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 材料科學與工程學院，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 材料科學與工程學院，重慶 400054)

利用自主研發的轉盤式沖蝕實驗裝置，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。結果表明，在0～30°沖蝕角度范圍內，鋁青銅試樣的累積質量損失隨角度增大而增加；當沖蝕角度大于30°后，累積質量損失降低。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、黃河及內海等領域航行，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1 200多kg/m3[1]。螺旋槳的服役環境較為嚴酷，處于江河水、固體粒子及溶解在水中氣體的共存環境，在高速運轉過程中容易受到沖蝕、空蝕及沖刷的作用，導致其表面材料大量流失，造成失效。此外，螺旋槳在高速運轉時，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，在相同實驗條件下，導致材料失重量最大的沖蝕角度因材料變化而存在區別。鮑崇高等[3]研究認為不銹鋼在0～45°范圍內，其失重量隨角度增大而增加；當沖擊角度大于45°后，失重量隨角度增大而減小。Stack[4]認為材料失重的最大攻角與材料種類和工況(轉速、介質等)相關，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。本文利用自主研發的沖蝕磨損實驗機，模擬船用螺旋槳的實際工況，考察沖蝕角度變化對銅合金沖蝕磨損行為的影響規律，為船用螺旋槳在江河水中的失效分析提供實驗依據。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料選用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相和以單獨質點分布在組織中的Pb相組成的(如圖1所示)。實驗前，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鋁青銅的主要化學成分(%,質量分數)

1.2 實驗方法

在自制的沖蝕磨損實驗機上進行沖蝕實驗(如圖2所示)。鋁青銅試樣安裝在旋轉圓盤上(試樣中心距軸心R=77.5 mm)，在轉盤室中注入以SiC顆粒制備含沙水。試樣規格為?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)，實現變化沖擊角度的沖蝕實驗。

實驗前后采用無水乙醇超聲清洗試樣3 min。實驗進行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。

實驗條件：轉盤轉速為2 520 r/min，轉盤室壓力為0.1 MPa，實驗時間為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°，實驗過程中介質溫度控制在50 ℃以下。

圖1 鋁青銅顯微組織

圖2 自制沖蝕磨損試驗機

圖3 沖蝕角度變化的鋁青銅試樣

2 結果與討論

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，同時局部還出現一些凹坑。分析認為，當沖蝕角度為0°時，沖蝕以單純的切削形式進行，導致試樣表面形成明顯方向性的長程犁溝；當沖蝕角度為15°時，試樣表面既受到水平切削作用又受到垂直分量產生的撞擊作用，但垂直分量產生的撞擊作用過弱，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，導致犁溝長度明顯減小，且出現凹坑；當沖蝕角度為45°時，試樣表面受垂直分量產生的撞擊作用明顯增大，導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小的擠壓唇，隨后粒子再對擠壓唇或剪切唇進行鍛打，嚴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。分析認為，水平切削作用使得表面出現犁溝，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行鍛打，嚴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。可見，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，試樣表面已經產生沖蝕磨損，機制以微切削、剝落和犁溝為主。通過截面分析(如圖9所示)發現，沖蝕形成的凹坑內存在明顯的微裂紋。微裂紋的擴展方向不一致，有的向材料內部擴展，有的沿著接近平行于試樣表面的方向擴展。分析認為：在劇烈的沖刷作用下，鋁青銅試樣表面會發生嚴重的塑性變形，晶體發生滑移，晶體內部也會發生一定程度的滑移，位錯大量聚集，微裂紋在晶界處萌生，同時腐蝕介質通過微裂紋與內部組織接觸發生晶界腐蝕，改變材料表面的強度，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的表面積，而沖刷能加速傳質過程，促進腐蝕產物脫離材料表面，加速腐蝕導致的材料流失[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 論

(1) 在本實驗條件下，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，其累積質量損失隨角度增加而增大；當沖蝕角度為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變為帶有凹坑的方向性減弱的短程犁溝。

(3) 沖蝕角度越高，沖蝕磨損導致鋁青銅試樣表面平均粗糙度越低。

[1] Bao C G, Gao Y M, Xing J D, et al. Advances in study of materials for overflowing parts of hydraulic turbines used in sediment-laden waters[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2001, 21(6):14-16.

鮑崇高,高義民,邢建東.含沙水域水輪機過流部件的材料應用及進展[J]. 水利水電科技進展, 2001, 21(6):14-16.

[2] Bai W J. Research on erosion behaviors of several engineering materials [J]. Zhejiang Chemical Industry, 2004, 35(11):17-20.

白萬金.材料沖蝕行為及機理的研究[J]. 浙江化工學報, 2004, 35(11):17-20.

[3] Bao C G, Gao Y M, Xing J D. Interaction between erosive-wear and corrosion of alloy materials for hydroturbine in hydroelectric station[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University,2010,44(11):66-70.

鮑崇高,高義民,邢建東.水輪機過流部件材料的沖蝕磨損腐蝕及其交互作用[J]. 西安交通大學報, 2010, 44(11):66-70.

[4] Stack M M, Purandare Y, Hovsepian P. Impact angle effect on the erosion-corrosion of superlattice CrN/NbN PVD coatings [J]. Surface and Coatings Technology, 2004, 188-189: 556-565.

[5] Dai Z, Duan Z X, Shen S M. Factors on erosion-corrosion in liquid-solid two-phase flow system [J]. Nanjing University of Technology, 2006, 35(6):20-23.

代 真,段志祥,沈士明.流體力學因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[J]. 南京工業大學, 2006, 35(6):20-23.

[6] Zheng Y G, Yao Z M. Review on the effect of hydrodynamic factors on erosion-corrosion [J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2000, 21(1):36-40.

鄭玉貴,姚治銘.流體力學因素對沖刷腐蝕的影響機制[J]. 中國腐蝕與防護學報,2000,21(1):36-40.

[7] Dong G. Research on erosion behaviors of several engineering materials [D]. Thesis for the Master degree in Engineering, Zhejiang University of Technology, 2008.

董 剛.材料沖蝕行為及機理研究[D].碩士研究生學位論文,浙江工業大學,2008.

[8] Xu Z. Research on the erosion-corrosion behavior of P110 steel in liquid-solid two-phase flow [D]. Thesis for the Master degree in Engineering, Northeast Petroleum University, 2011.

徐 哲.流固兩相流條件下P110鋼沖刷腐蝕研究 [D].碩士研究生學位論文,東北石油大學,2011.

[9] Dong G, Zhang J Y. Developments of research on the solid particle erosion of materials [J]. Journal of Materials Science and Engineering, 2003, 21(2):307-312.

董 剛,張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進展 [J]. 材料科學與工程學報, 2003, 21(2):307-312.

[10] Zhao H Y, Chen H H, Shao H S. The study on thecorrosion-erosion wear behaviour and wear mechanism of several steels [J]. Tribology, 1996, 16(2):112-119.

趙會友,陳華輝,邵荷生.幾種鋼的腐蝕沖蝕磨損行為與機理研究 [J]. 摩擦學學報, 1996, 16(2):112-119.

[11] Al-Hashem A, Riad W. The role of microstructure of nickel- aluminum- bronze alloy on its cavitation corrosion behavior in natural seawater[J].Material Characterization, 2002, 48:37-41.

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，主要從事材料強化、失效及保護。

TG115.5

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.043