CN113275847B - 一种船用螺旋桨及其多合金复合制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用螺旋桨多合金复合制造方法，综合多种材料性能优势，采用两种或两种以上合金材料复合制造螺旋桨，首先针对船用螺旋桨易受海水、海生物及空泡等因素影响腐蚀，结构精度降低，噪声变大等问题开展机理研究，然后基于可实现自由制造的增材制造、高能束焊接或者熔覆等现代先进制造技术对螺旋桨的基体结构、整体型面等进行型面增效和轻量化设计。基体结构可采用屈服强度高于600MPa的高强度合金钢等相对廉价的材料，只在表层包裹耐腐蚀特性好的铜合金。如此既可以依赖钢材的高强度减薄桨叶厚度达到轻量化的目的，又可以使桨叶具备铜合金优良的耐腐蚀特性，同时钢材的整体铸造、热处理等技术也较为成熟，降低了工艺难度和成本。

Description

一种船用螺旋桨及其多合金复合制造方法

技术领域

本发明属于船用螺旋桨制造技术领域，尤其涉及一种船用螺旋桨及其多合金复合制造方法。

背景技术

船舶工业不仅是国家的重要经济产业，更是关系到国家领土安全的重要领域，具有十分重要的战略意义。潜艇、航母、大型游轮等都是国家重器，作为这些海洋巨兽的动力源泉——螺旋桨直径从1-6米发展到10米以上，材料消耗巨大，结构型面也越来越复杂，加工制造成本高昂。然而螺旋桨工作于海洋环境中，长期经受海水、海生物及空泡等因素的侵蚀，表面极易腐蚀，结构精度降低，噪声变大，无论是安全性还是舒适性都难以保证。

船用螺旋桨常用的材料包括铜合金、不锈钢、钛合金及复合材料。目前80％的船用螺旋桨采用铜合金制备，其具有很好的防腐性能、切削加工精度高，但存在强度低、桨叶厚重影响推进效率的缺点；不锈钢综合防腐性能略低于铜合金，强度高可适当减薄桨叶减轻重量，但不锈钢铸造和热处理难度大、成本高；钛合金质轻比强度高，但钛金属电位高，易与其它金属形成电位差而腐蚀其它金属且成本高；复合材料可成形复杂的结构、疲劳特性好，但强度较低、表面硬度低、成本高昂。由此可见，目前单一材料的螺旋桨很难得到最佳的综合性能。

发明内容

(一)本发明主要解决的技术问题

随着潜艇、航母、大型游轮等船舶大型化发展的趋势，作为动力系统的核心部件——螺旋桨直径也从1-6米发展到10米以上，材料消耗巨大，结构型面也越来越复杂，加工制造成本高昂。常用的铜合金、不锈钢、钛合金及复合材料等单一材料已经难以满足耐腐蚀、高强度、轻量化、易加工、低成本等综合性能最佳的需求。本发明提出的船用螺旋桨及多合金复合制造方法，综合多种材料性能优势，采用两种或两种以上合金材料复合制造螺旋桨，首先针对船用螺旋桨易受海水、海生物及空泡等因素影响腐蚀，结构精度降低，噪声变大等问题开展机理研究，然后基于可实现自由制造的增材制造、高能束焊接或者熔覆等现代先进制造技术对螺旋桨的基体结构、整体型面等进行型面增效和轻量化设计。基体结构可采用屈服强度高于600MPa的高强度合金钢等相对廉价的材料，只在表层包裹耐腐蚀特性好的铜合金。如此既可以依赖钢材的高强度减薄桨叶厚度达到轻量化的目的，又可以使桨叶具备铜合金优良的耐腐蚀特性，同时钢材的整体铸造、热处理等技术也较为成熟，大大降低了工艺难度和成本。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种船用螺旋桨多合金复合制造方法，其特征在于，改变以往螺旋桨采用单一材料制备而难以满足高强、耐腐蚀、低成本等综合性能需求，而采用基体+表层或基体+过渡层+表层等多种合金材料复合制造的形式，基体为强度高于600MPa且价格相对较低的合金钢(铜合金屈服强度一般低于600MPa)，表层材料为耐腐蚀性能较佳的铜合金类材质。所述制造方法至少包括以下步骤：

