沖蝕速度及沙粒粒徑對(duì)鋁青銅沖蝕磨損的影響*

黃偉九，劉成龍，李志均，王軍軍，廖志康

(1.重慶理工大學(xué) 重慶市模具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 40054;2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054)

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沖蝕速度及沙粒粒徑對(duì)鋁青銅沖蝕磨損的影響*

黃偉九1,2，劉成龍1,2，李志均1，王軍軍1,2，廖志康1

(1.重慶理工大學(xué) 重慶市模具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 40054;2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054)

利用旋轉(zhuǎn)式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)QAl9-4鋁青銅在含SiC沙粒的3.5%NaCl中的沖蝕磨損行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在介質(zhì)流速小于28.3 m/s時(shí)，失重量隨介質(zhì)流速的增加而增大；失重隨沙粒粒徑變化有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在粒徑為0.3 mm時(shí)材料流失最為顯著。沙粒粒徑變化引起QAl9-4鋁青銅沖蝕磨損行為的變化，小粒徑時(shí)以犁削磨損為主，大粒徑時(shí)鍛打擠壓作用增強(qiáng)的同時(shí)犁削磨損作用減弱。

沖蝕磨損；鋁青銅；沙粒粒徑；沖擊速度

0 引 言

隨著船舶向大型化、高速化發(fā)展，對(duì)推進(jìn)器用材提出了更高的要求。目前，船用螺旋槳較多選用具有較高剛度、屈服強(qiáng)度和抗生物污染能力的銅合金。螺旋槳服役環(huán)境大多為含顆粒的腐蝕性流體，服役過程中銅合金與腐蝕性流體間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致銅合金部件的損傷，甚至報(bào)廢[1]。截止目前，針對(duì)銅合金在高速多相流體系中的失效破壞，研究人員分別從空蝕與沖刷腐蝕兩個(gè)方向開展了部分研究，其中沖刷腐蝕的主要研究對(duì)象是純銅、黃銅、白銅、Cu-Cr-Zr合金等[2-5]。此外，研究表明，在含固相粒子的高速流體中，金屬材料的失效形式、材料流失與粒子沖擊速度、粒徑等因素密切相關(guān)[6-10]，而目前針對(duì)純銅及銅合金進(jìn)行的沖刷腐蝕試驗(yàn)的粒子沖擊速度都較小[2-5]。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究在粒子沖擊速度較高情況下，螺旋槳用QAl9-4鋁青銅的材料流失行為與失效微觀形貌，探討沖蝕速度與粒子粒徑變化對(duì)鋁青銅的沖蝕磨損失效行為的影響規(guī)律及作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選用上?？聻I鋁業(yè)有限公司的QAl9-4鋁青銅板材，其主要化學(xué)成分見表1。利用線切割，將QAl9-4鋁青銅板材加工成9 mm×20 mm×3 mm規(guī)格試樣。試驗(yàn)前，試樣在稀鹽酸中超聲除油，隨后利用200～1000#金相水磨砂紙逐級(jí)打磨試樣的試驗(yàn)面，最后在乙醇和丙酮溶液中超聲清洗后烘干待用。

表1 QAl9-4鋁青銅的主要化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在自制的旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行[11]。具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)過程中，每隔1 h取樣1次，超聲清洗20 min后吹干，隨后采用精度為0.1 mg的JA1003B電子天平稱重；采用TR220手持式粗糙度測(cè)試儀測(cè)試試樣表面平均粗糙度；利用NanoTestMT納米硬度測(cè)量?jī)x測(cè)量試樣表層硬度，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值；利用JSM6460LV掃描電鏡觀察沖蝕后試樣表面微觀形貌。

表2 QAl9-4鋁青銅沖蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖蝕磨損失重分析

在含粒徑為0.3 mm SiC沙粒的3.5% NaCl測(cè)試介質(zhì)中，QAl9-4鋁青銅的累積失重量與介質(zhì)流速的關(guān)系如圖1所示。由圖可見，在相同的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，隨著介質(zhì)流速的逐步增大，試樣的累積失重量逐步增加，而且隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，該效應(yīng)越發(fā)明顯。沖蝕8 h后，在28.3 m/s介質(zhì)流速條件下試樣的累積失重量為301.3 mg，分別為23.6和18.8 m/s流速條件下的1.6倍和2.4倍。分析認(rèn)為，在介質(zhì)流速較低時(shí)，介質(zhì)中沙粒的動(dòng)能較小，單位時(shí)間內(nèi)作用到試樣表面的有效沙粒數(shù)較少，且沖擊力較低，引發(fā)的材料流失較??；當(dāng)介質(zhì)流速增大時(shí)，粒子動(dòng)能增加，單位時(shí)間內(nèi)作用到試樣表面的有效沙粒數(shù)增加，且沙粒沖擊力增大，誘發(fā)更為嚴(yán)重的材料表層失效，表現(xiàn)出累積失重量增加[10,12]。

