面的作用可分為與試樣表面平行的犁削作用和垂直于試樣表面的鍛打擠壓作用。犁削作用可使試樣表層發生嚴重的塑性變形，導致材料堆積，形成與介質流動方向一致的犁溝和唇片；唇片在受到沙粒連續鍛打后呈屑狀脫離母材并留下沖擊凹坑，導致材料迅速流失[15-16]。流速增大一方面使可沙粒的沖擊動能增加，在試樣表面形成更深的犁溝和更大的凹坑；單位時間內試樣表面受到沙粒的沖擊次數增加，留下彼此交疊的犁溝；另一方面還增加了沙粒彼此碰撞的機會，沙粒的運動軌跡也發生相應變化，導致試樣表面的犁溝方向性雜亂[7,14]。

圖3 不同介質流動條件下沖蝕8 h后QAl9-4鋁青銅表面形貌

隨著試驗時間的延長，從圖4可以明顯觀察到鋁青銅試樣表面的犁溝數量逐漸增加，交疊更嚴重，唇片脫落形成的凹坑數量增加。可見，在SiC沙粒的連續沖擊下，試樣表面塑性變形程度隨試驗時間增加而增大，短程犁溝彼此交疊越來越嚴重，沙粒反復沖擊誘發的唇片疲勞脫落越來越多，由表及里產生的唇片剝落與犁削溝槽導致了材料流失[17]。圖3與4的試樣表面形貌證明了在介質流速增大情況下，引發的沙粒沖擊力增加會導致試樣表面塑性變形程度增大，具體表現為試樣累積失重量的增加；而試驗時間的延長也會引發試樣塑性變形的累積效應，導致試樣累積失重量增加。

為進一步了解沙粒粒徑對鋁青銅試樣沖蝕磨損行為的影響，考察了試樣在含0.1，0.3及0.6 mm粒徑SiC沙粒的3.5% NaCl中試驗8 h后的微觀形貌，如圖5所示。由圖可見，鋁青銅試樣表面的魚鱗狀唇片、短程犁溝以及唇片剝落留下的凹坑存在明顯區別。當沙粒粒徑為0.3 mm時，魚鱗狀唇片寬度較大(圖5(b))，與之相比，當沙粒粒徑為0.1與0.6 mm時，魚鱗狀唇片寬度較小(圖5(a)，5(c))，且存在較多的凹坑。

圖4 在介質流速為28.3 m/s條件下，不同試驗時間后QAl9-4鋁青銅試樣表面形貌

圖5 在介質流速為28.3 m/s、沙粒粒徑變化條件下沖蝕8 h QAl9-4鋁青銅試樣表面形貌

從圖6所示的鋁青銅試樣表面平均粗糙度變化來看，在試驗時間相同時，0.3 mm粒徑的沙粒作用試樣表面粗糙度值最大，0.6 mm次之，0.1 mm的最小。在試驗8 h后，0.3 mm粒徑的沙粒作用試樣表面平均粗糙度值最大，約為2.08 μm，分別約為0.1和0.6 mm粒徑的沙粒作用試樣表面的1.97倍和1.59倍。此外， 3種粒徑的沙粒作用試樣表面平均粗糙度均在短時間內(≤4 h)達到較大值，隨后試驗時間的增加對表面粗糙度的影響變弱。圖7示出了在介質流速為28.3 m/s、沙粒粒徑變化條件下沖蝕8 h后QAl9-4鋁青銅試樣表層硬度的變化。試樣表層硬度均呈現出先增大后減小最后趨于平穩的變化趨勢。在離表層約為1 μm處硬度值達到最大，隨深度增加，加工硬化效果越弱，直至基體硬度。其中經粒徑為0.3 mm的SiC沙粒沖蝕后的試樣表層硬度值最大，達到5.7 GPa，分別為0.1和0.6 mm粒徑的SiC沙粒沖蝕后試樣的1.64倍和1.4倍。

