空蚀是超声振荡器、水泵、水轮机、船用螺旋桨以及其他水利机械过流部件的一种常见破坏现象 ,它是由于液体内部压力的起伏引起液体蒸汽以及溶于液体中的气体形核、生长及溃灭的空化过程 所造成的损害,又称气蚀<1>.镍铝青铜具有良好的综合力学性能及耐空蚀、
腐蚀性能,是最常 用的舰船螺旋桨材料之一<2>.由于加入了Ni、Fe、Mn等合金元素,镍铝青铜的组织复杂 ,由α相和各种κ相组成<3>.Al-Hashem等<4,5>对铸态镍铝青铜在海水中腐蚀 空蚀进行了研究,发现镍铝青铜遭受选择性腐蚀,析出相——κ相周围的α相优先腐蚀,而κ相和 没有析出相的α相不腐蚀;空蚀导致大的空蚀坑、韧性撕裂及5～10μm微裂纹(在靠近κ相的 α相中).螺旋桨的铸造缺陷和空蚀破坏严重的区域常用堆焊的方法修补,对堆焊层的空蚀腐蚀性 能及其行为的了解是很重要的,因为它有助于预测修复后的螺旋桨的服役行为及其寿命,但是有关 这方面的报道很缺乏.本文拟用TIG在铸态镍铝青铜上堆焊同种材料,并对堆焊层的空蚀腐蚀性 能进行研究.1 实验方法试验材料是一块长500mm、宽200mm、高20mm的铸态ZC Cu3板材,其铸造工艺类似ZCCu3螺旋桨.ZCCu3的名义成分为(质量分数):(7～ 11)%Al、(2～6)%Fe、(2～6)%Ni、(0.5～4)%Mn、其余Cu,化学 分析的成分8.56%Al、4.84%Fe、4.49%Ni、1.40%Mn、79.53% Cu.在板的中央加工一条长500mm、宽15mm、深5mm的槽,然后用TIG进行堆焊,充填材料与母材种类相同,堆焊电流为350A,电压为17V,保护气体为氩气,堆焊后打磨平整.用线切割在堆焊层上切取14mm×20mm的圆柱,分别加工成空蚀、电化学和金相试样.空蚀试样为 12.7mm,一端扁平,一端带有螺纹,试样打磨、抛光到镜面,再经清洗、脱脂处理,吹干备用.电化学试样为 11.3mm的圆柱,焊上铜导线,用环氧树脂封装,只露出1cm2的工作面,逐级打磨到100 0号水砂纸,用丙酮除油,去离子水清洗后备用.金相试样,打磨、抛光,用FeCl3水溶液侵 蚀,待观察.为了对比,还制备了铸态镍铝青铜试样.空蚀实验在超声振动空蚀设备上进行,试样 拧在变幅杆的自由端上(参照ASTMG32<6>),变幅杆的频率为20kHz,振幅为60 μm(峰到峰),实验介质为3.5%NaCl(体积分数)水溶液,温度保持在(25±2)° C.实验一段时间后,拧下试样,然后清洗、干燥、称重,精确到0.1mg.电化学测量采用由 试样、参比电极(饱和甘汞电极)和辅助电极(铂铌丝)组成的三电极体系,在EG&GPARC 273电化学工作站上进行,介质3.5%NaCl溶液,室温.实验前至少监测开路电位15m in使体系达到稳定,扫描电位从-200(vs.Ecorr.)～0mV(vs.SCE), 扫描速度0.167mV/s.金相和空蚀形貌分别用光学显微镜(OLYM-PUSPME3) 和扫描电镜(JSM-840)观察.2 实验结果及讨论2.1 焊态镍铝青铜的显微组织图1 是镍铝青铜的金相照片.图1(a)显示了铸态镍铝青铜的微观组织,由轻微侵蚀的α相(面心立方结构的富铜固溶体)、侵蚀较深的片层状共析相(α+κ)和各种形态的κ相(金属间化合物)组成:尺寸不超过10μm的枝晶状颗粒为κ 相,分布在α相内尺寸不超过1μm的颗粒是κ 相,呈片层状的共析金属间化合物是κ 相<7,8>.图1(b)显示焊态镍铝青铜的微观组织,比铸态的细小得多,这是由于堆焊过程中凝固及冷却速度快的缘故;而且快速冷却还使共析转变及从α相中析出κ 的反应被抑制,在低温区发生马氏体转变<8>,所以焊态镍铝青铜由轻微侵蚀的α相及马氏体(M)和少量的κ 相组成.图1 镍铝青铜的微观组织Fig.1 Microstructureof(a)as- castand(b)as-weldednickelaluminumbronze5641 2.2 焊态镍铝青铜的空蚀性能图2所示为试样空蚀累积失重及失重率随时间变化的曲线.图2 (a)显示累积失重随时间的增长而增长,空蚀30min以后,焊态试样的累积失重明显小于铸 态;空蚀2.5h,焊态试样的累积失重为12.1mg,而铸态的为17.5mg.图2(b) 显示空蚀一开始,失重率随时间快速增长,2h后增长速度明显减慢;焊态试样的空蚀率比铸态的 小,空蚀2.5h,焊态的空蚀率为7.6mg/h,而铸态的为9.6mg/h.这些结果表明 ,焊态镍铝青铜的抗空蚀性能明显优于铸态.图1显示焊态镍铝青铜的晶粒比铸态的小得多,晶粒 越细小,材料组织的力学性能(包括屈服强度、抗拉强度、硬度和断裂韧性)越好,材料的抗空蚀 破坏能力与它的力学性能具有正相关性关系<9>,所以,焊态镍铝青铜的抗空蚀破坏性能比铸态 好.图2 镍铝青铜的累积失重(a)及失重率(b)随时间变化的曲线Fig.2 Thecu mulativemassloss(a)andmasslossrate(b)asfunc tionoftimeofNAB 图3所示为焊态试样的空蚀形貌.