宣布时间：2021-11-04点击：3226
摘要
接纳超声振动空蚀设备、电化学事情站对锰黄铜、高锰铝青铜、镍铝青铜的空蚀失重纪律、空蚀中的电化学历程、腐化-空蚀交互作用进行了测试剖析，并接纳扫描电镜对空蚀损伤形貌进行视察。结果标明，耐空蚀性能由高到低为：镍铝青铜、高锰铝青铜、锰黄铜�？帐闯跗�，镍铝青铜、高锰铝青铜的α相爆发塑性变形，裂纹在α/κ相界处萌生。高锰铝青铜中β基体相爆发解理开裂。锰黄铜α基体相爆发严重塑性变形，空蚀损伤严重�？帐词姑袒仆透呙搪燎嗤母缥徽�，镍铝青铜的腐化电位爆发负移，3种质料的腐化电流密度均提高了一个数量级。3种质料均是以力学损伤为主导的空蚀损伤机制，交互作用主要是由腐化增进空蚀所引起。
要害词：螺旋桨;铜合金;空蚀;交互作用
21世纪是海洋世纪，世界各国都把海洋领域的生长放在越来越重要的位置上，要建设“海洋强国”，海洋装备的自主化、现代化即是实现这一目标的要害所在，这要求船舶质量优和有效寿命足够长。作为船舶的重要推进装置的螺旋桨，在海水中会遭受腐化，也会受到空蚀�？帐词侵赣捎谝禾迥诓垦沽ζ鸱鹌菪魏恕⑸ひ约袄Ｃ鸬恼庖豢栈�，所造成质料的损伤[1,2]。另外，空蚀和腐化之间保存交互作用，加速质料的失效。因此，要求船用螺旋桨质料具有优异的力学性能和耐腐化性。铜及其合金具有优异的耐海水腐化性能，锰黄铜、高锰铝青铜及镍铝青铜是3种广泛应用于海洋船舶螺旋桨的铜合金。锰黄铜，具有较好的蒙受冷热加工能力，在海水、氯化物及过热蒸汽中有很好的耐蚀性，且其造价较低，但极易爆发脱锌腐化，力学性能和抗空蚀性能进一步下降，用于制造低转速螺旋桨。高锰铝青铜和镍铝青铜是两种添加了Mn、Fe和Ni的铝青铜。镍铝青铜具有强度高、断裂韧性好、耐海水空蚀、耐海水腐化等优点，较广泛应用于螺旋桨质料，可是造价较高。高锰铝青铜与锰黄铜相比，它具有更高的力学性能和耐海水腐化性能；与镍铝青铜相比，它具有更好的焊接、热加工和铸造性能[3-5]。
目前，学者对空化和空蚀现象进行了大宗研究，但空化与空蚀现象涉及流体力学、质料学、声学等多个方面，且质料与介质种类繁多，质料的空蚀机理尚未有统一结论[6,7]。关于铜合金质料的空蚀机理，Trethewey等[8]认为铜合金的加工硬化能力是重要决定因素，Hucinska等[9]认为层错能巨细是决定因素，但Suh等[10]认为质料的抗空蚀性能与层错能巨细无对应关系，而Zhang等[11]认为镍铝青铜的微观组织对抗空蚀性能有着很大的影响，铜合金的空蚀机理还没有统一定论。深化3种铜合金空蚀机理研究，为提高螺旋桨质料抗空蚀性能做理论指导有着重大意义。另外，在腐化性介质中服役的装置还会受到腐化作用，通常腐化和空蚀之间保存交互作用，且二者配相助用造成质料的损失要比其单独作用的总和大得多[12-14]。Song等[15]研究标明，由空蚀和腐化之间的交互作用引起的质量损失抵达铸造的镍铝青铜在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的累积质量损失的31.45%。Kwok等[16]研究标明，低碳钢交互作用引起的质量损失抵达其在3.5%NaCl溶液中的累积质量损失的66%，而不锈钢交互作用引起的质量损失可忽略不计。对螺旋桨用铜合金的空蚀-腐化交互作用进行研究，有利于深入揭示空蚀损伤机制。
本文以3种典范船舶螺旋桨用铜合金为研究工具，对其在3.5%NaCl溶液中的空蚀行为以及电化学行为进行了比照研究，对腐化与空蚀的交互作用进行了剖析与讨论；并通过视察空蚀前后3种铜合金的外貌形貌，揭示空蚀损伤机理。研究结果可为螺旋桨制造业选材及进一步提高螺旋桨质料的性能及寿命提供理论依据。
