CN111468817A

CN111468817A - 一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法

Info

Publication number: CN111468817A
Application number: CN202010294210.1A
Authority: CN
Inventors: 宋亓宁; 佟瑶; 黄晨铭; 李慧琳; 孙守宇; 许楠; 包晔峰
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2020-07-31

Abstract

本发明公开了一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：对铸态高锰铝青铜板进行打磨和清洗；步骤2：将预处理后的铸态高锰铝青铜板固定在搅拌摩擦焊接加工设备的夹持装置上；步骤3：调整搅拌头的加工参数，所述加工参数包括搅拌头的倾斜角、转速、行进速度和加工道次，随后对铸态高锰铝青铜板进行搅拌摩擦加工。本发明通过搅拌摩擦加工，明显细化了MAB铸态组织，并提高了其硬度、及其在3.5% NaCl溶液中的耐腐蚀性能和抗空蚀能力，可应用于强化铸态MAB船舶螺旋桨叶片，延长螺旋桨使用寿命。

Description

一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，属于表面改性领域。

背景技术

目前，我国处于建设“海洋强国”的关键时期，海洋开发、海防安全及海上交通贸易的频繁对海上交通工具—船舶的服役性能要求越来越高。螺旋桨是船舶的重要推进装置。海水是一种强腐蚀性介质，螺旋桨面临腐蚀问题。此外，螺旋桨在海水中的高速旋转导致其遭受因空化现象所带来的空蚀问题。铜及其合金因具有优异的耐海水腐蚀行为，而广泛应用于海洋环境。螺旋桨材料常用的铜合金有高强度锰黄铜、铝青铜等。其中，常用的铝青铜，如镍铝青铜和高锰铝青铜因具有优异的耐海水腐蚀和空蚀性能而被广泛应用于制备船用螺旋桨。与镍铝青铜相比，高锰铝青铜（MAB）的铸造性能更优。大型高速船用螺旋桨多采用铸造制备而成，MAB因化学成分和铸造过程组织转变复杂，其铸态组织粗大不均匀，且不可避免出现一些铸造缺陷，如缩松缩孔等，这些会影响螺旋桨的力学性能、耐腐蚀和空蚀性能等。因此，为提高螺旋桨的服役寿命，对铸态组织进行改性非常必要。

目前，常采用在螺旋桨用铜合金的表面制备耐腐蚀和空蚀涂层，或者是对受损螺旋桨表面进行堆焊修复，或采用激光重熔等方法在铜合金表面制备改性层或者熔覆层。然而涂层工艺面临与基体结合力较差的问题，堆焊属于熔焊，不仅需要额外的焊接材料，还会在焊接过程中引入较大应力、变形以及气孔等焊接缺陷，激光重熔所产生的改性层及熔覆层也存在厚度有限等问题。搅拌摩擦加工，来源于搅拌摩擦焊，是一种通过搅拌头的快速搅拌使材料内部发生剧烈塑性变形而发生固态相变、动态再结晶、组织碎化等过程。因其无需焊接材料，加工后工件的应力和变形小，组织细小均匀，在铝合金、镁合金铸件的组织改性上广泛应用。据此，有望采用搅拌摩擦加工对铸态MAB进行组织细化和均匀化，以提高其耐腐蚀和空蚀性能。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提出了一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，通过搅拌摩擦加工在铸态MAB表面制备改性层，细化改性层内组织，提高硬度、耐腐蚀性能以及抗空蚀性能。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，包括下列步骤：

步骤1：对铸态高锰铝青铜板进行打磨和清洗；

步骤2：将预处理后的铸态高锰铝青铜板固定在搅拌摩擦焊接加工设备的夹持装置上；

步骤3：调整搅拌头的加工参数，所述加工参数包括搅拌头的倾斜角、转速、行进速度和加工道次，随后对铸态高锰铝青铜板进行搅拌摩擦加工。

优选地，所述铸态高锰铝青铜中各成分的质量分数如下：Al为7.28%、Ni为2.10%、Fe为3.62%、Mn为12.35%以及Cu为74.65%。

优选地，所述步骤（1）中，依次采用240# 、400#、800#和2000#砂纸对铸态高锰铝青铜板进行打磨，并用酒精清洗后吹干。

优选地，所述铸态高锰铝青铜板的尺寸为300 mm×70 mm×6 mm。

优选地，所述步骤（3）中搅拌头采用镍基合金无针搅拌头，其轴肩尺寸直径15 mm。

优选地，所述搅拌头的倾斜角为3°，转速为800 r/min，行进速度为50 mm/min。

优选地，所述加工道次采用单道次加工或双道次加工，若采用双道次加工，则加工时两道搭接率为100%。

有益效果：本发明提供一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，通过搅拌摩擦加工，明显细化了MAB铸态组织，并提高了其硬度、及其在3.5% NaCl溶液中的耐腐蚀性能和抗空蚀能力，可应用于强化铸态MAB船舶螺旋桨叶片，延长螺旋桨使用寿命。

附图说明

图1 为铸态MAB微观组织图；

图2 为单道次搅拌摩擦加工MAB微观组织图；

图3 为双道次搅拌摩擦加工MAB微观组织图；

图4 为铸态MAB在3.5% NaCl溶液中浸泡15天后的截面SEM形貌图；

图5 为单道次搅拌摩擦加工后MAB在3.5% NaCl溶液中浸泡15天后的截面SEM形貌图；

图6 为双道次搅拌摩擦加工后MAB在3.5% NaCl溶液中浸泡15天后的截面SEM形貌图；

图7 为铸态及搅拌摩擦加工后MAB在3.5% NaCl溶液中的空蚀失重-时间曲线图；

图8 为铸态MAB在3.5% NaCl溶液中空蚀5 h后的表面SEM形貌图；

图9 为单道次搅拌摩擦加工后MAB在3.5% NaCl溶液中空蚀5 h后的表面SEM形貌图；

图10 为双道次搅拌摩擦加工后MAB在3.5% NaCl溶液中空蚀5 h后的表面SEM形貌图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1

