CN111879694B - 一种基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法，将螺旋桨叶试样置于空蚀介质中，向空蚀介质施加间断超声波以诱导空蚀介质不持续地的空化和溃灭，达到预定工作时间后，通过计算空蚀失重量和空蚀形貌表征来分析试样在空蚀介质中的空蚀破坏。与现有的试验方法相比，本发明通过脉冲超声波的加载，该试验方法能更好地模拟镍铝青铜螺旋桨的实际服役环境，从而更准确的研究和了解镍铝青铜的空蚀机理。

Description

一种基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法

技术领域

本发明涉及空蚀试验技术领域，特别是涉及一种基于脉冲超声波振荡的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法。

背景技术

镍铝青铜合金因具有优异的耐腐蚀性能和良好的机械性能而广泛应用于海洋系统中，常见的是用于制造船舶螺旋桨。然而，当螺旋桨在高腐蚀性的海洋环境中旋转时，由于叶片与海水的相对运动，形成低压区，低压区的形成导致水的沸点降低，气泡大量产生，而当低压区消失时，气泡会迅速地破裂和坍塌。气泡的破裂产生的冲击波和微型喷射向附近的固体表面施加强烈的压力脉冲，这些脉冲的重复攻击最终会导致材料疲劳和去除，这种现象称为空蚀。空蚀问题正成为阻碍镍铝青铜螺旋桨部件长寿命高性能服役的主要因素，引起了学者们的广泛关注。

有研究指出在腐蚀性的介质中，对于金属材料钛，其表面的生成的钝化膜在空蚀过程中会对基体会形成一定的保护作用，相比于在空蚀介质中有钝化膜覆盖的钛，无膜覆盖的钛遭受更加严重的空蚀破坏。对于镍铝青铜，在含氧的腐蚀性介质中，其表面能迅速地生成腐蚀产物膜，而且在破坏后能够立刻恢复。

目前对镍铝青铜在腐蚀性介质中空蚀问题的研究均是在连续空泡下进行的，即材料表面一直受到空泡的机械冲击。而在实际的空蚀环境中，空蚀的发生时随机且不连续的。在这种连续空蚀的情况下，镍铝青铜的表面腐蚀产物膜来不及形成，这可能会导致镍铝青铜的实际空蚀行为与连续下的空蚀行为有偏差，因此有必要研究间歇空蚀下镍铝青铜的空蚀行为。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的连续空泡实验结果与实际服役情况不符的问题，而提供一种基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法。在海洋构件的实际服役环境中，空蚀并不是一直连续不间断地产生而是间歇性的，在不产生空蚀的间歇，破坏的氧化膜层可能会迅速地恢复，从而对基体产生一定的保护作用，进一步会减弱腐蚀以及空蚀破坏。因此在连续空蚀与脉冲空蚀条件下，镍铝青铜螺旋桨可能会表现出不同的空蚀行为。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法，将螺旋桨叶试样置于空蚀介质中，向空蚀介质施加间断超声波以诱导空蚀介质不持续地的空化和溃灭，达到预定工作时间后，通过计算空蚀失重量和空蚀形貌表征来分析试样在空蚀介质中的空蚀破坏。

在上述技术方案中，所述间断超声波的波形在时间轴上不连续且具有一定的周期性，即超声波以脉冲信号的形式输出。

在上述技术方案中，在进行间断超声处理的时候具体工艺参数可进行调整，如所述间断超声波的超声间隙时间大于等于0.1s，每一次超声时间为2-3s，工作时间为5—10h，优选间隙时间和超声时间一致。

在上述技术方案中，所述螺旋桨叶试样的形状为矩形平板状。

在上述技术方案中，所述螺旋桨叶试样的材料为镍铝青铜、不锈钢或者其他铜基合金。

在上述技术方案中，实验前对所述螺旋桨叶试样进行机械打磨和抛光，使其表面平整光滑，如使用400-2000粒度的砂纸对试样进行机械打磨，最后用1μm的金刚石抛光剂进行抛光，以制得表面平整光滑的试样。