1.实验要领
实验质料为3种典范船用螺旋桨质料用铜合金，即ZHMn55-3-1锰黄铜(Mn-brass)、ZQMn12-8-3-2高锰铝青铜(MAB)和ZQAl9-4-4-2镍铝青铜(NAB)，化学身分如表1所示。
用5gFeCl3+2mLHCl+95mLC2H5OH溶液对经打磨、抛光的3种铜合金试样进行蚀刻，接纳光学显微镜视察微观组织。
接纳Qsonica700超声振动空蚀设备，依照ASTMG32-10标准进行空蚀实验。振动频率为20kHz，振幅为60μm。将超声振动探头置在试样正上方0.5mm处，试样陶醉于测试介质中，且试样外貌与液面的距离为15mm。为了剖析腐化与空蚀之间的交互作用，也展开了在蒸馏水中的空蚀实验。每种质料均选择3个平行试样进行测试。接纳扫描电镜(SEM，JEOLISM-6480)视察空蚀后试样的外貌形貌。
利用Gamry1000E电化学事情站进行电化学测试。腐化介质为由剖析纯NaCl试剂和蒸馏水配制而成的3.5%NaCl溶液，铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，试样作为事情电极，袒露在溶液的面积为1cm2。为研究空蚀对试样腐化电位的影响，进行了静态-空蚀交替条件下的腐化电位监测，静态和空蚀划分连续30min。首先将试样在静态和空蚀状态下划分坚持30min以获得稳定电位，之后进行极化曲线测试，电位扫描速率设定为0.5mV·s-1，扫描电位规模为相关于开路电位-0.25~0V。每组实验选择3个平行试样，以减小实验误差。
2.结果及剖析
2.13种铜合金的显微组织
锰黄铜、高锰铝青铜和镍铝青铜的光学显微组织如图1所示。图1a显示了锰黄铜的光学显微组织蚀，其中亮白色的不规则块状或条状的是α相，除α相以外是以电子化合物CuZn为基的固溶体β相，玄色较小的颗粒相是硬度较大的富铁相κ相，主要漫衍于β相内，也有部分漫衍于α相[17]。高锰铝青铜由α富Cu基体相、不规则形状β相和漫衍于α相中的粗大树枝状κ相组成。α相是面心立方结构铜基固溶体，β相是基于Cu3Al或Cu2MnAl的体心立方结构，κ相是富Fe和Mn的相[3]，如图1b所示。图1c和d显示了镍铝青铜的光学显微组织。图1c中亮白色呈条状的是α相，β‘是高密度的基于NiAl的析出相，κ相分为4个差别类型的富Fe金属间化合物相。κⅠ是玫瑰形状的沉淀相，直径5~10μm。κⅡ是小树突玫瑰形状相，主要漫衍在α/β相界限，直径从1~2μm。κⅢ是细小的片状共析结构。κⅣ相是细小沉淀相，金属间化合物中铁含量***高，巨细差别(直径＜0.5μm)，疏散于α相[18]，如图1d所示。
2.2空蚀结果与剖析
2.2.1空蚀失重
图2a为3种质料在蒸馏水和3.5%NaCl溶液中的空蚀失重与时间关系曲线�？梢钥闯�，镍铝青铜抗空蚀性能***好，高锰铝青铜次之，锰黄铜***差。锰黄铜在蒸馏水中空蚀5h后，失重率为3.4417mg·cm-2·h-1，划分是高锰铝青铜和镍铝青铜的2.82和3.82倍。图2b显示了3种质料在蒸馏水和3.5%NaCl溶液中的空蚀失重率与时间关系曲线。锰黄铜、高锰铝青铜和镍铝青铜空蚀孕育期划分约为0.5、1和2h。蒸馏水中的失重是由空泡溃灭所造成的机械攻击引起的。3种铜合金在3.5%NaCl溶液中的失重都比在蒸馏水中的大，这是由于腐化和空蚀交互作用的结果。锰黄铜在3.5%NaCl溶液中空蚀5h后的失重率为4.4167mg·cm-2·h-1，划分是高锰铝青铜和镍铝青铜的3.07和4.06倍。3种铜合金的空蚀孕育期均在0.5h以内。
