激光重熔镍铝青铜组织、腐蚀及空蚀行为研究

（河海大学机电工程学院，江苏常州213022）

0 前言

随着海洋开发、海防安全以及国际交往与运输的频繁，对船舶性能的要求越来越高。螺旋桨是船舶的重要推进装置，它在海水中长期浸泡及高速旋转，面临腐蚀和空泡腐蚀（空蚀）问题。其中，空蚀是一种由于液态内部压力起伏引起的气泡形核、生长以及溃灭的空化过程所导致的材料损伤形式[1]。在腐蚀介质中，空蚀和腐蚀之间存在着交互作用，加速材料的损伤失效。

镍铝青铜（Nickel aluminum bronze，NAB）具有优异的力学性能、耐海水腐蚀及耐空蚀性能等，成为制备船用螺旋桨的重要材料之一[2]。大型螺旋桨多采用铸造制备而成，然而镍铝青铜组织转变复杂，铸态组织粗大且不均匀[3]。研究表明，铸态NAB在海水中会发生选择相腐蚀[4]，在空蚀应力下，不同相对空蚀应力的响应不同，导致一些化合物κ相脱落而增加空蚀损伤[5]，继而缩短NAB螺旋桨的使用寿命。

目前，激光表面改性技术包括激光表面熔敷、重熔及热处理等，越来越广泛地应用于材料表面工程领域[6-7]。其中，激光重熔处理（Laser surface melting，LSM）无需添加额外材料且重熔层与基体之间冶金结合。研究表明，LSM显著提高了X65钢的硬度和耐冲刷-腐蚀性能[8]；通过LSM，奥氏体不锈钢和双相不锈钢中的碳化物及σ相发生重熔，耐晶间腐蚀能力得到显著提高[9]；Zhang等人[10]的研究表明，LSM细化了铸态镁合金AM50的微观组织并提高了其硬度和摩擦磨损性能；Tang等人[11]指出，铸态Mn-Ni-Al青铜经过LSM后获得细小均匀的单相组织，硬度显著提高，空蚀失重降至铸态的1/5.3。基于此，本研究采用LSM处理铸态NAB并改变LSM参数，研究微观组织、硬度、腐蚀和空蚀行为。

1 实验方法

1.1 材料及激光重熔处理

实验用材料为铸态NAB，化学成分如表1所示。将尺寸200 mm×50 mm×8 mm的NAB板打磨、喷砂处理后进行激光重熔处理。激光设备为光大激光焊机GD-ECYW300，激光光斑直径1 mm，具体参数如表2所示。激光焊道之间的搭接率为50%，处理过程中采用Ar气保护。

1.2 微观组织及硬度测试

打磨、抛光不同参数LSM NAB的横截面，之后用5 g FeCl3+2 ml HCl+95 ml C2H5OH溶液进行蚀刻，采用光学显微镜及扫描电镜JEOL ISM-6480观察微观组织。采用维氏显微硬度试验机测试距离LSM NAB表面不同深度处的硬度，载荷200 g，持续时间15 s。每个深度处硬度测试点不少于10个，以保证测试结果的准确性。

表1 铸态镍铝青铜（LSM）的化学成分Table 1 Chemical composition of the as-cast NAB %

表2 LSM参数Table 2 LSM parameters used

1.3 电化学测试实验

利用Gamry 1000E电化学工作站进行电化学测试。采用典型的三电极体系，其中铸态及LSM NAB为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。腐蚀介质为由分析纯氯化钠试剂和蒸馏水配制而成的3.5%NaCl溶液。将试样在3.5%NaCl中浸泡30 min以获得稳定的开路电位，然后进行电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）和极化曲线测试。每种材料至少选择3个平行试样，以保证实验结果的可重复性。

