螺旋桨用铜合金在3.5% NaCl溶液中的空蚀和冲蚀行为

李慧琳,宋亓宁,张根元,许 楠,包晔峰,赵立娟

(河海大学机电工程学院，常州 213022)

随着海洋进一步被开发，国际交往运输愈发频繁，对船舶和一系列海洋结构件的性能要求也越来越高。螺旋桨是船舶动力系统中的核心部件[1-3]，常会遭受海水腐蚀[4]。在局部含沙海域，固体粒子也会以一定速度冲刷腐损(冲蚀)叶片，且由于高速运转下叶片附近液体压力会发生变化，空泡腐蚀(空蚀)问题同样存在。因此，船用螺旋桨材料一般选用具有较好综合力学性能和耐蚀性的铜合金[5]，常用的有锰黄铜和铝青铜。

锰黄铜的铸态组织粗大不均匀[6]，有较大的应力腐蚀开裂倾向，且易发生脱锌腐蚀、空蚀等问题[7]。镍铝青铜是在Cu-Al二元合金系中加入Ni、Mn、Fe等元素[8]，其耐海水腐蚀性能和抗空蚀性能较高，且经济可靠[9]。锰铝青铜中加入了较高含量的Mn(质量分数为11%～13%),抑制了β相的共析转变，可以防止合金缓冷脆化，但其抗空蚀性能低于镍铝青铜，故其使用量略低[10]。

近年来，许多国内外学者研究了螺旋桨用合金材料的空蚀及冲蚀行为[11-12]。于宏等[13-14]利用磁致伸缩空蚀试验机研究了ZQAl9-4-4-2镍铝青铜在2.4% NaCl溶液中的空蚀行为，结果表明：材料在空蚀条件下的最大失重率是在蒸馏水中的2.1倍，微裂纹在α/κ相界处的α相内形成并扩展导致了α相的失重和κ相的剥离。SONG等[15]研究了镍铝青铜和锰铝青铜在3.5% NaCl溶液中的空蚀和腐蚀行为，结果表明：在蒸馏水中，机械侵蚀是主要破坏因素，而在硫化物溶液中，空蚀与腐蚀协同作用会对材料造成破坏。刘海霞等[16]探究了水射流对铜合金的冲蚀与空蚀作用，结果表明：当外加冲击力较大时，空蚀使得试样表面出现空蚀坑并进一步出现塑性变形,当冲击压力为300 MPa，冲蚀时间为15 min时,材料损伤最严重。上述学者探讨了多种铜合金的空蚀与冲蚀行为[17-20]，但采用的试验设备和方法各异，导致结果难以统一衡量，因此有必要对比研究不同种类铜合金在同一溶液中的空蚀与冲蚀行为。

本工作采用超声空蚀试验设备对三种典型船舶螺旋桨用铜合金进行空蚀试验，分析材料的空蚀失重规律；采用旋转圆盘试验和喷射试验分析冲蚀失重规律；并采用扫描电镜对空蚀及冲蚀后的表面形貌进行观察，分析损伤变形特征和机制。

1 试验

试验用3种铜合金的化学成分见表1。采用维氏硬度计测试3种铜合金的硬度，载荷200 g，保荷时间为10 s。测得锰黄铜、锰铝青铜及镍铝青铜的维氏硬度分别为(124±6) HV，(176±8) HV，(177±7) HV。

表1 3种铜合金的化学成分Tab. 1 Chemical composition of three copper alloys %

空蚀试验在3.5% NaCl溶液中进行，试样工作面的形状与尺寸见图1(a)，超声振动空蚀设备示意见图1(b)。用水磨砂纸(240～800号)逐级打磨试样工作面，并用酒精超声清洗，干燥后用精度为0.1 mg的电子天平称量。将试样至于超声波探头正下方0.5 mm处，试样上表面距液面表面15 mm，变幅杆振幅为60 μm，振动频率20 kHz。每隔一定时间取样称量一次，直至5 h试验结束。试验过程中，通过循环冷却水保持测试溶液温度为18～22 ℃。为降低误差，每种铜合金均选择3个平行试样进行试验。

(a) 空蚀试样 (b) 空蚀设备图图1 空蚀试验用试样的工作面形状与尺寸及空蚀设备原理图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)

