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

(河海大學機電工程學院，常州 213022)

隨著海洋進一步被開發(fā)，國際交往運輸愈發(fā)頻繁，對船舶和一系列海洋結(jié)構(gòu)件的性能要求也越來越高。螺旋槳是船舶動力系統(tǒng)中的核心部件[1-3]，常會遭受海水腐蝕[4]。在局部含沙海域，固體粒子也會以一定速度沖刷腐損(沖蝕)葉片，且由于高速運轉(zhuǎn)下葉片附近液體壓力會發(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)濟可靠[9]。錳鋁青銅中加入了較高含量的Mn(質(zhì)量分數(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機研究了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)形成并擴展導致了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)同作用會對材料造成破壞。劉海霞等[16]探究了水射流對銅合金的沖蝕與空蝕作用，結(jié)果表明：當外加沖擊力較大時，空蝕使得試樣表面出現(xiàn)空蝕坑并進一步出現(xiàn)塑性變形,當沖擊壓力為300 MPa，沖蝕時間為15 min時,材料損傷最嚴重。上述學者探討了多種銅合金的空蝕與沖蝕行為[17-20]，但采用的試驗設備和方法各異，導致結(jié)果難以統(tǒng)一衡量，因此有必要對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設備對三種典型船舶螺旋槳用銅合金進行空蝕試驗，分析材料的空蝕失重規(guī)律；采用旋轉(zhuǎn)圓盤試驗和噴射試驗分析沖蝕失重規(guī)律；并采用掃描電鏡對空蝕及沖蝕后的表面形貌進行觀察，分析損傷變形特征和機制。

1 試驗

試驗用3種銅合金的化學成分見表1。采用維氏硬度計測試3種銅合金的硬度，載荷200 g，保荷時間為10 s。測得錳黃銅、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種銅合金的化學成分Tab. 1 Chemical composition of three copper alloys %

空蝕試驗在3.5% NaCl溶液中進行，試樣工作面的形狀與尺寸見圖1(a)，超聲振動空蝕設備示意見圖1(b)。用水磨砂紙(240～800號)逐級打磨試樣工作面，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，振動頻率20 kHz。每隔一定時間取樣稱量一次，直至5 h試驗結(jié)束。試驗過程中，通過循環(huán)冷卻水保持測試溶液溫度為18～22 ℃。為降低誤差，每種銅合金均選擇3個平行試樣進行試驗。

(a) 空蝕試樣 (b) 空蝕設備圖圖1 空蝕試驗用試樣的工作面形狀與尺寸及空蝕設備原理圖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)圓盤沖蝕試驗用試樣工作面直徑為3 cm，噴射沖蝕試驗試樣直徑為2 cm，每種銅合金均選擇3個平行試樣以降低誤差。試驗前先將試樣工作面用水磨砂紙(240～800 號)逐級打磨，并用酒精進行超聲清洗，干燥后用精度為0.1 mg的電子天平稱量。進行旋轉(zhuǎn)圓盤試驗時，通過旋轉(zhuǎn)圓盤的高速運轉(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]，試驗介質(zhì)為含2%(質(zhì)量分數(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，試驗時間為1 h。采用掃描電鏡(JSM-6360LA，加速電壓15 kV)對空蝕和沖蝕后試樣的表面形貌進行觀察。

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，包括花瓣狀κII、片層狀κIII和彌散在α基體中的細小粒狀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

由圖3可見：在3.5% NaCl溶液中，試驗初期(空蝕時間小于1 h)，錳鋁青銅和鎳鋁青銅的質(zhì)量損失大致相當，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間的延長逐漸上升，但空蝕速率的斜率隨空蝕時間的延長逐漸減小并趨于穩(wěn)定；試驗至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相對空蝕應力的響應不一，導致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，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，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。空蝕3 h，劇烈塑性變形使殘留的α相發(fā)生空蝕，原始組織不復存在，β相也發(fā)生了解理斷裂，空蝕孔洞進一步擴展，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。隨著空蝕的進行，相界上的裂紋將會擴展，κ/α相界被進一步破壞，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，空蝕坑的尺寸進一步擴大，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沖擊協(xié)同作用的結(jié)果，腐蝕會粗化材料表面，降低表面的力學性能，在力學沖擊條件下，損傷加速；空蝕還會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相在空蝕應力作用下會發(fā)生解理斷裂，導致較大失重。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，而腐蝕又進一步促進空蝕應力下的損傷，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了表面的強度和硬度，空蝕裂紋由于深度方向擴展受阻而易于橫向擴展，試樣表面不會出現(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，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

2.3.1 旋轉(zhuǎn)圓盤沖蝕試驗

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，含沙溶液對材料表面的剪切作用增加，且溶液中沙粒對材料表面的沖擊概率增大，導致材料質(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的耐沖蝕能力。當轉(zhuǎn)速為15 m/s時，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度、硬度較低，在相同的試驗條件下，其抗沙粒切削能力弱，表面易變形和脫落。

當旋轉(zhuǎn)圓盤高速旋轉(zhuǎn)時，試樣工作面與轉(zhuǎn)盤保持平行，含沙溶液在轉(zhuǎn)盤帶動下與試樣保持一定的速度進行相對運動，沖擊材料表面，從而使試樣表面受到剪切作用。同時，犁削作用使得試樣表面發(fā)生嚴重塑性變形，導致材料堆積，形成與介質(zhì)流動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

由圖9可見：經(jīng)過1 h噴射沖蝕試驗后，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?？梢?，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

噴射沖蝕試驗中，在試樣的不同位置，固體顆粒的實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個沖蝕區(qū)域，試樣表面輪廓大致呈“W”形。對于噴嘴正下方的區(qū)域1，沙粒正向沖擊材料表面，在力學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。而對于靠近噴嘴正下方的區(qū)域2，材料表面受到的沖蝕最嚴重，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，正應力和切應力共同主導該區(qū)域的沖蝕損傷，因此產(chǎn)生了嚴重的塑性變形而出現(xiàn)了犁溝和唇片，并在正應力反復沖擊下，造成表面壓痕。對于遠離噴嘴正下方的區(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，剪切應力占主導地位，驅(qū)動沙粒沿流動方向在材料表面滑動，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相由于裂紋擴展而脫落，表面粗糙度相對較小?？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，材料流失最嚴重。

(3) 噴射沖蝕試驗中，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個沖蝕區(qū)域，其中靠近噴嘴正下方的區(qū)域同時受到正應力和切應力共同作用，導致的材料流失最嚴重。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。