不同冲蚀角条件下QAl9-4铝青铜的冲蚀磨损特性*

刘成龙，黄伟九，王军军，李志均

(重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054)



不同冲蚀角条件下QAl9-4铝青铜的冲蚀磨损特性*

刘成龙，黄伟九，王军军，李志均

(重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054)

利用自主研发的转盘式冲蚀实验装置，通过失重分析、表面形貌观察以及表层粗糙度测定，探讨了QAl9-4铝青铜在不同冲蚀角度条件下的冲蚀磨损特性。结果表明，在0～30°冲蚀角度范围内，铝青铜试样的累积质量损失随角度增大而增加；当冲蚀角度大于30°后，累积质量损失降低。随着冲蚀角度的逐步增大，冲蚀磨损形成的试样表面缺陷逐渐从沿水流方向的长程犁沟向带有凹坑的短程犁沟变化，且试样表面平均粗糙度逐渐降低。

铜合金；冲蚀磨损；冲蚀角度

0 引 言

船舶通常在湖泊、长江、黄河及内海等领域航行，各水域存在大量的沙粒，例如长江宜昌段年平均输沙量为6.72亿吨，最大含沙量为10.5 kg/m3，黄河三门峡河段年输沙量近16亿吨，最大含沙量高达1 200多kg/m3[1]。螺旋桨的服役环境较为严酷，处于江河水、固体粒子及溶解在水中气体的共存环境，在高速运转过程中容易受到冲蚀、空蚀及冲刷的作用，导致其表面材料大量流失，造成失效。此外，螺旋桨在高速运转时，沙粒通常会以不同角度冲击其叶片表面，形成不断变化的冲蚀角度，冲蚀角度的变化对材料的冲蚀失效会产生较大的影响。

白万金等[2]研究了碳钢(A3钢)、高铬铸铁、刚玉(94.7% ) 3种工程材料在不同冲蚀角条件下的材料流失情况，在相同实验条件下，导致材料失重量最大的冲蚀角度因材料变化而存在区别。鲍崇高等[3]研究认为不锈钢在0～45°范围内，其失重量随角度增大而增加；当冲击角度大于45°后，失重量随角度增大而减小。Stack[4]认为材料失重的最大攻角与材料种类和工况(转速、介质等)相关，在冲蚀过程中至少有一个最大的攻角。目前，针对铜合金在固、液、气环境中冲蚀角度影响下的材料失效行为鲜见报道。本文利用自主研发的冲蚀磨损实验机，模拟船用螺旋桨的实际工况，考察冲蚀角度变化对铜合金冲蚀磨损行为的影响规律，为船用螺旋桨在江河水中的失效分析提供实验依据。

1 实验材料及实验方法

1.1 实验材料

实验材料选用QAl9-4铝青铜棒材(由东莞市长安龙翔金属材料行提供)，主要化学成分如表1所示。铝青铜是由以Cu为基的置换固溶体α相、以Cu3Al 的电子化合物为基的固溶体β相和以单独质点分布在组织中的Pb相组成的(如图1所示)。实验前，将试样表面用200～1000#金相砂纸逐级打磨,打磨后试样的粗糙度为(0.0119±0.05) μm，将打磨好的试样在无水乙醇中超声清洗15 min,干燥后待用。

表1 QAl9-4铝青铜的主要化学成分(%,质量分数)

1.2 实验方法

在自制的冲蚀磨损实验机上进行冲蚀实验(如图2所示)。铝青铜试样安装在旋转圆盘上(试样中心距轴心R=77.5 mm)，在转盘室中注入以SiC颗粒制备含沙水。试样规格为Ø12 mm,样品加工成上端有坡角，下端有丝牙的螺丝状(如图3所示)，实现变化冲击角度的冲蚀实验。

实验前后采用无水乙醇超声清洗试样3 min。实验进行8 h，每隔1 h取下3个试样，用精度为0.1 mg的电子天平称量。采用GX51F型光学显微镜，JSM-6460LV型扫描电子显微镜，观察试样冲蚀后的表面形貌和截面形貌。利用线切割获取冲蚀后试样的截面样品，用金相砂纸打磨后，用10 g氯化三铁、30 mL盐酸和120 mL蒸馏水配制而成的溶液，腐蚀15 s后观察其截面形貌。利用手持式TR220粗糙度测量仪测试试样表面的粗糙度值和表面轮廓线。

实验条件：转盘转速为2 520 r/min，转盘室压力为0.1 MPa，实验时间为8 h，沙粒粒径为0.6 mm，含沙量为3 kg/m3，冲蚀角度分别为0、15、30和45°，实验过程中介质温度控制在50 ℃以下。