旋转圆盘冲蚀试验用试样工作面直径为3 cm，喷射冲蚀试验试样直径为2 cm，每种铜合金均选择3个平行试样以降低误差。试验前先将试样工作面用水磨砂纸(240～800 号)逐级打磨，并用酒精进行超声清洗，干燥后用精度为0.1 mg的电子天平称量。进行旋转圆盘试验时，通过旋转圆盘的高速运转，腐蚀介质以一定的速度剪切冲击试样表面造成冲蚀[21]，试验介质为含2%(质量分数)沙的3.5% NaCl溶液(沙粒直径为75～150 μm)，在不同转速(7 ，10 ，15 m/s)下旋转冲蚀6 h后记录质量损失。喷射试验采用喷射式冲刷腐蚀装置，装置由喷射冲刷回路和循环搅拌回路两部分组成，循环搅拌回路用于搅拌含沙溶液，喷射回路用于抽取含沙溶液并经喷嘴喷射至试样表面[22]。其中，喷嘴直径为3 mm，喷嘴出口处离试样表面距离5 mm，控制试样与喷嘴间角度为90°，冲刷流体的流速为15 m/s，试验时间为1 h。采用扫描电镜(JSM-6360LA，加速电压15 kV)对空蚀和冲蚀后试样的表面形貌进行观察。

2 结果与讨论

2.1 微观组织形貌

由图2可见：锰黄铜组织由β相基体、α固溶体和κ相组成。锰铝青铜的基体组织中含有α相、β相和树枝状κ相，其中深灰色α相是富铜固溶体，β相是基于Cu3Al或Cu2MnAl的中间化合物，κ相是富含Mn、Fe的金属间化合物，一般在α相内析出[1]。镍铝青铜的微观组织由粗大魏氏体α相、残余β相和各种形状的κ相组成，包括花瓣状κII、片层状κIII和弥散在α基体中的细小粒状κIV等金属间化合物[9]。

(a) 锰黄铜 (b) 锰铝青铜 (c) 镍铝青铜图2 3种铜合金试样的显微组织Fig. 2 Microstructures of three copper alloy samples: (a) manganese-brass； (b) manganese-aluminum-bronze; (c) nickel-aluminum-bronze

2.2 空蚀试验

由图3可见：在3.5% NaCl溶液中，试验初期(空蚀时间小于1 h)，锰铝青铜和镍铝青铜的质量损失大致相当，锰黄铜空蚀速率明显大于前两者；空蚀1 h后，锰铝青铜的质量损失略大于镍铝青铜，3种试样的质量损失均随着空蚀时间的延长逐渐上升，但空蚀速率的斜率随空蚀时间的延长逐渐减小并趋于稳定；试验至5 h，镍铝青铜的质量损失最小，锰黄铜的最大。锰黄铜、锰铝青铜、镍铝青铜的空蚀速率分别为4.165，1.440，1.090 mg·h-1·cm-2。两种铝青铜的空蚀孕育期均约为1 h，而锰黄铜的空蚀孕育期最短，约为0.5 h。综上所述，抗空蚀性能最强的是镍铝青铜，其次是锰铝青铜，锰黄铜最差。这主要是由于锰黄铜表层硬度较低，在受到空蚀冲击时易产生空蚀坑且易造成材料脱落。

(a) 空蚀质量损失

由图4可见：锰黄铜试样在空蚀的初始阶段(1 h)，富Zn的β相遭受腐蚀，试样表面粗糙度增加，面心立方的α相在空蚀应力下发生塑性变形，另外，由于晶体结构的差异，α、β及κ相对空蚀应力的响应不一，导致α/κ和β/κ相界处产生裂纹和较小的空蚀孔洞[23]。空蚀3 h时，α相内出现了明显的韧窝状组织，产生了剧烈的塑性变形，β相开始出现解理断裂，空蚀孔洞进一步发展为较大且不规则的空蚀坑，平滑表面也被破坏。空蚀5 h时，原始组织几乎已经不能分辨，只有少部分β相残余，并且表面遍布大而深的空蚀坑。

(a) 1 h (b) 3 h (c) 5 h图4 锰黄铜在3.5% NaCl溶液中空蚀不同时间后的表面形貌Fig. 4 Surface morphology of manganese brass after cavitation etching in 3.5% NaCl solution for different times