步骤a、综合考虑船用螺旋桨的腐蚀因素(海水、海生物、空泡等)、强度要求(刚度、韧性、振动等)以及推进效率要求，选择合适的基体材料，配制耐腐蚀性能好的表层材料组分(若基体与表层可直接形成良好的冶金结合界面，则可不需过渡层)。基体要求强度高(高于600MPa)、成本低，可由铸造或者锻造制成。而表层要求耐腐蚀性能好，与基体材料结合性好，可为铜合金类材料；

步骤b、根据选定的基体+表层材料重新设计螺旋桨结构，基于基体的高强度可对桨叶进行减薄或者中空的轻量化设计以及型面的优化设计，从而提高螺旋桨的整体推进效率；

步骤c、对基体表面进行喷砂、清洗等前处理，得到合适的表面状态，有益于基体与强化层的紧密结合，然后通过增材制造、高能束焊接或者熔覆等方式将丝材或者粉体沉积到基体表面，从而得到高致密、无裂纹的铜合金表层，过程中需要优选功率大小、扫描速度、送粉量、搭接率等工艺参数，在表层材料的制备过程中需要同步进行后处理操作，以细化晶粒、去残余应力，减小零件的变形；

步骤d、最后还需对螺旋桨进行精加工和抛光处理，经过精加工和抛光工序的表面才是转子最终的表面，其表面完整性直接影响着转子的抗磨损及抗腐蚀特性，进行铣削、抛光等工序后转子表面粗糙度、微观形貌、残余应力、显微硬度等值对转子抗磨损、抗腐蚀性能的研究，优选合理的精加工工艺及参数，获得抗失效性能佳的表面状态。

优选地，基体采用高强度的合金钢材料，可对桨叶基体进行减薄或者空心结构设计，从而达到轻量化的目标，有利于船舶推进效率的提高。

优选地，基体与表层材料的结合要达到冶金结合的状态，可选用增材制造、高能束焊接或者熔覆的方式制备，表层材料的厚度可根据螺旋桨工作环境腐蚀性的强弱来调整，一般为1-5mm，腐蚀性越强，表层材料厚度越大，腐蚀性越弱，表层材料厚度越小。

优选地，在基体上制备表层防腐金属材料时，先制备基体外表面防腐金属层，再将可深入螺旋桨轮毂中心孔的工具深入中心孔内部进行孔壁表面防腐金属层的制备。由于内孔壁会与螺旋桨主轴接触，故此处金属层除需具备防腐性能外，还应具备耐磨损的特性，而铜合金中的青铜类合金恰恰具备优良的耐磨损特性。

本发明的另一个发明目的还在于提供了一种利用上述制备方法得到的船用螺旋桨。

采用上述技术方案后，本发明的船用螺旋桨及其多合金复合制造方法的有益之处在于：

1、目前单一材料制备螺旋桨难以满足高强、耐腐蚀、低成本等综合性能需求，本发明采用基体+表层或基体+过渡层+表层等多种合金材料复合制造的形式，基体为强度较高且价格相对较低的合金钢，表层材料为耐腐蚀性能较佳的铜合金类材质。如此，将多种合金材料的优势重分发挥，基于基体的高强度可对桨叶进行减薄或者中空的轻量化设计以及型面的优化设计，从而提高螺旋桨的整体推进效率；同时表层包覆的铜合金材料又能对螺旋桨起到极佳的防腐蚀保护作用。

2、大型化发展的螺旋桨若全部采用防腐性能优良的镍铝青铜等铜合金材料，将耗费大量的贵重铜合金，使得成本大幅提高，本发明采用较为廉价的高强度合金钢等金属作为基体，只在表层制备铜合金防腐层，既保证成本的降低，又提高了稳定性和使用寿命。