在上述技术方案中，所述空蚀介质为中性的NaCl水溶液或酸性的水溶液，如3.5wt.％的NaCl水溶液或者pH＝2的HCl水溶液(即盐酸)。

本发明的另一方面，还包括空泡机在模拟螺旋桨叶空蚀试验方法中的应用，所述空泡机包括超声发生系统、信号采集系统和用于容纳空蚀介质的实验槽4，所述超声发生系统包括超声波发生器12、与所述超声波发生器12电连接的换能器1、以及装配在所述换能器1底部变幅杆2和装配在所述变幅杆2底部的空泡头10，所述实验槽4内设有用于固定螺旋桨叶试样9的试样台6和用于采集电信号的参比电极3及对电极11，所述实验槽4外设有热交换夹层5，所述信号采集系统包括用于采集所述螺旋桨叶试样9电信号的电化学工作站7以及与所述电工作站7通讯连接的计算机8。

本发明采用一台空泡机，通过设置超声时间间隙使空泡机产生脉冲超声波，脉冲超声波作用在空蚀介质中，诱导空蚀介质不持续地的空化和溃灭，实现试样表面与实际使工况中相似的空蚀破坏。试验结束后，通过计算空蚀失重量和电化学测量来分析试样在空蚀介质中的空蚀破坏。

参比电极3、对电极11、工作电极(即螺旋桨叶试样9)、空蚀介质和电化学工作站7构成一个电化学测试系统，测试的信息包括脉冲超声波震荡诱发的空蚀下，试样的开路电位(OCP)，连续超声波震荡诱发空蚀下的极化曲线(计算空蚀下的腐蚀电流密度)以及无超声波震荡测试溶液中的极化曲线。这些电化学信息用于解释在本试验方法中出现这种腐蚀失重的原因。

在上述技术方案中，空泡机在模拟螺旋桨叶空蚀试验方法中的应用，所述空蚀试验包括以下步骤：

步骤1，对螺旋桨叶试样9进行抛光清洗干燥，称重；

步骤2，将空蚀介质加入实验槽4内，将螺旋桨叶试样9置于试样台6上，并使得螺旋桨叶试样9和空泡头10均位于空蚀介质内；

步骤3，空泡头10通过超声波发生器12发出间断超声波，进行空蚀试验；

步骤4，达到预定工作时间后，取出螺旋桨叶试样9，清洗干燥后称重。

本发明的空蚀试验方法在模拟螺旋桨叶在海水中空蚀的应用，在空蚀停止时间内，螺旋桨叶试样的表面生成了膜层，对空蚀的机械冲击有一定的抵御作用，从而减少了试样的总体失重。在连续空蚀环境下，连续的空泡持续不断地轰击材料的表面，以至于腐蚀产物膜来不及形成或者其形成的速度小于被空蚀机械剥离的速度，因而无法对材料的表面形成保护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.与现有的试验方法相比，通过脉冲超声波的加载，该试验方法能更好地模拟镍铝青铜螺旋桨的实际服役环境，从而更准确的研究和了解镍铝青铜的空蚀机理。

2.本发明具有操作简单，试验结果准确可靠的特点。

附图说明

图1为本发明所采用的试验仪器结构图。

图中：1-换能器，2-变幅杆，3-参比电极，4-实验槽，5-热交换夹层，6-试样台，7-电化学工作站，8-计算机，9-螺旋桨叶试样，10-空泡头，11-对电极，12-超声波发生器。

图2为在3.5％wt NaCl水溶液中，NAB螺旋桨叶片试样连续空蚀失重和间歇空蚀失重随时间的变化曲线图，其中圆点为连续空蚀失重，三角形为间歇空蚀失重(即脉冲)。

图3为在pH＝2HCl水溶液中，NAB螺旋桨叶片试样连续空蚀失重和间歇空蚀失重随时间的变化曲线图，其中圆点为连续空蚀失重，三角形为间歇空蚀失重(即脉冲)。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所采用的空泡机，包括超声发生系统、信号采集系统和用于容纳空蚀介质的实验槽4，所述超声发生系统包括超声波发生器12、与所述超声波发生器12电连接的换能器1、以及装配在所述换能器1底部变幅杆2和装配在所述变幅杆2底部的空泡头10，所述实验槽4内设有用于固定螺旋桨叶试样9的试样台6和用于采集电信号的参比电极3及对电极11，所述实验槽4外设有热交换夹层5，所述信号采集系统包括用于采集所述螺旋桨叶试样9电信号的电化学工作站7以及与所述电工作站7通讯连接的计算机8。