由图5可见：在空蚀初期，锰铝青铜中的α相由于硬度最低，最先开始出现空蚀损伤，材料表面出现许多微孔洞和裂纹，且κ相发生整体脱落，β相无明显的空蚀损伤。空蚀3 h，剧烈塑性变形使残留的α相发生空蚀，原始组织不复存在，β相也发生了解理断裂，空蚀孔洞进一步扩展，空蚀坑数量增加，材料表面十分粗糙。空蚀5 h后，材料的原始组织已分辨不清，局部出现大且深的凹坑。

(a) 1 h (b) 3 h (c) 5 h图5 锰铝青铜在3.5% NaCl溶液中空蚀不同时间后的表面形貌Fig. 5 Surface morphology of manganese aluminum bronze after cavitation etching for different times in 3.5% NaCl solution

由图6可见：镍铝青铜试样在空蚀初期，表面基本完整，塑性变形只发生在局部与κ相相邻的α相中，并在κ/α相界处出现裂纹以及一些微孔。随着空蚀的进行，相界上的裂纹将会扩展，κ/α相界被进一步破坏，使得κ相脱落，留下空蚀坑，材料表面出现较明显的损伤，空蚀 3 h后，腐蚀使得κ相暴露在材料表面并面临脱落，空蚀坑的尺寸进一步扩大，数量增加，表面变得更加粗糙。空蚀5 h后，试样表面空蚀坑数量大幅增加，但整体较为平坦，没有出现大而深的海绵状空蚀形貌。

空蚀损伤是腐蚀与力学冲击协同作用的结果，腐蚀会粗化材料表面，降低表面的力学性能，在力学冲击条件下，损伤加速；空蚀还会破坏材料表面腐蚀产物膜，并使材料表面活性增加，增加暴露在腐蚀介质中的新鲜材料表面，从而加重腐蚀损伤。由图4～6可见：在3.5% NaCl溶液中空蚀5 h后，锰黄铜表面的破坏的最严重，出现大且深的空蚀孔洞，锰铝青铜表面的空蚀孔洞明显少于锰黄铜，镍铝青铜的表面破坏相对较轻微，没有出现大而深的空蚀坑。这是由于锰铝青铜中α相是基体，而锰黄铜中β相是基体，β相在空蚀应力作用下会发生解理断裂，导致较大失重。另外，锰黄铜的β相富Zn，在3.5% NaCl溶液中优先发生腐蚀，而腐蚀又进一步促进空蚀应力下的损伤，所以锰黄铜的耐空蚀性能较差。镍铝青铜中的α相是面心立方结构，有很好的加工硬化能力[13]，且原始α+κIII共析组织的存在增强了表面的强度和硬度，空蚀裂纹由于深度方向扩展受阻而易于横向扩展，试样表面不会出现大而深的空蚀坑，抗空蚀能力较好。综上，镍铝青铜的抗空蚀能力最强，锰铝青铜次之，锰黄铜最差。

(a) 1 h (b) 3 h (c) 5 h图6 镍铝青铜在3.5% NaCl溶液中空蚀不同时间后的表面形貌Fig. 6 Surface morphology of Ni-Al bronze after cavitation etching for different times in 3.5% NaCl solution

2.3 冲蚀试验

2.3.1 旋转圆盘冲蚀试验

由图7可见，3种铜合金的冲蚀质量损失均随着转盘转速的增加而增加。这是由于随着转盘转速增大，含沙溶液对材料表面的剪切作用增加，且溶液中沙粒对材料表面的冲击概率增大，导致材料质量损失增加。在不同转速条件下，镍铝青铜都表现出较锰黄铜和锰铝青铜更强的耐冲蚀能力。当转速为15 m/s时，锰黄铜、锰铝青铜、镍铝青铜的冲蚀速率分别为1.160 1，0.892 4，0.594 9 mg·h-1·cm-2。

(a) 质量损失

锰黄铜的冲蚀速率最高，这是由于锰黄铜的强度、硬度较低，在相同的试验条件下，其抗沙粒切削能力弱，表面易变形和脱落。

当旋转圆盘高速旋转时，试样工作面与转盘保持平行，含沙溶液在转盘带动下与试样保持一定的速度进行相对运动，冲击材料表面，从而使试样表面受到剪切作用。同时，犁削作用使得试样表面发生严重塑性变形，导致材料堆积，形成与介质流动方向一致的犁沟和唇片，造成材料流失。