2.2.2空蚀历程中的电化学测试
图3为3种铜合金在静态和空蚀交替下的电位变革结果�？梢钥闯�，空蚀对3种铜合金的电位影响差别，空蚀使锰黄铜和高锰铝青铜的腐化电位划分正移118.3和103.7mV，使镍铝青铜的电位负移25.7mV。腐化电位和腐化电流密度由阳极和阴极历程配合决定�？帐匆环矫婊崞苹抵柿贤饷惭趸�，加速阳极历程；另一方面使溶液中的产品和反应物的扩散速度加剧，加速阴极历程。目今者作用为主时，空蚀使得腐化电位降低；后者作用为主时，空蚀使得腐化电位升高[16,19,20]。在3.5%NaCl溶液中，铜及其合金的阴极历程是氧还原反应，阳极历程是铜的溶解和铜的氧化物形成[20]。Song等[15]的研究标明，在静态的3.5%NaCl溶液中，锰黄铜的富Zn基体β相会爆发优先腐化，高锰铝青铜中大尺寸树枝状的富Fe和Mn的κ相会爆发局部腐化，且外貌腐化产品膜中Fe和Cu的氧化物之间的差别也会降低膜的致密性和�；ば浴Ｒ虼�，关于这两种质料，外貌形成的腐化产品膜�；ば越喜罨蛘咴诙淌奔淠诓豢煽焖傩纬�，空蚀主要加速了溶液中的氧扩散，从而加速阴极历程，因此电位正移；空蚀停止后，氧扩散变慢，电位负移，并恢复到静态时的数值。而镍铝青铜的外貌在3.5%NaCl溶液中快速生成外层为Cu2O而内层为Al2O3的具有�；ば缘哪21,22]，在空蚀状态下，膜被破坏，阳极历程被加速而爆发电位负移；空蚀停止后，外貌又快速形成�；つご佣沟缥徽浦辆蔡钡氖怠Ｍ�4为3种铜合金在3.5%NaCl溶液中的静态和空蚀状态下的极化曲线，表2是相应的腐化电流密度和腐化电位结果�？梢钥闯�，在静态和空蚀条件下的腐化电位顺序与图4中结果一致，且空蚀使得3种质料腐化电流密度均提高了一个数量级。在静态和空蚀条件下腐化速度都是取决于氧还原历程，空蚀会加速电化学反应历程，降低质料与溶液界面处的电荷转移电阻，空泡溃灭所爆发的攻击波或微射流破坏了铜合金外貌的钝化膜，使局部外貌处于活性溶解状态。另外，空泡溃灭瞬间会释放大宗能量，在质料的外貌爆发局部高温，随着空蚀的进行，质料外貌爆发孔洞和微裂纹，外貌粗糙度加大，这些均会加速电化学反应历程，因此空蚀使得腐化电流密度增加[8]�？帐炊�3种铜合金氧还原历程增加的水平相差不大，所以空蚀使3种质料的腐化电流密度都增加且增加的幅度接近。
2.2.3交互作用剖析
质料在腐化介质中爆发的空蚀历程，外貌不但有空蚀爆发的机械破坏，另有电化学腐化作用。腐化的电化学和空蚀的力学攻击作用不是独立进行的，两者会爆发交互作用，造成的质料损伤比两者单独作用相加之和更为严重。腐化和空蚀交互作用可以用下面的方程式体现[23]：
其中，WT是空蚀总失重，即试样在腐化介质中空蚀总失重；WE是由力学因素引起的纯空蚀失重，即试样在蒸馏水中的失重；WC是静态条件下纯腐化失重；WS是由于腐化-空蚀交互作用造成的损失；WEIC是由空蚀因素引起的腐化失重增量；WC和WEIC划分通过Faraday定律并结合静态和空蚀条件下的腐化电流密度盘算而得。WCIE是由腐化因素引起的空蚀失重增量，由总失重减其他各个分量而得。
凭据Faraday定律将腐化电流密度转换成腐化速率，盘算方程式如下：
其中，v为腐化速率，mg·cm-2·h-1；A为金属的原子量(Cu为64g·mol-1)；n为价数，即金属阳极反应方程式中的电子数(Cu取+1)；Icorr为腐化电流密度，A·cm-2；F是Faraday常数，数值为96500C/mol。