图1 铝青铜显微组织

图2 自制冲蚀磨损试验机

图3 冲蚀角度变化的铝青铜试样

2 结果与讨论

2.1 失重分析

图4 不同冲蚀角度条件下铝青铜的累积质量损失随时间的变化曲线

图5 冲蚀过程示意图

2.2 表面微观形貌观察及分析

图6示出了铝青铜QAl9-4在不同冲蚀角度条件下冲蚀8 h后的形貌。从图6(a)中可见试样表面存在有明显方向性的长程犁沟；图6(b)中试样表面也存在有明显方向性的犁沟，但其长度略为减短；图6(c)中试样表面中单条犁沟长度明显减小，并且出现少量小而浅的凹坑；图6(d)中试样表面的犁沟长度减小，且方向性变差，同时局部还出现一些凹坑。分析认为，当冲蚀角度为0°时，冲蚀以单纯的切削形式进行，导致试样表面形成明显方向性的长程犁沟；当冲蚀角度为15°时，试样表面既受到水平切削作用又受到垂直分量产生的撞击作用，但垂直分量产生的撞击作用过弱，而水平切削作用相对0°的水平切削作用小，所以试样表面形成长度略为减短的明显方向性犁沟；当冲蚀角度为30°时，试样表面同时受到较大的微切削和冲刷撞击共同作用，导致犁沟长度明显减小，且出现凹坑；当冲蚀角度为45°时，试样表面受垂直分量产生的撞击作用明显增大，导致表面局部凹坑明显增加。如图6、7所示，随着冲蚀角度的增大，其水平分力减小，水平方向的动能减小，粒子在切削的过程中，动能不断损失，致使犁沟的长度减小，同时其垂直分力增加，使表层材料被挤压而出现小的挤压唇，随后粒子再对挤压唇或剪切唇进行锻打，严重变形后呈片屑状从材料表面流失[10]。

图6 在不同冲蚀角度条件下铝青铜冲蚀8 h后的形貌

图7 粒子冲击示意图

表2是冲蚀角度为0、15、30和45°的铝青铜QAl9-4试样冲蚀作用不同时间后的表面平均粗糙度值。实验前试样表面粗糙度为(0.0119±0.05) μm。由表2可见，铝青铜试样表面粗糙度在冲蚀2 h后明显增大，随冲蚀时间的延长，粗糙度呈小幅度增加。其中，冲蚀角度为0°的试样表面粗糙度明显较其它角度试样表面粗糙度大。分析认为，水平切削作用使得表面出现犁沟，并且犁沟周围存在凸起剪切唇，致使表面粗糙增大；而垂直分量产生的撞击作用使得凸起唇片因锻打挤压而脱落，随后粒子再对挤压唇或剪切唇进行锻打，严重变形后呈片屑状从材料表面流失，所以倾角为30、45°的试样表面粗糙度明显比倾角为0、15°的试样表面粗糙度小。

表2 在不同冲蚀角度条件下铝青铜冲蚀不同时间后的表面粗糙度值

图8示出了倾角为45°的铝青铜试样冲蚀作用8 h后的SEM形貌。可见，试样表面有与水流方向一致的长程犁沟，表面变得很粗糙并有凹坑，材料的表层和亚表层已被磨损，试样表面已经产生冲蚀磨损，机制以微切削、剥落和犁沟为主。通过截面分析(如图9所示)发现，冲蚀形成的凹坑内存在明显的微裂纹。微裂纹的扩展方向不一致，有的向材料内部扩展，有的沿着接近平行于试样表面的方向扩展。分析认为：在剧烈的冲刷作用下，铝青铜试样表面会发生严重的塑性变形，晶体发生滑移，晶体内部也会发生一定程度的滑移，位错大量聚集，微裂纹在晶界处萌生，同时腐蚀介质通过微裂纹与内部组织接触发生晶界腐蚀，改变材料表面的强度，弱化材料的晶界、相界，使材料中的耐磨的硬化相暴露，冲刷强度加剧，材料大量流失，同时凹坑和微裂纹的存在，增加了材料与腐蚀介质的表面积，而冲刷能加速传质过程，促进腐蚀产物脱离材料表面，加速腐蚀导致的材料流失[11]。

图8 冲蚀角度为45°时铝青铜试样冲蚀作用8 h后的SEM形貌

图9 冲蚀磨损后的铝青铜试样横截面形貌

3 结 论

(1) 在本实验条件下，冲蚀角度的变化会显著影响铝青铜在含砂水中的材料损失量，其中，在0～30°范围内，其累积质量损失随角度增加而增大；当冲蚀角度为45°时，该值降低。

(2) 随着冲蚀角度的逐渐增大，铝青铜试样表面冲蚀缺陷逐渐从沿水流方向的长程犁沟状转变为带有凹坑的方向性减弱的短程犁沟。

(3) 冲蚀角度越高，冲蚀磨损导致铝青铜试样表面平均粗糙度越低。

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Erosion wear characterization of QAl9-4 aluminum bronze with different erosion angles

LIU Chenglong, HUANG Weijiu, WANG Junjun, LI Zhijun

(School of Materials Science and Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China)

The erosion wear characterization of QAl9-4 aluminum bronze has been investigated with different erosion angles by a self-developed rotating disc erosion wear device. The weight loss, surface morphology and roughness were measured. The results show that the accumulated weight loss of QAl9-4 aluminum alloy samples was improved little by little with increasing the erosion angle when the angle was lower than 30°, in contrast, which decreased when the angle is higher than 30°. With increasing the erosion angle, the sample surface morphology varied from the long-range furrows to the short-range furrows with erosion pits, and the surface roughness decreased gradually.

aluminum bronze; erosion wear; erosion angle

1001-9731(2016)10-10230-05

国家自然科学基金资助项目(51171216)

2015-10-20

2016-06-20 通讯作者：黄伟九，E-mail: huangweijiu@cqut.edu.cn

刘成龙 (1976-)，男，山东沂水人，教授，博士，主要从事材料强化、失效及保护。

TG115.5

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.10.043