圖1 介質(zhì)流速變化條件下QAl9-4鋁青銅累積質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化曲線

在介質(zhì)流速為28.3 m/s時(shí)，QAl9-4鋁青銅的累積失重量與沙粒粒徑的關(guān)系如圖2所示。由圖可知，在試驗(yàn)時(shí)間小于1 h時(shí)，沙粒粒徑變化對(duì)鋁青銅試樣的流失量影響不大；而當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間超過1 h后，沙粒粒徑增加會(huì)顯著導(dǎo)致試樣失重量的增大。在試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到8 h后，粒徑為0.1 mm的SiC沙粒使試樣累積失重量達(dá)到209.8 mg，而粒徑為0.3和0.6 mm的SiC沙粒引起的累積失重量分別達(dá)到340.0和315.0 mg。本試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用實(shí)驗(yàn)裝置，旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)介質(zhì)流動(dòng)，沙粒而隨之流動(dòng)。沙粒在隨從介質(zhì)流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還存在著與介質(zhì)流動(dòng)方向垂直的運(yùn)動(dòng)[12]。在沙粒粒徑小于0.3 mm時(shí)，介質(zhì)流動(dòng)給予沙粒的動(dòng)能足夠大，重力引起的垂直方向的運(yùn)動(dòng)分量較低，其沖擊力足夠誘發(fā)試樣表面失效。與粒徑為0.1 mm的試驗(yàn)條件相比，0.3 mm粒徑的沙粒質(zhì)量大，其動(dòng)能和沖擊力也大，因而會(huì)導(dǎo)致相同實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)試樣累積失重量的增大；而當(dāng)粒徑大于0.3 mm時(shí)，重力引起的垂直方向的運(yùn)動(dòng)分量增加，單位時(shí)間內(nèi)作用于試樣表面的沙粒量會(huì)減少，從而導(dǎo)致相同實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)試樣累積失重量的降低。

圖2 沙粒粒徑變化條件下QAl9-4鋁青銅累積質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化曲線

2.2 沖蝕試樣表面形貌與沖蝕磨損失效行為分析

圖3示出了不同介質(zhì)流速條件下沖蝕8 h后QAl9-4鋁青銅試樣的表面形貌。由圖可見，試樣表面形貌主要表現(xiàn)為魚鱗狀的唇片、短程犁溝以及唇片剝落留下的凹坑[7,14]。隨著介質(zhì)流速的增大，試樣表面的破壞程度逐步加重，尤其當(dāng)介質(zhì)流速為28.3 m/s時(shí)(圖3(c))，試樣表面的犁溝深度增加，方向性變得雜亂，凹坑的面積與數(shù)量增大。試驗(yàn)過程中，含沙介質(zhì)對(duì)試樣表面的作用可分為與試樣表面平行的犁削作用和垂直于試樣表面的鍛打擠壓作用。犁削作用可使試樣表層發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，導(dǎo)致材料堆積，形成與介質(zhì)流動(dòng)方向一致的犁溝和唇片；唇片在受到沙粒連續(xù)鍛打后呈屑狀脫離母材并留下沖擊凹坑，導(dǎo)致材料迅速流失[15-16]。流速增大一方面使可沙粒的沖擊動(dòng)能增加，在試樣表面形成更深的犁溝和更大的凹坑；單位時(shí)間內(nèi)試樣表面受到沙粒的沖擊次數(shù)增加，留下彼此交疊的犁溝；另一方面還增加了沙粒彼此碰撞的機(jī)會(huì)，沙粒的運(yùn)動(dòng)軌跡也發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致試樣表面的犁溝方向性雜亂[7,14]。