本发明采用一台空泡机，通过设置超声时间间隙使空泡机产生脉冲超声波，脉冲超声波作用在空蚀介质中，诱导空蚀介质不持续地的空化和溃灭，实现试样表面与实际使工况中相似的空蚀破坏。试验结束后，通过计算空蚀失重量和空蚀形貌表征来分析试样在空蚀介质中的空蚀破坏。

参比电极3、对电极11、工作电极(即螺旋桨叶试样9)、空蚀介质和电化学工作站7构成一个电化学测试系统，测试的信息包括脉冲超声波震荡诱发的空蚀下，试样的开路电位(OCP)，连续超声波震荡诱发空蚀下的极化曲线(计算空蚀下的腐蚀电流密度)以及无超声波震荡测试溶液中的极化曲线。这些电化学信息用于解释在本试验方法中出现这种腐蚀失重的原因。

实施例1

本实例涉及一种螺旋桨叶片空蚀试验方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：制备矩形平板螺旋桨叶片试样，式样的尺寸为20mm x 20mm x 3mm，试样采用的材料是常用的螺旋桨材料，镍铝青铜。

步骤二：用400-2000粒度的砂纸对试样进行机械打磨，最后用1μm的金刚石抛光剂进行抛光，以制得表面平整光滑的试样。

步骤三：用去离子水和酒精对样品进行清洗以除去试样表面的油污，冷风干燥之后对试样初始称重，称重所用天平的精度为0.01mg。

步骤四：将试样固定在样品台上，并使其工作面正对着空泡头，与空泡头保持1mm的距离；加入1L的3.5％wt NaCl溶液，确保空泡头和试样均浸没在腐蚀溶液中；空蚀期间腐蚀溶液的温度由冷却系统维持在25±1℃。

步骤五：设置超声时间、间隙时间、工作时间、超声频率以及超声波振幅分别为3sec、3sec、480min、20KHz、20μm，开始间歇空蚀试验；同时连续空蚀试验的间歇时间为0s、工作时间为960min；其他参数与间歇空蚀一致，为了保证试验结果的准确性和可靠性，每次试验重复三次。

步骤六：每隔一定的时间间隔，测量并记录试样的质量；试验结束时关闭空蚀机，取出试样，去离子水和酒精冲洗后干燥，称量空蚀之后样品的重量。

步骤七：通过对相同的有效空蚀时间内脉冲空蚀的失重量和连续空蚀的失重量的比较，发现脉冲空蚀的失重量明显小于连续空蚀的失重量。这说明在间歇空蚀实验中，空蚀停止的3sec时间内，试样的表面生成了膜层，而这层膜对空蚀的机械冲击有一定的抵御作用，从而减少了试样的总体失重。在连续空蚀环境下，连续的空泡持续不断地轰击材料的表面，以至于腐蚀产物膜来不及形成或者其形成的速度小于被空蚀机械剥离的速度，因而无法对材料的表面形成保护。

实施例2

本实例涉及一种螺旋桨叶片空蚀试验方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：制备矩形平板螺旋桨叶片试样，式样的尺寸为20mm x 20mm x 3mm，试样采用的材料是常用的螺旋桨材料，镍铝青铜。

步骤二：用400-2000粒度的砂纸对试样进行机械打磨，最后用1μm的金刚石抛光剂进行抛光，以制得表面平整光滑的试样。

步骤三：用去离子水和酒精对样品进行清洗以除去试样表面的油污，冷风干燥之后对试样初始称重，称重所用天平的精度为0.01mg。

步骤四：将试样固定在样品台上，并使其工作面正对着空泡头，与空泡头保持1mm的距离；加入1L的pH＝2HCl溶液，确保空泡头和试样均浸没在溶液中,NAB合金生成的腐蚀产物膜在pH＝2HCl溶液中不能稳定存在，即合金在pH＝2HCl溶液中，表面时没有膜层存在的；空蚀期间腐蚀溶液的温度由冷却系统维持在25±1℃。