圖6 在介質流速為28.3 m/s、沙粒粒徑變化條件下沖蝕不同時間后QAl9-4鋁青銅試樣表面平均粗糙度

圖7 在介質流速為28.3 m/s、沙粒粒徑變化條件下沖蝕8 h后QAl9-4鋁青銅試樣表層硬度的變化

從SiC沙粒粒徑變化導致的QAl9-4鋁青銅試樣表面破壞形貌、平均粗糙度及表層硬度變化來看，較0.1與0.6 mm粒徑的沙粒，當沙粒粒徑為0.3 mm時，其導致的試樣表面破壞程度較大，這一點從試樣的累積失重量(圖2)也可得到驗證。分析認為，在本試驗采用的旋轉圓盤空蝕與沖蝕聯合作用實驗裝置中，旋轉圓盤的轉動帶動介質流動，沙粒隨之流動。流動的沙粒受到介質帶動同向流動的同時，受重力作用還存在著與介質流動方向垂直的運動。該現象會導致單位時間內作用到試樣表面的有效沙粒數的變化。當沙粒作用到試樣表面時，沙粒的沖擊力可分為相對于試樣表面的水平力和垂直力，其中水平分力主要產生為犁削磨損，垂直分力主要產生鍛打擠壓作用。在兩者的共同作用下，試樣表層會發生嚴重的塑性變形，留下犁削作用產生的犁溝和加工硬化層[7,18]。從試驗結果來看，在介質流速為28.3 m/s條件下，當沙粒粒徑為0.3 mm時，鋁青銅試樣受到的沖蝕磨損最為嚴重，同時沙粒的鍛打擠壓作用導致的加工硬化效果最為顯著；當沙粒粒徑為0.1 mm時，單位時間內到達試樣表面的有效沙粒數較多，主要產生犁削磨損，試樣表面的破壞以較為細小的短程犁溝為主(見圖5(a))；當沙粒粒徑為0.6 mm時，單位時間內到達鋁青銅試樣表面的有效沙粒數減少，較0.3 mm粒徑的沙粒產生的犁削磨損的效果差，但因其質量大，較0.1 mm粒徑的沙粒產生的鍛打擠壓作用明顯，因此，試樣沖蝕磨損形貌以雜亂的較寬的短程犁溝為主(見圖5(c))，表層硬度與表面平均粗糙度高于0.1 mm粒徑的沙粒作用的試樣。

3 結 論

(1) 在自制的旋轉圓盤空蝕與沖蝕聯合作用試驗裝置中，在介質流速小于28.3 m/s時，QAl9-4鋁青銅試樣的累積失重量隨介質流速的增加而增大；在SiC沙粒粒徑在0.1～0.6 mm范圍內，試樣的累積失重量隨沙粒粒徑的增大先增加后減小，在沙粒粒徑為0.3 mm時材料流失最為顯著。

(2) 在本試驗條件下，QAl9-4鋁青銅試樣沖蝕磨損形貌主要表現為魚鱗狀唇片、短程犁溝以及唇片剝落留下的凹坑。

(3) SiC沙粒粒徑的變化會導致QAl9-4鋁青銅試樣表面失效形式的變化，粒徑小于0.3 mm時，沖蝕磨損以犁削磨損為主，伴隨鍛打擠壓作用；粒徑大于0.3 mm時，鍛打擠壓作用增強的同時犁削磨損作用減弱。

[1] Zhang Z Q, Guo Z L, Lei Z F. The application of copper alloys in the ship[J]. Development and Application of Materials,2006，21(5)：43-46.

張智強，郭澤亮，雷竹芳.銅合金在艦船上的應用[J].材料開發與應用，2006,21(5):43-46.

[2] Zhou H, Du L, Zhang J M. Transmission electron microscopy study on vacancy in erosion of pure copper[J]. Physics Examination and Testing, 2010, 28(5):22-24.

周 浩， 杜 磊， 張金民.沖刷腐蝕純銅中空位透射電鏡研究[J]. 物理測試，2010, 28(5):22-24.

[3] Wang Z W, Yuan S F. Erosion resistance of HA177-2A in comparison with HSn70-1A[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2005, 25(3): 179-182.

王志武，原素芳.黃銅HSn70-1A、HA177-2A的抗沖刷能力比較研究[J].中國腐蝕與防護學報, 2005, 25(3): 179-182.

[4] Liu Y, Long Y Q, Liu P, et al. Erosion wear behavior of Cu-Cr-Zr alloy in liquid-solid two-phase flow[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007, 17(10):1650-1655.

劉 勇，龍永強，劉 平，等. 液固兩相介質流中Cu-Cr-Zr合金的沖蝕磨損行為[J]. 中國有色金屬學報，2007, 17(10):1650-1655.

[5] Zheng J T, Zhang S P, Zhou X J, et al. Comparative study of erosion-corrosion of B10 and B30 cupronickel[J]. Equipment Environmental Engineering, 2010, 7(1):40-43.

鄭俊濤，張三平，周學杰，等. 白銅B10和B30沖刷腐蝕對比研究[J]. 裝備環境工程, 2010, 7(1):40-43.

[6] Lindsley B A, Marder A R. The effect of velocity on the solid particle erosion rate of alloys [J]. Wear, 1999, 225: 510-516.

[7] Stack M M, Stott F H. An approach to modeling erosion-corrosion of alloys using erosion-corrosion maps [J]. Corros Sci, 1993, 35: 1027-1034.

[8] Zheng Z B, Zheng Y G, Zhou X, et al. Determination of the critical flow velocities for erosion-corrosion of passive materials under impingement by NaCl solution containing sand [J]. Corrosion Science, 2014, 88: 187-196.