圖3 不同介質(zhì)流動(dòng)條件下沖蝕8 h后QAl9-4鋁青銅表面形貌

隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，從圖4可以明顯觀察到鋁青銅試樣表面的犁溝數(shù)量逐漸增加，交疊更嚴(yán)重，唇片脫落形成的凹坑數(shù)量增加?？梢姡赟iC沙粒的連續(xù)沖擊下，試樣表面塑性變形程度隨試驗(yàn)時(shí)間增加而增大，短程犁溝彼此交疊越來越嚴(yán)重，沙粒反復(fù)沖擊誘發(fā)的唇片疲勞脫落越來越多，由表及里產(chǎn)生的唇片剝落與犁削溝槽導(dǎo)致了材料流失[17]。圖3與4的試樣表面形貌證明了在介質(zhì)流速增大情況下，引發(fā)的沙粒沖擊力增加會(huì)導(dǎo)致試樣表面塑性變形程度增大，具體表現(xiàn)為試樣累積失重量的增加；而試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)也會(huì)引發(fā)試樣塑性變形的累積效應(yīng)，導(dǎo)致試樣累積失重量增加。

為進(jìn)一步了解沙粒粒徑對(duì)鋁青銅試樣沖蝕磨損行為的影響，考察了試樣在含0.1，0.3及0.6 mm粒徑SiC沙粒的3.5% NaCl中試驗(yàn)8 h后的微觀形貌，如圖5所示。由圖可見，鋁青銅試樣表面的魚鱗狀唇片、短程犁溝以及唇片剝落留下的凹坑存在明顯區(qū)別。當(dāng)沙粒粒徑為0.3 mm時(shí)，魚鱗狀唇片寬度較大(圖5(b))，與之相比，當(dāng)沙粒粒徑為0.1與0.6 mm時(shí)，魚鱗狀唇片寬度較小(圖5(a)，5(c))，且存在較多的凹坑。

圖4 在介質(zhì)流速為28.3 m/s條件下，不同試驗(yàn)時(shí)間后QAl9-4鋁青銅試樣表面形貌

圖5 在介質(zhì)流速為28.3 m/s、沙粒粒徑變化條件下沖蝕8 h QAl9-4鋁青銅試樣表面形貌

從圖6所示的鋁青銅試樣表面平均粗糙度變化來看，在試驗(yàn)時(shí)間相同時(shí)，0.3 mm粒徑的沙粒作用試樣表面粗糙度值最大，0.6 mm次之，0.1 mm的最小。在試驗(yàn)8 h后，0.3 mm粒徑的沙粒作用試樣表面平均粗糙度值最大，約為2.08 μm，分別約為0.1和0.6 mm粒徑的沙粒作用試樣表面的1.97倍和1.59倍。此外， 3種粒徑的沙粒作用試樣表面平均粗糙度均在短時(shí)間內(nèi)(≤4 h)達(dá)到較大值，隨后試驗(yàn)時(shí)間的增加對(duì)表面粗糙度的影響變?nèi)酢D7示出了在介質(zhì)流速為28.3 m/s、沙粒粒徑變化條件下沖蝕8 h后QAl9-4鋁青銅試樣表層硬度的變化。試樣表層硬度均呈現(xiàn)出先增大后減小最后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。在離表層約為1 μm處硬度值達(dá)到最大，隨深度增加，加工硬化效果越弱，直至基體硬度。其中經(jīng)粒徑為0.3 mm的SiC沙粒沖蝕后的試樣表層硬度值最大，達(dá)到5.7 GPa，分別為0.1和0.6 mm粒徑的SiC沙粒沖蝕后試樣的1.64倍和1.4倍。