1.4 空蚀实验

采用超声振动空蚀实验设备并依照ASTM G32-10[12]标准进行空蚀实验。振幅60 μm，振动频率为20 kHz，超声振动探头位于试样正上方0.5 mm处，试样表面沉浸于3.5%NaCl溶液内，试样表面与液面距离15 mm。每种材料均选择3个平行试样进行测试。采用SEM观察空蚀后试样的表面形貌。

2 实验结果和讨论

2.1 微观组织及硬度分析

铸态及LSM NAB的微观组织如图1所示。铸态NAB由粗大的魏氏体α相、多种κ相以及β'相组成。其中κ相包括球状或花瓣状的κⅠ和κⅡ、片层状的κⅢ以及分布在基体α相内部的粒状κⅣ。κⅠ，κⅡ和κⅣ均是基于Fe3Al的金属间化合物，κⅠ和κⅡ的成分和结构均相同，但前者尺寸较大[3]。κⅢ是基于NiAl的金属间化合物[3]，存在于共析组织α+κⅢ内。经过LSM后，NAB微观组织发生了显著变化。由图1可知，从LSM NAB表面到铸态基体依次为激光重熔区、热影响区（HAZ）以及基体。重熔区为细小柱状魏氏体组织，魏氏体α晶粒方向垂直于熔池界面，这是因为激光热源使重熔区发生熔化，由于铜基体具有良好的导热性能，重熔区迅速凝固形成魏氏体组织，魏氏体α呈柱状晶形状，定向凝固使得柱状晶的长轴垂直于熔池界面。熔池下方为热影响区，加热温度低于NAB熔点，未发生重熔，主要包含较粗大的等轴晶以及柱状晶组织。这是由于在加热过程中，NAB发生向高温β相转变，在冷却过程中β相转变为魏氏体α相，由于该区域温度梯度相对于重熔区较小，柱状晶不明显，且出现等轴晶α相，而该处过冷度较小，导致形核率较小，因此晶粒较为粗大。

图1 铸态及LSM NAB的微观组织Fig.1 Optical microstructures of cast and LSM NAB

在4种参数的LSM NAB中，5/60和5/120的重熔层深度可达近190 μm。3.5/120×2和3.5/120的重熔区深度约160 μm。相比于激光处理速度和道次等参数，激光功率对重熔区深度的影响较为显著。LSM NAB沿厚度方向的硬度分布结果如图2所示。4种参数LSM NAB的硬度结果较为接近，重熔区硬度值为285～325 HV，热影响区硬度为230～260 HV之间，铸态NAB基体的硬度均值为188 HV。与铸态NAB相比，LSM将硬度提高了50%～70%。重熔区组织为细小的魏氏体组织，硬度值远大于基体，而热影响区组织相对粗大，硬度值低于重熔区。

图2 LSM NAB距表面不同距离处的硬度分布情况Fig.2 Microhardness profiles of cross-section of LSM NAB

2.2 电化学测试结果和分析

铸态及LSM NAB的Nyquist图和极化曲线图分别如图3、图4所示。由图3可知，5种材料的Nyquist曲线均包含一个容抗弧和一个Warburg阻抗，表明其电极过程类似。但4种LSM NAB的容抗弧半径均大于铸态NAB，显示LSM NAB的耐腐蚀性能较铸态有所提高。其中，3.5/120的容抗弧半径最大，即腐蚀性能最优。由图4可知，5种材料的阴极和阳极过程非常接近。阴极段显示出其腐蚀速率受氧扩散控制，阴极反应为：O2+4H2O+4e-→4OH-。因此认为腐蚀速率与氧阴极还原的极限扩散电流密度一致。这5种材料的阴极段略有不同，3.5/120的氧极限扩散电流最低，即腐蚀速率最小，腐蚀性能最优，铸态的极限扩散电流密度最大，即腐蚀速率最大。这一结果与Nyquist图的结果一致。铸态组织不均匀，在β'相和共析组织α+κⅢ处优先发生腐蚀，耐蚀性较差，LSM显著均匀化了铸态组织，并使共析组织α+κⅢ发生重熔，因此提高了NAB的耐腐蚀性。由于5/60和5/120的热输入量较大，导致凝固后在LSM NAB内部残留较大的残余应力，此外，高的热输入还会导致低熔点元素（如Al元素）烧损，这些都会降低耐腐蚀性能。同理，相对于单道次处理，双道次处理进一步增加了低熔点元素的烧损，因此3.5/120×2的耐蚀性略低于3.5/120。