3、本发明在螺旋桨中心孔内壁表面制备的青铜合金表层可大大提高螺旋桨中心孔壁的耐磨损特性，从而使螺旋桨与主轴的安装精度保持性大大提高。

附图说明

图1为本发明的船用螺旋桨的多合金复合制造方法示意图；

图2为本发明的高强合金钢基体+铜合金表层的螺旋桨结构示意图；

图3为图2的A-A截面示剖视图；

图4为螺旋桨单桨叶基体表面制备铜合金表层示意图；

图5为完成所有桨叶铜合金表层的制备示意图；

图6为完成桨毂外表面铜合金表层的制备示意图；

图7为桨毂中心孔壁铜合金表层的制备示意图；

图8为完成桨毂中心孔壁铜合金表层的制备示意图。

附图标记说明：

1.基体；2.铜合金表层；3.铜合金丝材；4.铜合金外表层制备工具；5.桨毂；6.中心孔；7.中心孔壁铜合金表层制备工具。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～8所示，本发明的船用螺旋桨(如图2所示)的多合金复合制造方法，改变现有螺旋桨采用单一材料制备而难以满足高强、耐腐蚀、低成本等综合性能需求，而采用基体+表层或基体+过渡层+表层等多种合金材料复合制造的形式，基体为强度高于600MPa且价格相对较低的合金钢(铜合金屈服强度一般低于600MPa)，表层材料为耐腐蚀性能较佳的铜合金类材质，图3示出的是没有过渡层的基体1+铜合金表层2。本发明的船用螺旋桨的多合金复合制造方法，包括以下步骤：

步骤a、综合考虑船用螺旋桨的腐蚀因素(海水、海生物、空泡等)、强度要求(刚度、韧性、振动等)以及推进效率要求，选择合适的基体合金材料，配制耐腐蚀性能好的表层合金材料组分(若基体与表层可直接形成良好的冶金结合界面，则可不需过渡层)。基体要求强度高(高于600MPa)、成本低，可由铸造或者锻造制成。而表层要求耐腐蚀性能好，与基体合金材料结合性好，可为铜合金类材料；

步骤b、根据选定的基体合金材料+表层合金材料重新设计螺旋桨结构，基于基体1的高强度可对桨叶进行减薄或者中空的轻量化设计以及型面的优化设计，从而提高螺旋桨的整体推进效率；

步骤c、对基体1的表面进行喷砂、清洗等前处理，得到合适的表面状态，有益于基体1与铜合金表层2的紧密结合，然后通过增材制造、高能束焊接或者熔覆等方式将丝材或者粉体沉积到基体表面，如图4～8所示，利用铜合金外表层制备工具4将铜合金丝材3在基体1的表面(包括桨叶表面和桨毂表面5)，并利用中心孔壁铜合金表层制备工具7在桨毂中心孔6的内壁形成铜合金表层，制备铜合金表层2，从而得到高致密、无裂纹的铜合金表层2，过程中需要优选铜合金外表层制备工具4的功率大小、扫描速度、送粉量、搭接率等工艺参数，在表层材料的制备过程中需要同步进行后处理操作，以细化晶粒、去残余应力，减小零件的变形；

步骤d、最后还需对螺旋桨进行精加工和抛光处理，经过精加工和抛光工序的表面才是转子最终的表面，其表面完整性直接影响着转子的抗磨损及抗腐蚀特性，进行铣削、抛光等工序后转子表面粗糙度、微观形貌、残余应力、显微硬度等值对转子抗磨损、抗腐蚀性能的研究，优选合理的精加工工艺及参数，获得抗失效性能佳的表面状态。

本发明的船用螺旋桨及多合金复合制造方法中，基体采用了高强度的合金钢材料，可对桨叶基体进行减薄或者空心结构设计，从而达到轻量化的目标，有利于船舶推进效率的提高。

本发明的船用螺旋桨及多合金复合制造方法中，基体与表层材料的结合要达到冶金结合的状态，可选用增材制造、高能束焊接或者熔覆的方式制备，表层材料的厚度可根据螺旋桨工作环境腐蚀性的强弱来调整，一般为1-5mm，腐蚀性越强，表层材料厚度越大，腐蚀性越弱，表层材料厚度越小。

