CN115026431A - 一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法 - Google Patents

一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，包括以下步骤：(1)真空熔炼获得镍铝青铜合金；(2)采用搅拌摩擦加工工具，对镍铝青铜合金进行搅拌摩擦加工，在镍铝青铜合金表面制得粗晶到微米晶的梯度结构；所述搅拌摩擦加工工具包括底面与镍铝青铜合金表面贴合的轴肩，在轴肩上设置有搅拌针，通过轴肩带动搅拌针同时进行旋转和前进运动，所述搅拌针呈倒梯形结构；(3)利用激光喷丸在经搅拌摩擦加工后的镍铝青铜合金表面制得具有残余压应力的表面纳米结构，从而实现高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建。本发明构建生成的镍铝青铜合金组织具有较好的耐腐蚀疲劳性能。

Description

一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建 方法
技术领域
本发明属于海洋装备领域，具体涉及海洋装备用合金材料的表面改性方法，更为具体地说是涉及一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法。
背景技术
全回转推进器是目前海上钻井平台、航母等大型海洋装备最主要的动力定位构件，镍铝青铜合金是目前推进器关键部件可调距螺旋桨的最主要材料，目前所用的均为铸态。螺旋桨每个桨叶的直径＞3米，自重几吨，单个桨叶瞬间承受的载荷大于10吨，在服役的过程中，面临高交变载荷、高盐度以及空泡等复杂的海洋环境。尤其在叶根和叶梢部位，合金很容易因发生选相腐蚀或点蚀形成局部损伤，进而发生腐蚀疲劳破坏，严重影响合金的服役寿命。疲劳裂纹萌生对于合金的腐蚀疲劳性能至关重要，约占总疲劳阶段的70％-80％，而萌生往往发生在合金表面，因此制备高抗腐蚀疲劳裂纹萌生表面是目前制备高服役性能海洋装备急需要解决的关键问题之一。
镍铝青铜合金是一种复杂多相合金，粗大硬脆的马氏体β′和第二相κ(κⅰ、κⅱ、κⅲ和κⅳ)相的含量可达30％以上，提高其表面的抗腐蚀疲劳裂纹萌生性能一直是各国科学家关注的焦点和难点。制备具有残余压应力的表面纳米结构是提高抗腐蚀疲劳裂纹萌生的有效途径，目前合金的表面改性方法包括激光淬火、电感应加热淬火、摩擦处理以及搅拌摩擦加工等“热输入/热强塑性变形”方法和机械/激光喷丸、机械研磨以及超声表面滚压等“冷强塑性变形”方法。“热输入/热强塑性变形”方法可以细化均匀合金表面组织，消除粗大硬脆相，同时提高合金的机械和耐腐蚀性能，但改性层的晶粒尺度在微米级别，而且“热强塑性变形”在加工过程中需要施加约束，加工合金很容易形成高的残余拉应力，抗腐蚀疲劳性能有待提高。表面“冷强塑性变形”改性方法，可以明显细化表面晶粒，同时在表面形成残余压应力，进而改善合金的抗腐蚀疲劳裂纹萌生性能。但是，对于镍铝青铜这类复杂多相合金，“冷强塑性变形”容易产生较大的相间内应力，且会对合金表面粗大硬脆相造成损伤，限制了其在复杂多相合金中的广泛应用。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，包括以下步骤：
(1)真空熔炼获得镍铝青铜合金；
(2)采用搅拌摩擦加工工具，对镍铝青铜合金进行搅拌摩擦加工，在镍铝青铜合金表面制得粗晶到微米晶的梯度结构；
所述搅拌摩擦加工工具包括底面与镍铝青铜合金表面贴合的轴肩，在轴肩上设置有搅拌针，通过轴肩带动搅拌针同时进行旋转和前进运动，所述搅拌针呈倒梯形结构；
(3)步骤(2)完成后，利用激光喷丸在经搅拌摩擦加工后的镍铝青铜合金表面制得具有残余压应力的表面纳米结构，从而实现高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建。
优选的，步骤(2)中：所述搅拌针高度≤2mm，搅拌针针尖处的钝角角度≥135°，搅拌针针尖宽度≤2mm，轴肩长度≥15mm。
优选的，步骤(2)中：搅拌摩擦加工时，搅拌针的搅拌转速为1000-2000转/分钟，前进速度50-200mm/min。
优选的，步骤(3)中：激光喷丸采用Nd-YAG激光器，选用铝箔为能量吸收层，流水为约束层。
优选的，所述Nd-YAG激光器输出的激光能量为圆形光斑，光斑大小为2mm；能量吸收层铝箔的厚度为0.1mm；约束层流水的厚度为1～2mm。
优选的，步骤(3)中：采用激光路径为S形依次冲击，激光功率密度为1.5GW/cm2，冲击2次，控制搭接率为50％。
本发明的有益技术效果是：
针对镍铝青铜合金复杂多相的组织特点，本发明提出采用搅拌摩擦(“热强塑性变形”)消除粗大硬脆相，获得细小均匀的微米级组织，并且通过搅拌摩擦加工工具的设计，可得到粗晶到微米晶的梯度结构；在此基础上，利用激光喷丸(“冷强塑性变形”)构建具有残余压应力的表面纳米结构。本发明构建得到镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构，从而使得镍铝青铜合金具有高抗腐蚀疲劳性能。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建示意图；
图2为本发明中所涉及搅拌摩擦加工工具的结构示意图；
图3为本发明中搅拌摩擦加工粗晶到微米晶梯度结构示意图。
图4为本发明中制备的镍铝青铜表面微纳梯度结构和铸态青铜表面激光喷丸裂纹萌生寿命对比图。
具体实施方式
针对镍铝青铜合金复杂多相的组织特点，搅拌摩擦加工属于“热强塑性变形”，其可以消除镍铝青铜中粗大硬脆的第二相，通过搅拌摩擦加工工具的设计，形成粗晶到微米晶的梯度结构；激光喷丸属于“冷强塑性变形”，可以在合金表面形成具有残余压应力的表面纳米结构，最终形成表面微纳梯度结构，使镍铝青铜合金的抗腐蚀疲劳性能明显提高。