2.3 空蚀实验结果及分析

图3 铸态及LSM NAB在3.5%NaCl溶液中的Nyquist图Fig.3 Nyquist plots of cast and LSM NAB in 3.5%NaCl solution

图4 铸态及LSM NAB在3.5%NaCl溶液中的极化曲线图Fig.4 Polarization curves of cast and LSM NAB in 3.5%NaCl solution

铸态及LSM NAB的空蚀失重与时间关系曲线如图5所示。空蚀5 h后，铸态NAB的空蚀失重率为0.975 mg·cm-2·h-1；5/60 失重率与铸态较为接近，高达0.9833mg·cm-2·h-1；5/120和3.5/120的失重率分别为 0.6917 mg·cm-2·h-1和 0.675 mg·cm-2·h-1；双道处理 3.5/120×2 的失重率最小，约 0.588 9 mg·cm-2·h-1，仅为铸态基体的3/5。

图5 铸态及LSM NAB在3.5%NaCl溶液中的空蚀失重-时间曲线Fig.5 Cavitation erosion mass loss results of cast and LSM NAB in 3.5%NaCl solution

空蚀不同时间后的表面形貌如图6所示。空蚀1 h后，铸态NAB的κ相周围出现裂纹（见图6a），这是由于铸态组织中κ与α相之间成分、结构均不同，导致对空蚀应力的响应不一致，因此在相界面处萌生裂纹[5]，随着裂纹的扩展，κ相将脱落。此外，在铸态表面已经出现较大空蚀坑。对LSM NAB而言（见图6b），空蚀损伤较轻且均匀，裂纹在空蚀应力下沿着细晶α相的相界面萌生并扩展。随着空蚀时间的延长，空蚀坑遍布整个铸态NAB的表面，原NAB基体组织已无法辨认，表面非常粗糙（见图6c）；而LSM NAB的表面损伤程度较铸态明显减轻，且表面损伤均匀，粗糙度远小于铸态NAB（见图6d）。可见，由于组织的均匀化、细化和硬度的升高，LSM显著提高了铸态NAB的空蚀抗力。3.5/120×2的空蚀性能最优，这是由于双道次处理使得组织进一步均匀化。5/60失重较大是由于其热输入量较大，内部残余应力较大，导致表面加工硬化能力较差，疲劳强度降低，因此耐空蚀抗力降低。

3 结论

图6 铸态及LSM NAB在3.5%NaCl溶液中空蚀不同时间后的表面形貌Fig.6 Surface morphologies of cast and LSM NAB after cavitation erosion in 3.5%NaCl solution for different time

（1）铸态NAB组织为粗大的魏氏体α、多种κ以及β'相。LSM显著细化了铸态组织，LSM NAB重熔区组织为细小的柱状晶，柱状晶长轴垂直于熔池界面，热影响区组织为晶粒较粗大的柱状晶和部分等轴晶。由于组织的细化，LSM NAB硬度比铸态基体提高了50%～70%。

（2）在3.5%NaCl溶液中，LSM NAB与铸态的电极反应过程类似，极化曲线显示LSM NAB阴极反应过程较缓慢，腐蚀速率较小，腐蚀性能较优，与EIS结果一致。

（3）由于硬度的提高和组织的均匀化，LSM NAB在3.5%NaCl溶液中的空蚀损伤较轻且均匀，无铸态表面存在的较大空蚀坑，3.5/120×2的空蚀失重率降至铸态NAB的3/5。

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