CN109536676A - 一种提高船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的方法，包括下列步骤：对螺旋桨叶片表面进行预处理；配置黑化用电解液，其成分配比为100～300g/L NaOH，2～15g/L H8MoN2O4和40～80g/L K2Cr2O7；将预处理后的螺旋桨叶片置于预先配置好的电解液中进行黑化处理；用激光器在叶片表面进行多道次的扫描，得到表面改性层。

Description

一种提高船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的方法
技术领域
本发明涉及的是一种船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的表面处理技术，具体地说是利用激光表面淬火技术在镍铝青铜表面制备一层改性层的方法。
背景技术
镍铝青铜(NAB)合金因其具有的良好机械性能和耐蚀性能而广泛应用于舰船螺旋桨等海洋装备中。目前螺旋桨的制造主要靠砂型铸造成型，其铸态组织存在着晶粒粗大、成分偏析等缺陷。同时，铸态组织相组成较为复杂，各相间的成分与结构存在着较大的差异，导致了各相腐蚀电位的不同，从而使得各相之间形成了腐蚀电偶对，造成某些相的优先性腐蚀，亦即选相腐蚀。此外，螺旋桨在高速运转时，流经叶片表面的水由于局部压力的下降而引起其中汽泡的形核与长大，汽泡破灭时产生的冲击力反复打击叶片表面，造成合金发生空泡腐蚀破坏。空泡腐蚀过程中，机械冲击力与腐蚀相互协同作用，使得合金的优先腐蚀相破坏更加严重。这种局部性的破坏为螺旋桨叶片的服役安全埋下了隐患，大大缩短了螺旋桨的使用寿命。
在目前的工业生产中，通常将铸造后的螺旋桨在服役前进行整体退火热处理，达到均匀化组织、提高韧性以及增强抗疲劳性能等目的。但退火处理降低了材料的强度，导致桨叶抵御空泡腐蚀能力的下降。鉴于空泡腐蚀直接作用在工件的表面，工件的耐空蚀性能主要取决于其表面的组织结构。因此，在不改变工件整体力学性能的前提下，可以采用表面处理的方法对桨叶进行表面改性，这样就既能保证螺旋桨的疲劳性能，又能提高其耐空泡腐蚀性能。
激光表面淬火是一种新型的表面改性技术，具有处理效率高、加热迅速、淬火深度可控以及淬后应力小等优点。材料经激光淬火后能够产生表面强化效果，提高其表面硬度，增强耐磨性能，降低空蚀损伤。由于铜合金具有较高的光反射率，所以采用激光对镍铝青铜合金来进行表面淬火改性具有较大的困难。
发明内容
本发明提供一种利用激光表面改性技术来提高船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的方法。该方法改性后形成的表面淬硬层厚度可控，硬度高，耐空蚀性能好，显著提高了螺旋桨叶片的使用寿命。本发明的技术方案如下：
一种提高船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的方法，包括下列步骤：
(1)对螺旋桨叶片表面进行预处理；
(2)配置黑化用电解液，其成分配比为100～300g/L NaOH，2～15g/L H8MoN2O4和40～80g/LK2Cr2O7；
(3)将预处理后的螺旋桨叶片置于预先配置好的电解液中进行黑化处理；
(4)用激光器在叶片表面进行多道次的扫描，得到表面改性层。
优选地，步骤(3)进行黑化处理的方法为：叶片接于电源正极，另取石墨片接电源负极构成回路，所施加的电流密度为3～9A/dm2，氧化时间为5-20min。步骤(4)采用的激光器扫描功率为500～1500W，扫描速率为5mm/s～11mm/s，道次叠加率为43％～86％。所得到的表面改性层为单一的马氏体细晶组织，深度为150～300μm。所述螺旋桨叶片材料为铸态镍铝青铜合金，其成分为：9～12％Al，3～6％Ni，3～6％Fe，1～2％Mn，余量为Cu。
本发明采用激光淬火技术在镍铝青铜表面形成组织均匀、晶粒细化的改性层来提高合金的耐空泡腐蚀性能的方法，表面改性层为单一的马氏体细晶组织，深度为150～300μm，硬度约为基体合金的两倍。相比于螺旋桨叶片的其他处理方式，采用激光表面淬火技术具有以下优点：
1、改性效果明显，所形成的表面改性层为单一的β相，提高硬度的同时也避免了选相腐蚀的发生。
2、对叶片本体材料进行组织改性，无需引入异质材料，无电偶腐蚀隐患，无需考虑结合力问题。
3、直接作用于叶片的表面，不会引起内部组织的变化，提高耐空蚀性能的同时不牺牲其整体力学性能。
4、改性深度可控，淬后应力小，不会导致工件的变形。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1的铸态镍铝青铜合金激光表面改性后的截面组织图；
图2为本发明实施例1的镍铝青铜合金铸态组织与激光处理后表面细晶区微观组织对比图；(a)为铸态组织；(b)为细晶区组织；
图3为本发明实施例2的镍铝青铜合金经激光表面处理后显微硬度随截面深度的变化图；
图4为本发明实施例2的铸态镍铝青铜与激光改性处理合金的空蚀失重量对比图；