步骤五：设置超声时间、间隙时间、工作时间、超声频率以及超声波振幅分别为3sec、3sec、480min、20KHz、20μm，开始间歇空蚀试验；同时连续空蚀试验的间歇时间为0s、工作时间为960min；其他参数与间歇空蚀一致，为了保证试验结果的准确性和可靠性，每次试验重复三次。

步骤六：每隔一定的时间间隔，测量并记录试样的质量；试验结束时关闭空蚀机，取出试样，去离子水和酒精冲洗后干燥，称量空蚀之后样品的重量。

步骤七：通过对相同的有效空蚀时间内脉冲空蚀的失重量和连续空蚀的失重量的比较，发现脉冲空蚀的失重量大于连续空蚀的失重量。这是由于在间歇空蚀实验中，材料的表面形成不了产物膜，无法对基体形成保护作用，加上在间歇空蚀试验中，试样浸泡在腐蚀性介质大于连续空蚀，因此造成的腐蚀失重也大于连续空蚀失重的样品，所以在盐酸溶液中，间歇空蚀的失重大于连续空蚀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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 (7)

1.一种基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法，其特征在于，将螺旋桨叶试样置于空蚀介质中，向空蚀介质施加间断超声波以诱导空蚀介质不持续地的空化和溃灭，达到预定工作时间后，通过计算空蚀失重量和电化学测量来分析试样在空蚀介质中的空蚀破坏；

所述螺旋桨叶试样为镍铝青铜；

所述间断超声波的波形在时间轴上不连续且具有一定的周期性，即超声波以脉冲信号的形式输出；

所述间断超声波的超声间隙时间大于等于0.1s，每一次超声时间为2—3s，工作时间为5—10h，间隙时间和超声时间一致；

所述空蚀试验方法应用在模拟螺旋桨叶在海水中空蚀，在空蚀停止时间内，螺旋桨叶试样的表面生成膜层，从而对空蚀的机械冲击产生抵御作用，减少了试样的总体失重。

2.根据权利要求1所述的一种基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法，其特征在于，所述螺旋桨叶试样的形状为矩形平板状，所述空蚀介质为中性的NaCl水溶液或酸性的水溶液。

3.根据权利要求1所述的一种基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法，其特征在于，实验前对所述螺旋桨叶试样进行机械打磨和抛光，使其表面平整光滑。

4.一种空泡机在如权利要求1所述基于间歇超声的模拟螺旋桨叶空蚀试验方法中的应用，其特征在于，所述空泡机包括超声发生系统、信号采集系统和用于容纳空蚀介质的实验槽，所述超声发生系统包括超声波发生器、与所述超声波发生器电连接的换能器、以及装配在所述换能器底部变幅杆和装配在所述变幅杆底部的空泡头，所述实验槽内设有用于固定螺旋桨叶试样的试样台和用于采集电信号的参比电极及对电极，所述实验槽外设有热交换夹层，所述信号采集系统包括用于采集所述螺旋桨叶试样电信号的电化学工作站以及与所述电化学工作站通讯连接的计算机。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，通过设置超声时间间隙使空泡机产生脉冲超声波，脉冲超声波作用在空蚀介质中，诱导空蚀介质不持续地的空化和溃灭，实现试样表面与实际使工况中相似的空蚀破坏；试验结束后，通过计算空蚀失重量和电化学测量来分析试样在空蚀介质中的空蚀破坏。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，参比电极、对电极、工作电极、空蚀介质和电化学工作站构成一个电化学测试系统，测试的信息包括脉冲超声波震荡诱发的空蚀下，试样的开路电位，连续超声波震荡诱发空蚀下的极化曲线以及无超声波震荡测试溶液中的极化曲线。

7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对螺旋桨叶试样进行抛光清洗干燥，称重；

步骤2，将空蚀介质加入实验槽内，将螺旋桨叶试样置于试样台上，并使得螺旋桨叶试样和空泡头均位于空蚀介质内；

步骤3，空泡头通过超声波发生器发出间断超声波，进行空蚀试验；

步骤4，达到预定工作时间后，取出螺旋桨叶试样，清洗干燥后称重。