由图可见,空蚀0.5h ,在空蚀应力的作用下,焊态试样表面发生了大的塑性变形,形成了大量的微突起,沿着晶界出现 了大量的微坑(见图3(a)),其中一部分微坑是由于α相与晶界马氏体变形速率不一致,不同 滑移面在晶界交汇而形成的,也可能是晶界电位低,形成腐蚀微电池,空蚀又加强腐蚀的结果;另 一部分微坑是由于局部空蚀应力超过某些晶界的强度极限所致,如图3(a)方框所示的较大的微 坑.随着空蚀的继续进行,空蚀1h,这些微坑长大、连接,形成微裂纹(见图3(b)).在空 蚀应力的作用下,沿着晶界向纵深扩展,与此同时,裂纹还向α相扩展,最终导致晶粒整体脱落, 由于焊态镍铝青铜晶粒细小,空蚀比较均匀,没有大的空蚀坑(见图3(c)).根据以上现象可 以这样描述焊态镍铝青铜的空蚀破坏机制:在空蚀应力的作用下,在晶界出现微坑,微坑长大连接 成微裂纹,裂纹扩展导致失去金属.图4所示是铸态试样的空蚀形貌.由图可见,空蚀0.5h,在试样表面α相的边缘、κ相周围已经形成了裂纹,共析相(α+κ)已经开始失去金属(见图4(a)),这主要是由于共析相中薄片状的κ 抵抗破坏的能力较差,在空蚀应力的作用下很容易断裂、脱落的缘故;空蚀1h,试样表面变得粗糙 ,局部出现了空蚀坑(见图4(b)),这是由于裂纹沿着相界及向α相扩展的结果;随着空蚀继 续进行,裂纹相纵深扩展,导致晶粒整体脱落,小的空蚀坑演变成大坑(见图4(c)).在铸态 镍铝青铜空蚀过程中,所观察到的裂纹在α相边缘和κ相周围产生及大空蚀坑的出现等现象,与文 献<4,5>中的结果是一致的.2.3 焊态镍铝青铜的电化学腐蚀图5所示为是镍铝青铜试样 在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线.由图可见,焊态试样的自腐蚀电位较铸态试样的发 生了正移,大约150mV,表明镍铝青铜螺旋桨的缺陷经这种工艺堆焊修复处理后,不会形成小 阳极大阴极而加速腐蚀.图3 焊态镍铝青铜的空蚀形貌Fig.3 Morphologies oftheerodedas-weldedNABsamples图4 铸态镍铝青铜的空蚀形 貌Fig.4 Morphologiesoftheerodedas-castNABsam ples图5 镍铝青铜试样在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线Fig.5 Pote ntiodynamicpolarizationcurvesoftheNABsample sin3.5%NaClsolution3 结 语利用TIG在铸态镍铝青铜板上堆焊同种材料得到的焊态镍铝青铜,组织发生了变化,由α相、M相和κ组成,而且晶粒非常细小.焊态镍铝青铜的耐空蚀性能比铸态的好,空蚀2.5h,焊态镍铝青铜的 累积失重不到铸态的70%,失重率是铸态的0.79.焊态镍铝青铜的自腐蚀电位正移,不会发 生优先腐蚀.因此,利用TIG堆焊同种材料修复镍铝青铜螺旋桨,补焊处的寿命应该不短于基材 .焊态镍铝青铜的空蚀腐蚀性能@李小亚$上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室!上海2 00030海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室洛阳船舶材料研究所青岛分部青岛266071河北科技大学材料科学与工程学院石家庄050054
@闫永贵$海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室洛阳船舶材料研究所青岛分部!青岛266071
@马力$海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室洛阳船舶材料研究所青岛分部!青岛266071
@许振明$上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室!上海200030
@李建国$上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室!上海200030镍铝青铜;;钨极氩弧 焊;;
堆焊层;;空蚀;;腐蚀利用钨极氩弧焊(TIG)在铸态镍铝青铜上制备了同种材料的堆 焊层,分析了堆焊层的组织,并利用超声振动空蚀设备及电化学工作站对堆焊层的空蚀腐蚀性能进 行了研究.结果表明,焊态镍铝青铜的空蚀腐蚀性能均优于铸态,采用TIG堆焊同种材料修复镍 铝青铜螺旋桨,堆焊层不会发生优先空蚀腐蚀破坏.<1> 柳 伟,郑玉贵,姚治铭,等.金属 材料的空蚀研究进展
.中国腐蚀与防护学报,2001,21(4):250-255.L IUWei,ZHENGYu-gui,YAOZhi-ming,etal.Research progressoncavitationerosionofmetallicmateri als.JournalofChineseSocietyforCorro-sionandProtection,2001,21(4):250-255.
<2> 汤文新.舰船螺旋桨用材料及特种试验技术的研究.舰船科学技术,1998,(3):47-56.TA
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