由图8可见：在含沙量2%的3.5% NaCl溶液中冲蚀6 h后，3种试样表面均存在与流速方向一致的犁沟和唇片。锰黄铜和锰铝青铜试样经6 h冲蚀后，表面出现了明显的犁沟槽和沙粒冲击坑(孔洞)，这是由于在沙粒剪切作用下，材料被挤出形成唇片并在沙粒的剪切作用下不断脱落。随着冲蚀的不断进行，表面粗糙度增加，平整不一，因此在较大冲蚀角的部位，沙粒的冲击会造成表面出现孔洞和较深的犁沟槽。相比于锰黄铜，锰铝青铜表面的冲击坑更浅，材料流失程度较轻，这得益于其较高的表面硬度和耐蚀性。镍铝青铜表面并未发现明显孔洞，损伤程度较小，抗冲蚀性能最好。

(a) 锰黄铜

2.3.2 喷射冲蚀试验

由图9可见：经过1 h喷射冲蚀试验后，锰黄铜、锰铝青铜、镍铝青铜的冲蚀速率分别为5.222 9，1.782 6，1.684 8 mg·h-1·cm-2。可见，锰黄铜的冲蚀速率最大，锰铝青铜和镍铝青铜表现出更高的耐冲蚀能力。

图9 3种铜合金在含2%沙的3.5% NaCl溶液中喷射冲蚀1 h后的冲蚀失重Fig. 9 Erosion mass loss of three copper alloys after jet impingement for 1 h in 3.5% NaCl solution containing 2% sand

喷射冲蚀试验中，在试样的不同位置，固体颗粒的实际冲击角和冲击速度是从试样中心沿半径方向改变的，这导致不同冲蚀区域表现出不同的冲蚀变形行为，如图10所示。

由图10可知，3种铜合金试样经喷射冲刷后的冲蚀形貌类似，均可以观察到3个冲蚀区域，试样表面轮廓大致呈“W”形。对于喷嘴正下方的区域1，沙粒正向冲击材料表面，在力学冲击下造成材料的变形，3种材料表面均出现了分布不均匀的沙粒压痕。而对于靠近喷嘴正下方的区域2，材料表面受到的冲蚀最严重，表现出犁沟和唇片形貌，这是由于随着距试样中心距离的增大，材料表面冲击角减小，正应力和切应力共同主导该区域的冲蚀损伤，因此产生了严重的塑性变形而出现了犁沟和唇片，并在正应力反复冲击下，造成表面压痕。对于远离喷嘴正下方的区域3，材料表面的犁沟变得更浅更长，意味着这一区域的冲击角已经变得很小，在小的冲击角下，剪切应力占主导地位，驱动沙粒沿流动方向在材料表面滑动，使得材料堆积在犁沟末端形成唇片或碎屑，见图11。

图10 3种铜合金喷射冲蚀不同区域的损伤深度示意图Fig. 10 Schematic diagram for the erosion damage depth of three copper alloys at different areas after jet impingement erosion

(a) 锰黄铜区域1 (b) 锰黄铜区域2 (c) 锰黄铜区域3

对比发现，锰黄铜由于表面硬度较低且耐蚀性较差，腐蚀和冲蚀的协同作用更显著，其表面犁沟较深，且犁沟末端的碎屑出现大量剥落，材料流失较严重，锰铝青铜和镍铝青铜表面的犁沟较浅，表面损伤程度较轻，抗冲蚀性能较好。

3 结论

(1) 在空蚀作用下，锰黄铜的空蚀孕育期最短，其β相基体优先遭受腐蚀且发生解理断裂，材料表面出现大而深的空蚀坑；锰铝青铜的α相首先被破坏，随即β相出现解理断裂，材料表面局部出现空蚀坑；镍铝青铜在α/κ相界处出现裂纹，α相发生塑性变形，κ相由于裂纹扩展而脱落，表面粗糙度相对较小。空蚀5 h后，锰黄铜的空蚀速率最大。

(2) 旋转圆盘冲蚀试验中，3种铜合金失重均随转盘转速增加而增加，其中锰黄铜的冲蚀速率最大。3种铜合金表面均出现犁沟和唇片形貌，其中锰黄铜表面的犁沟较深，材料流失最严重。

(3) 喷射冲蚀试验中，锰黄铜的冲蚀质量损失最大。3种铜合金表面均可分为3个冲蚀区域，其中靠近喷嘴正下方的区域同时受到正应力和切应力共同作用，导致的材料流失最严重。3种材料的抗冲蚀性能由高到低为镍铝青铜、锰铝青铜、锰黄铜。