本发明的船用螺旋桨及多合金复合制造方法中，在基体上制备表层防腐金属材料时，先制备基体外表面防腐金属层，再将可深入螺旋桨轮毂中心孔的工具深入中心孔内部进行孔壁表面防腐金属层的制备。由于内孔壁会与螺旋桨主轴接触，故此处金属层除需具备防腐性能外，还应具备耐磨损的特性，而铜合金中的青铜类合金恰恰具备优良的耐磨损特性。

本发明的船用螺旋桨及多合金复合制造方法，采用基体+表层或基体+过渡层+表层等多种合金材料复合制造的形式，基体为强度较高且价格相对较低的合金钢，表层材料为耐腐蚀性能较佳的铜合金类材质。如此，将多种合金材料的优势重分发挥，基于基体的高强度可对桨叶进行减薄或者中空的轻量化设计以及型面的优化设计，从而提高螺旋桨的整体推进效率；同时表层包覆的铜合金材料又能对螺旋桨起到极佳的防腐蚀保护作用。

大型化发展的螺旋桨若全部采用防腐性能优良的镍铝青铜等铜合金材料，将耗费大量的贵重铜合金，使得成本大幅提高，本发明采用较为廉价的高强度合金钢等金属作为基体，只在表层制备铜合金防腐层，既保证成本的降低，又提高了稳定性和使用寿命。本发明在螺旋桨中心孔内壁表面制备的青铜合金表层可大大提高螺旋桨中心孔壁的耐磨损特性，从而使螺旋桨与主轴的安装精度保持性大大提高。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种船用螺旋桨多合金复合制造方法，其特征在于，所述制造方法至少包括以下步骤：

步骤a、综合考虑船用螺旋桨的腐蚀因素、强度要求以及推进效率要求，选择屈服强度高于600MPa的合金钢材料作为基体合金材料，选择耐腐蚀性能好并与所述基体合金材料具有良好结合性的铜合金材料作为表层合金材料；

步骤b、根据步骤a所选定的基体合金材料和表层合金材料重新设计基础螺旋桨结构，基于基体合金材料的高强度对基础螺旋桨的桨叶进行减薄或者中空的轻量化设计以及型面的优化设计，之后利用基体合金材料制备改型螺旋桨，从而提高螺旋桨的整体推进效率；

步骤c、对步骤b得到的改型螺旋桨的基体表面进行喷砂、清洗前处理，然后通过增材制造、高能束焊接或者熔覆的方式将步骤a选定的表层合金材料的丝材或者粉体沉积到基体表面，从而得到高致密、无裂纹的表层合金材料层；在基体上制备表层合金材料层时，先制备基体外表面的表层合金材料层，再将可深入螺旋桨轮毂中心孔的工具深入中心孔内部进行孔壁表面表层合金材料层的制备；

步骤d、最后对螺旋桨进行精加工和抛光处理，获得抗失效性能佳的表面状态。

2.根据权利要求1所述的船用螺旋桨多合金复合制造方法，其特征在于，步骤c中，将表层合金材料的丝材或者粉体沉积到基体表面的过程中，需要调节增材设备的工艺参数，所述工艺参数包括增材设备的功率大小、扫描速度、送粉量、搭接率，在表层合金材料的制备过程中需要同步进行后处理操作，以细化晶粒、去残余应力，减小零件的变形。

3.根据权利要求1所述的船用螺旋桨多合金复合制造方法，其特征在于，基体合金材料与表层合金材料的结合要达到冶金结合的状态，选用增材制造、高能束焊接或者熔覆的方式制备，表层合金材料的厚度根据螺旋桨工作环境腐蚀性的强弱来调整，腐蚀性越强，表层合金材料厚度越大，腐蚀性越弱，表层合金材料厚度越小。

4.一种利用上述权利要求1～3任一项所述的合金复合制造方法得到的船用螺旋桨。

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