圖6 在介質(zhì)流速為28.3 m/s、沙粒粒徑變化條件下沖蝕不同時(shí)間后QAl9-4鋁青銅試樣表面平均粗糙度

圖7 在介質(zhì)流速為28.3 m/s、沙粒粒徑變化條件下沖蝕8 h后QAl9-4鋁青銅試樣表層硬度的變化

從SiC沙粒粒徑變化導(dǎo)致的QAl9-4鋁青銅試樣表面破壞形貌、平均粗糙度及表層硬度變化來看，較0.1與0.6 mm粒徑的沙粒，當(dāng)沙粒粒徑為0.3 mm時(shí)，其導(dǎo)致的試樣表面破壞程度較大，這一點(diǎn)從試樣的累積失重量(圖2)也可得到驗(yàn)證。分析認(rèn)為，在本試驗(yàn)采用的旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用實(shí)驗(yàn)裝置中，旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)介質(zhì)流動(dòng)，沙粒隨之流動(dòng)。流動(dòng)的沙粒受到介質(zhì)帶動(dòng)同向流動(dòng)的同時(shí)，受重力作用還存在著與介質(zhì)流動(dòng)方向垂直的運(yùn)動(dòng)。該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)作用到試樣表面的有效沙粒數(shù)的變化。當(dāng)沙粒作用到試樣表面時(shí)，沙粒的沖擊力可分為相對(duì)于試樣表面的水平力和垂直力，其中水平分力主要產(chǎn)生為犁削磨損，垂直分力主要產(chǎn)生鍛打擠壓作用。在兩者的共同作用下，試樣表層會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，留下犁削作用產(chǎn)生的犁溝和加工硬化層[7,18]。從試驗(yàn)結(jié)果來看，在介質(zhì)流速為28.3 m/s條件下，當(dāng)沙粒粒徑為0.3 mm時(shí)，鋁青銅試樣受到的沖蝕磨損最為嚴(yán)重，同時(shí)沙粒的鍛打擠壓作用導(dǎo)致的加工硬化效果最為顯著；當(dāng)沙粒粒徑為0.1 mm時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)試樣表面的有效沙粒數(shù)較多，主要產(chǎn)生犁削磨損，試樣表面的破壞以較為細(xì)小的短程犁溝為主(見圖5(a))；當(dāng)沙粒粒徑為0.6 mm時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)鋁青銅試樣表面的有效沙粒數(shù)減少，較0.3 mm粒徑的沙粒產(chǎn)生的犁削磨損的效果差，但因其質(zhì)量大，較0.1 mm粒徑的沙粒產(chǎn)生的鍛打擠壓作用明顯，因此，試樣沖蝕磨損形貌以雜亂的較寬的短程犁溝為主(見圖5(c))，表層硬度與表面平均粗糙度高于0.1 mm粒徑的沙粒作用的試樣。

3 結(jié) 論

(1) 在自制的旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕與沖蝕聯(lián)合作用試驗(yàn)裝置中，在介質(zhì)流速小于28.3 m/s時(shí)，QAl9-4鋁青銅試樣的累積失重量隨介質(zhì)流速的增加而增大；在SiC沙粒粒徑在0.1～0.6 mm范圍內(nèi)，試樣的累積失重量隨沙粒粒徑的增大先增加后減小，在沙粒粒徑為0.3 mm時(shí)材料流失最為顯著。

(2) 在本試驗(yàn)條件下，QAl9-4鋁青銅試樣沖蝕磨損形貌主要表現(xiàn)為魚鱗狀唇片、短程犁溝以及唇片剝落留下的凹坑。

(3) SiC沙粒粒徑的變化會(huì)導(dǎo)致QAl9-4鋁青銅試樣表面失效形式的變化，粒徑小于0.3 mm時(shí)，沖蝕磨損以犁削磨損為主，伴隨鍛打擠壓作用；粒徑大于0.3 mm時(shí)，鍛打擠壓作用增強(qiáng)的同時(shí)犁削磨損作用減弱。

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Effect offlow velocity and particle size on the erosion of QAl9-4 aluminum bronze

HUANG Weijiu1,2, LIU Chenglong1,2, LI Zhijun1, WANG Junjun1,2, LIAO Zhikang1

(1. Chongqing Municipal Key Laboratory of Institutions of Higher Education for Mould Technology Chongqing University of Technology, Chongqing 40054, China;2. College of Materials Science and Engineering， Chongqing University of Technology，Chongqing 400054， China)

The erosion of QAl9-4 aluminum bronze has been investigated in 3.5% NaCl including SiC particles by using a rotating disk system. The results show that the mass loss increases with increasing the flow velocity when the velocity is lower than 28.3 m/s, and the mass loss vs particle size exhibits an transition point beyond which the mass loss decreases obviously, which is 0.3 mm. The variations of particle size can lead to the change of the erosion behavior of QAl9-4 aluminum bronze samples. The failure of samples is mainly attributed to the ploughing wear under condition of little particles, however, the forging and extrusion effect improves and the ploughing wear decreases under condition of big particles.

erosion-wear; QAl9-4 aluminum bronze; particle size; flow velocity

1001-9731(2016)10-10193-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51171216)

2015-10-24

2015-12-11 通訊作者：黃偉九，E-mail: huangweijiu@cqut.edu.cn

黃偉九 (1969-)，男，長(zhǎng)沙人，教授，博士，從事材料強(qiáng)化失效及保護(hù)研究。

TG174.2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.036