图5为本发明实施例2的铸态镍铝青铜与激光改性处理合金空蚀后的表面形貌图，(a)为铸态镍铝青铜合金；(b)为激光表面处理后合金。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实例涉及一种提高船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：将螺旋桨叶片材料—铸态镍铝青铜合金表面依次用400#—800#—1200#水砂纸依次打磨，然后将试件置于酒精溶液中超声5min，用去离子水冲洗干净，冷风吹干后备用；
步骤二：配置黑化用电解液，其成分为100g/LNaOH，2g/L H8MoN2O4，40g/L K2Cr2O7。
步骤三：将镍铝青铜合金和石墨片分别接于恒流电源正、负极，浸没在黑化电解液中，并接通电源。施加的电流密度为3A/dm2，通电时间为20min。结束后将合金取出，用去离子水冲洗干净并冷风吹干。
步骤四：将黑化处理后的镍铝青铜合金置于激光器下，调节激光器功率为1500W，以11mm/s的速率进行扫描，相邻两道次之间的叠加率为43％。待试样冷却后用砂纸将表面打磨干净，即可。
实施例1提供对镍铝青铜合金表面激光扫描处理后的组织观察。图1为合金截面的金相组织图，可知经激光处理后，沿镍铝青铜截面方向形成了表面细晶区和热影响区，其中细晶区深度约为220μm。用扫描电子显微镜对铸态组织和细晶区组织放大观察进行对比，如图2所示。其中，图2(a)为分布不均匀的铸态组织，包含有α、β'以及四种κ相；图2(b)为均匀的细晶区组织，主要为针状的马氏体。
实施例2
本实例涉及一种提高船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：将螺旋桨叶片材料—铸态镍铝青铜合金表面依次用400#—800#—1200#水砂纸依次打磨，然后将试件置于酒精溶液中超声5min，用去离子水冲洗干净，冷风吹干后备用；
步骤二：配置黑化用电解液，其成分为300g/LNaOH，15g/L H8MoN2O4，70g/LK2Cr2O7。
步骤三：将镍铝青铜合金和石墨片分别接于恒流电源正、负极，浸没在黑化电解液中，并接通电源。施加的电流密度为9A/dm2，通电时间为5min。结束后将合金取出，用去离子水冲洗干净并冷风吹干。
步骤四：将黑化处理后的镍铝青铜合金置于激光器下，调节激光器功率为500W，以5mm/s的速率进行扫描，相邻两道次之间的叠加率为86％。待试样冷却后用砂纸将表面打磨干净，即可。
实施例2提供对激光改性后合金的硬度和空蚀性能的测试。沿着试样的截面方向用显微硬度计从表面到芯部依次进行采点测量，记录硬度随着深度的变化情况，如图3所示。对比图1中的截面组织可知，激光淬火所形成的表面细晶区硬度约为430Hv，约为铸态NAB基体组织的2倍。将铸态和经激光表面淬火后的NAB试样置于3.5％NaCl溶液中，用超声波空蚀机分别对其表面进行不同时间的破坏，模拟其在海洋环境下的耐空泡腐蚀性能。图4为两种合金的空蚀失重量对比图，铸态NAB合金在空蚀600min后失重21.6mg，而经激光改性处理后的合金空蚀失重2.2mg，失重量降低了约8.8倍。将空蚀后的表面形貌置于扫描电子显微镜下观察，如图5所示。图5(a)为铸态NAB合金的空蚀形貌，表面形成了较大的空蚀孔洞。而经过激光表面处理后，合金组织得以均匀化，表面硬度提高，空蚀形貌表现为均匀性剥蚀，如图5(b)所示。由此可见，本发明所述的激光表面处理技术能够优化铸态镍铝青铜合金的表层组织，显著提高了合金的耐空泡腐蚀性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种提高船用螺旋桨叶片耐空泡腐蚀性能的方法，包括下列步骤：
(1)对螺旋桨叶片表面进行预处理；
(2)配置黑化用电解液，其成分配比为100～300g/L NaOH，2～15g/L H8MoN2O4和40～80g/LK2Cr2O7；
(3)将预处理后的螺旋桨叶片置于预先配置好的电解液中进行黑化处理；
(4)用激光器在叶片表面进行多道次的扫描，得到表面改性层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)进行黑化处理的方法为：叶片接于电源正极，另取石墨片接电源负极构成回路，所施加的电流密度为3～9A/dm2，氧化时间为5-20min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)采用的激光器扫描功率为500～1500W，扫描速率为5mm/s～11mm/s，道次叠加率为43％～86％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所得到的表面改性层为单一的马氏体细晶组织，深度为150～300μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述螺旋桨叶片材料为铸态镍铝青铜合金，其成分为：9～12％Al，3～6％Ni，3～6％Fe，1～2％Mn，余量为Cu。
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