[9] Pang Y X, Lu Y N, Yin X Y. The influence of sediment concentration and particle size on the erosion wearing characteristics of QT500[J]. Materials for Mechanical Engineering,2006，30(4)：51-53.

龐佑霞，陸由南，尹喜云.含沙量和沙粒粒徑對QT500材料沖蝕磨損特性的影響[J].機械工程材料，2006,30(4):51-53.

[10] Stack M M, James J S, Lu Q. Erosion-corrosion of chromium steel in a rotating cylinder electrode system: some comments on particle size effects [J]. Wear, 2004, 256(5): 557-564.

[11] Liao Z K, Liu C L, Gao D D, et al. Evolution of morphology of Tin brass failure surface under combined effect of cavitation and erosion[J]. Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), 2015, 29(6):41-53.

廖志康，劉成龍，高丹丹，等. 空蝕與沖蝕聯合作用下錫黃銅表面失效形貌演變[J]. 重慶理工大學學報(自然科學), 2015, 29(6):41-53.

[12] Pang Y X, Lu Y N, Hao S M. Study on effect of impacting speed on erosion wear resistance of 40Cr [J]. Lubrication Engineering,2007，32(4)：112-113.

龐佑霞，陸由南，郝詩明.沖蝕速度對40Cr材料抗沖蝕性能影響的研究[J].潤滑與密封，2007,32(4):112-113.

[13] Farzad Mohammadi, Luo Jingli. Effects of particle angular velocity and friction force on erosion enhanced corrosion of 304 stainless steel [J]. Corrosion Science,2010，52: 2994-3001.

[14] Wang J X, Chen Z, Qin D T. Study on the friction and wear characteristic of water lubricated rubber bearings[J]. Lubrication Engineering,2002，27(4)：21-23.

王家序，陳 戰，秦大同.水潤滑橡膠軸承的摩擦磨損特性及機理研究[J].潤滑與密封，2002,2(4):21-23.

[15] Zhan J X, Fan J C, Zhang L B. Experimental study on erosion wear 30CrMo[J]. Lubrication Engineering,2012，37(4)：16-18.

張繼信，樊建春，張來斌，等.30CrMo合金的沖蝕磨損性能研究[J].潤滑與密封，2012,37(4):16-18.

[16] Pang Y X, Tang Y, Liang L, et al. Flow field simulation and experimental research on interactive erosion and cavitation wears in three phases[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2012，48(3)：116-119.

龐佑霞，唐 勇，梁 亮，等.沖蝕與空蝕交互磨損三相流場仿真與實驗研究[J].機械工程學報，2012,48(4):116-119.

[17] Pang Y X, Liu H C, Zhu Z M, et al. Experimental study of interactive erosion and cavitation wears of 40Cr[J]. Lubrication Engineering,2011，36(8)：20-22.

龐佑霞，劉厚才，朱宗銘，等. 40Cr 沖蝕與空蝕交互磨損試驗研究[J].潤滑與密封，2011,36(8):20-22.

[18] Zhou Q, Liu C L, Liao Z K, et al. Research on the variation of weight loss and mechanical property of tin brass caused by cavitation and erosion[J]. Lubrication Engineering,2014，39(8)：82-84.

周 青，劉成龍，廖志康，等.空蝕與沖蝕交互作用下錫黃銅的材料流失及力學性能研究[J].潤滑與密封，2014,39(8):82-84.

Effect offlow velocity and particle size on the erosion of QAl9-4 aluminum bronze

HUANG Weijiu1,2, LIU Chenglong1,2, LI Zhijun1, WANG Junjun1,2, LIAO Zhikang1

(1. Chongqing Municipal Key Laboratory of Institutions of Higher Education for Mould Technology Chongqing University of Technology, Chongqing 40054, China;2. College of Materials Science and Engineering， Chongqing University of Technology，Chongqing 400054， China)

The erosion of QAl9-4 aluminum bronze has been investigated in 3.5% NaCl including SiC particles by using a rotating disk system. The results show that the mass loss increases with increasing the flow velocity when the velocity is lower than 28.3 m/s, and the mass loss vs particle size exhibits an transition point beyond which the mass loss decreases obviously, which is 0.3 mm. The variations of particle size can lead to the change of the erosion behavior of QAl9-4 aluminum bronze samples. The failure of samples is mainly attributed to the ploughing wear under condition of little particles, however, the forging and extrusion effect improves and the ploughing wear decreases under condition of big particles.

erosion-wear; QAl9-4 aluminum bronze; particle size; flow velocity

1001-9731(2016)10-10193-05

國家自然科學基金資助項目(51171216)

2015-10-24

2015-12-11 通訊作者：黃偉九，E-mail: huangweijiu@cqut.edu.cn

黃偉九 (1969-)，男，長沙人，教授，博士，從事材料強化失效及保護研究。

TG174.2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.036