本实例中，铸态高锰铝青铜（MAB）表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，包括如下步骤：

（1）准备尺寸为300 mm × 70 mm × 6 mm的铸态高锰铝青铜板（Al 7.28%、Ni 2.10%、Fe 3.62%、Mn 12.35%以及Cu 74.65%），依次采用240# 、400#、800#和2000#砂纸对铸态高锰铝青铜板进行打磨，并用酒精清洗后吹干；

（2）将加工完毕的铸态高锰铝青铜板固定在搅拌摩擦焊接加工设备的夹持装置上；

（3）采用镍基合金无针搅拌头，对铸态高锰铝青铜板进行搅拌摩擦加工，其中，镍基合金无针搅拌头的轴肩直径为15 mm；搅拌头倾斜角为3°，转速为800 r/min，行进速度为50mm/min，采用单道次加工。

实施例2

本实例中，铸态高锰铝青铜（MAB）表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法的具体制备步骤：前两个步骤与实施例1相同，步骤3如下：

采用镍基合金搅拌头，对铸态高锰铝青铜板进行搅拌摩擦加工，其中，镍基合金无针搅拌头的轴肩直径为15 mm；搅拌头倾斜角为3°，转速为800 r/min，行进速度为50 mm/min，采用双道次加工，双道次加工时两道搭接率为100%。

图1为铸态MAB的微观组织图，图2和图3分别为单道次和双道次搅拌摩擦加工后的MAB的微观组织图，由图可见，铸态组织中存在α，β和粗大的κ相，搅拌摩擦加工显著细化了α和β相，剧烈的搅拌作用也使得κ相发生碎化。对比可得，在经双道次搅拌摩擦加工后的MAB晶粒更加细小，且出现了极细晶粒区，说明双道次加工更有利于组织的均匀化和细化。

图4为铸态MAB在3.5% NaCl溶液中浸泡15天后的截面SEM形貌图，图5和图6分别为单道次和双道次搅拌摩擦加工后MAB在3.5% NaCl溶液中浸泡15d后的截面形貌图。从图中可以看出，在铸态MAB上产生了较深腐蚀坑，腐蚀坑深度约6.8 μm，经单道次加工后MAB腐蚀较为均匀，腐蚀坑深度较小，约4 μm，而双道次加工后MAB表面平整，无明显腐蚀坑。

依据ASTM G32-10，采用超声振动空蚀设备对空蚀行为进行表征，设备工作频率为20 kHz，振幅为60 μm，将铸态、单道次及双道次搅拌摩擦加工后MAB沉浸于3.5% NaCl溶液内，试样表面与液面距离15 mm，试样与探头之间的距离为0.5 mm。在3.5% NaCl溶液内的空蚀失重-时间曲线图如图7所示，在3.5% NaCl溶液中空蚀5 h后，铸态MAB的空蚀失重率为1.4383 mg·cm^-2·h^-1，单道次搅拌摩擦加工后MAB的空蚀失重率为1.1222 mg·cm^-2·h^-1，双道次搅拌摩擦加工后MAB的空蚀失重率为1.0500 mg·cm^-2·h^-1。单道次和双道次加工后的抗空蚀能力相对于铸态分别提高了约22%和27%。

图8为铸态MAB空蚀5 h后的表面损伤形貌，图9和图10为单道次和双道次搅拌摩擦加工后MAB空蚀5 h后的表面损伤形貌，对比后发现，空蚀相同时间后，铸态MAB发生粗大化合物相κ相的脱落和β相的解理断裂，表面有大尺寸空蚀坑，空蚀损伤比较严重。经过搅拌摩擦加工后，由于组织细化、和均匀化程度，表面损伤相对均匀，且由于硬度的提高，空蚀损伤程度明显降低，空蚀坑尺寸较小。

由此可见，采用搅拌摩擦加工对铸态MAB进行表面改性后，铸态组织中粗大的化合物相κ相碎化并呈现均匀分布，α和β相晶粒尺寸减小。由于组织的均匀化和细化，硬度有所提高，在3.5% NaCl溶液中发生均匀腐蚀，腐蚀程度明显减轻，且耐空蚀性能也得到提高，且双道次加工对铸态MAB组织的改性以及腐蚀性能的提高效果更为显著。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：对铸态高锰铝青铜板进行打磨和清洗；

2.根据权利要求1所述的一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，其特征在于，所述铸态高锰铝青铜板中各成分的质量分数如下：Al为7.28%、Ni为2.10%、Fe为3.62%、Mn为12.35%以及Cu为74.65%。

3. 根据权利要求 1 或2所述的一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，依次采用240# 、400#、800#和2000#砂纸对铸态高锰铝青铜板进行打磨，并用酒精清洗后吹干。

4. 根据权利要求3所述的一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，其特征在于，所述铸态高锰铝青铜板的尺寸为300 mm×70 mm×6 mm。

5. 根据权利要求1所述的一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中搅拌头采用镍基合金无针搅拌头，其轴肩尺寸直径15 mm。

6. 根据权利要求5所述的一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，其特征在于，所述搅拌头的倾斜角为3°，转速为800 r/min，行进速度为50 mm/min。

7.根据权利要求1或6所述的一种高锰铝青铜表面搅拌摩擦加工改性层的制备方法，其特征在于，所述加工道次采用单道次加工或双道次加工，若采用双道次加工，则加工时两道搭接率为100%。