本发明联合搅拌摩擦加工和激光喷丸工艺制备高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构，首先是镍铝青铜的熔炼，然后设计具有梯度结构的搅拌摩擦加工工具，利用该工具在镍铝青铜合金表面制备粗晶到微米晶的梯度结构，在此基础上，利用激光喷丸在合金表面构建具有残余压应力的表面纳米结构，最终实现梯度表面微纳梯度结构的构建。
具体地，一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，包括以下步骤：
(1)真空熔炼获得镍铝青铜合金。准备纯铜板、铜铝合金、镍板、铁板和锰粉，清洗材料的表面，将所有材料按照一定的比例放入真空感应熔炼炉内，然后进行真空熔炼。比如说可熔炼为镍铝青铜合金板等。
(2)采用搅拌摩擦加工工具，对镍铝青铜合金进行搅拌摩擦加工，在镍铝青铜合金表面制得粗晶到微米晶的梯度结构。
如图2所示，所述搅拌摩擦加工工具包括底面与镍铝青铜合金板表面贴合的轴肩1，在轴肩1上设置有搅拌针2，搅拌针2插入镍铝青铜合金板后，轴肩1的底面与镍铝青铜合金板的待处理表面紧密贴合，通过轴肩1带动搅拌针2同时进行旋转和前进运动。所述搅拌针2呈倒梯形结构。搅拌针高度≤2mm，搅拌针针尖处的钝角θ角度≥135°，搅拌针针尖宽度≤2mm，轴肩长度≥15mm。如具体地，可设置搅拌针高度为2mm，搅拌针针尖处的钝角θ角度为135°，搅拌针针尖宽度为2mm，轴肩长度为15mm。
搅拌摩擦加工时，搅拌针的搅拌转速为1000-2000转/分钟，前进速度50-200mm/min。通过搅拌摩擦加工，在镍铝青铜合金表面制得粗晶到微米晶的梯度结构，如图3所示。
(3)步骤(2)完成后，利用激光喷丸在经搅拌摩擦加工后的镍铝青铜合金表面制得具有残余压应力的表面纳米结构，从而实现高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建，整体构建示意图如图1所示。
激光喷丸采用Nd-YAG激光器，Nd-YAG激光器输出的激光能量为圆形光斑，光斑大小为2mm。选用0.1mm厚的铝箔为能量吸收层，1～2mm厚的流水为约束层。采用激光路径为S形依次冲击，激光功率密度为1.5GW/cm2，冲击2次，控制搭接率为50％。
综上，本发明利用搅拌摩擦加工消除铸态合金中粗大硬脆相，实现粗晶到微米晶的梯度结构，利用激光喷丸在微米晶表面构建具有残余压应力的表面纳米结构，基于目前对镍铝青铜合金的研究，本发明生成的合金组织具有较好的耐腐蚀疲劳性能。
采用直流电压降法测试表面微纳多尺度梯度结构，裂纹萌生会造成试样两端电压降的变化，同时电压降法还可以同时测试出裂纹长度，其结果如图4所示，由图4可见，本发明制备的表面微纳梯度结构的疲劳和腐蚀疲劳裂纹萌生性能明显高于铸态青铜合金表面激光喷丸。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
以上对本发明的实施方式进行了详细说明，但对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等变换或者替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)真空熔炼获得镍铝青铜合金；
(2)采用搅拌摩擦加工工具，对镍铝青铜合金进行搅拌摩擦加工，在镍铝青铜合金表面制得粗晶到微米晶的梯度结构；
所述搅拌摩擦加工工具包括底面与镍铝青铜合金表面贴合的轴肩，在轴肩上设置有搅拌针，通过轴肩带动搅拌针同时进行旋转和前进运动，所述搅拌针呈倒梯形结构；
(3)步骤(2)完成后，利用激光喷丸在经搅拌摩擦加工后的镍铝青铜合金表面制得具有残余压应力的表面纳米结构，从而实现高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建。
2.根据权利要求1所述的一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，其特征在于，步骤(2)中：所述搅拌针高度≤2mm，搅拌针针尖处的钝角角度≥135°，搅拌针针尖宽度≤2mm，轴肩长度≥15mm。
3.根据权利要求1所述的一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，其特征在于，步骤(2)中：搅拌摩擦加工时，搅拌针的搅拌转速为1000-2000转/分钟，前进速度50-200mm/min。
4.根据权利要求1所述的一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，其特征在于，步骤(3)中：激光喷丸采用Nd-YAG激光器，选用铝箔为能量吸收层，流水为约束层。
5.根据权利要求1所述的一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，其特征在于：所述Nd-YAG激光器输出的激光能量为圆形光斑，光斑大小为2mm；能量吸收层铝箔的厚度为0.1mm；约束层流水的厚度为1～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种高抗腐蚀疲劳镍铝青铜表面微纳多尺度梯度结构的构建方法，其特征在于，步骤(3)中：采用激光路径为S形依次冲击，激光功率密度为1.5GW/cm2，冲击2次，控制搭接率为50％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115612814A (zh) * 2022-10-11 2023-01-17 中山大学 基于热力耦合作用再结晶制备梯度结构双相不锈钢的方法

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