3种质料的交互作用剖析结果见表3所示�？梢钥闯�，3种质料的纯空蚀占总失重的比值，即fS数值很大，说明三者均体现出机械损伤为主的空蚀损伤机制，纯腐化所占的比例很小。这是由于铜及其合金在海水中形成氧化膜从而具有优异的耐蚀性所致[24,25]。交互作用引起失重占总失重的比例(fs)由大到小依次是：锰黄铜(21.67%)、镍铝青铜(16.35%)、高锰铝青铜(13.70%)。3种质料的fCIE均大于fEIC，即交互作用主要是由腐化引起空蚀的增量引起，这是由于腐化会降低差别相之间的结协力，增加外貌粗糙度，降低金属外貌的力学性能，从而加重在空蚀应力作用下的破坏。
2.2.4空蚀形貌
图5划分为锰黄铜、高锰铝青铜及镍铝青铜在3.5%NaCl溶液中空蚀1和5h后的外貌形貌�？帐�1h后，锰黄铜较软的α相损伤严重，位于β相上的部分κ相爆发脱落，别的β相也爆发了明显的腐化，如图5a1所示。高锰铝青铜的α相爆发塑性变形，α/κ相界处应力集中***先爆发空蚀，并造成κ相的脱落，这是由于差别相对空蚀的响应差别，裂纹易于爆发于相界处，另外β相爆发解理开裂[26]，如图5b1所示。镍铝青铜空蚀损伤***轻，α相与κ相性能差别大，α/κⅢ相界处易爆发裂纹[27]，如图5c1所示�？帐�5h后，锰黄铜空蚀损伤加重，原组织已无法辨认，外貌遍布大而深的空蚀坑，呈蜂窝状，如图5a2所示。高锰铝青铜外貌尚存部分β相，空蚀损伤加剧，空蚀孔洞遍布外貌，如图5b2所示。镍铝青铜损伤***轻，硬度较高的共析片层状组织还部分保存于外貌，如图5c2所示。由于锰黄铜的基体相是β相，在空蚀应力下爆发解理开裂，且优先爆发腐化，腐化与空蚀交互作用会加剧空蚀应力作用下的损伤，因此其耐空蚀性能***差。高锰铝青铜中大尺寸的κ相脱落和β相的解理开裂是其耐空蚀性能低于镍铝青铜的主要原因。别的，有研究标明，镍铝青铜中的α相比高锰铝青铜的α相具有更优的加工硬化能力，这也是其耐空蚀性能较好的原因之一[8]。
3.结论
(1)在本实验条件下，3种质料耐空蚀性能由高到低依次是：镍铝青铜，高锰铝青铜，锰黄铜。锰黄铜在3.5%NaCl溶液中空蚀5h后，失重率为4.4167mg·cm-2·h-1，划分是高锰铝青铜和镍铝青铜的3.07和4.06倍。3种铸态质料空蚀孕育期均在0.5h以内。
(2)空蚀使锰黄铜和高锰铝青铜的腐化电位正移，使镍铝青铜的腐化电位负移�？帐词沟�3种质料的腐化电流密度提高了一个数量级。
(3)锰黄铜、高锰铝青铜和镍铝青铜的纯空蚀作用引起的失重占腐化-空蚀总失重的比例划分为77.92%、84.94%和82.70%，纯腐化分量占总失重比例很小，标明质料空蚀应力所引起的力学攻击损伤是空蚀破坏的主导因素。锰黄铜、高锰铝青铜和镍铝青铜的腐化-空蚀交互作用所引起的失重占总失重的21.67%、13.70%和16.53%，主要是由腐化增进空蚀的增量所引起。锰黄铜爆发脱锌腐化，会恶化质料外貌的力学性能，增加外貌粗糙度，因此腐化显著增进空蚀。
(4)关于镍铝青铜和高锰铝青铜，在空蚀应力下，α相爆发塑性变形，空蚀裂纹优先在κ相和α相的界面处萌生。另外，高锰铝青铜β相爆发解理开裂。然而，锰黄铜基体β相爆发解理开裂，较软的α相爆发严重塑性变形，外貌粗糙度***大，耐空蚀性能***差。
来源：中国腐化与防护学报
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