CN116497301A - 一种抗空蚀铜合金表面结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗空蚀铜合金表面结构及其制备方法，利用激光冲击成形技术，形成铜合金表面亲水结构；本发明在现有抗空蚀材料研究基础上，使用添加保护层的新型加工结构，通过激光冲击成形技术在铜合金表面织构亲水结构。添加保护层的新型加工结构使激光成形效果大大提升，制备的结构表面更加光滑平整。亲水结构能提高铜合金表面湿润性，使固液接触面附近的气核减少，降低气泡产生速率，从而抑制空化过程；并且引入表面残余应力，提高铜合金显微硬度，使其抗空蚀性能进一步提升。本发明可以有效抑制空化的产生，强化材料表面，从而保护重要部件。
Description
技术领域
本发明涉及抗空蚀表面微加工技术领域，具体是涉及了一种抗空蚀铜合金表面结构及其制备方法。
背景技术
如今在经济全球化的背景下，轮船、水下探测器等海洋勘探设备的使用和研发已经变得举足轻重。在螺旋桨、推进器等过流部件高速相对运动的固液接触面处，部分区域压力或者温度发生巨大的变化使得该区域液体部分气化，形成气泡，这便是空化。形成的气泡之后逐渐靠近固液接触面的过程中，由于失去维持气泡的物理条件，气泡便不断地发生溃灭，使材料壁周围的液体压力骤然增大。由于长时间的液体冲刷和气泡溃灭冲蚀，材料表面受到长时间反复的压力冲击，最终材料发生疲劳甚至导致表面材料的脱落。材料表面的空蚀现象经常发生于水泵、水轮机和船舶螺旋桨的叶片表面，以及高水头泄水建筑物的局部表面上。在空蚀的长期作用下，设备易出现斑痕、裂纹甚至残缺等情况。使泵壳和叶轮表面变得凹凸不平，摩阻系数逐渐增加，泵效率下降，电耗增加，易对叶轮、泵壳等产生破坏，使设备使用寿命下降数乃至十数年。
目前对于提升材料抗空蚀性能的手段主要有以下两种，一是寻求更高性能的合金材料，通过在铜合金中参杂微量元素来达到理想的性能；二是在材料表面添加高性能涂层，如喷涂有机涂层、超音速火焰喷涂或激光熔覆等，以保护内部金属基材。目前，海洋材料上已经采用大量的高性能合金，高性能海洋材料的研发处于瓶颈期，特别是针对抗空蚀材料，性能很难有明显的提升。而若采用涂层，虽然成本相对来说低一点，也是目前最常使用的抗空蚀方法，但涂抹涂层并未对基底材料进行强化，因此需要定期更换新的涂层，耗费大量的人力物力。此外，在涂层被破坏后，涂层中的金属元素更易与基底材料发生电化学反应，腐蚀基底材料。激光冲击成形技术在航空航天等精密加工中应用广泛，是一项完备的技术。而激光冲击成形制备亲水结构尚处于基础研发阶段，激光冲击成形制备亲水结构不仅防止了机械加工中对材料的损伤，还省去大量人力成本，十分经济便利。
如今，利用激光冲击成形技术制备亲水结构抗空蚀的研究在国内外仍处于基础研究阶段。激光冲击成形技术是利用高能脉冲激光和材料相互作用诱导的高幅冲击波的力效应，使板料产生塑性变形的成形技术。利用激光冲击成形技术制备抗空蚀亲水表面相比于传统抗空蚀加工工艺有以下几个优点；(1)高压，变形压力达到GPa量级，可以实现任意材料的加工；(2)高速，几十个纳秒内就能完成一次塑性变形，制备速度更快；(3)加工后表面形成很高的残余应力，使材料更加紧密，进一步提高了亲水结构表面抗空蚀能力；(4)灵活多变，通过调节激光入射角度可实现复杂工件、不同亲水形貌的表面加工。
本发明针对螺旋桨、推进器等过流部件的空蚀损伤问题，提出通过激光冲击成形技术在铜合金表面织构亲水结构来提高铜合金的抗空蚀性能。激光冲击工件表面的能量转化体(由约束层和吸收层组成)，使吸收层部分原子气化电离形成等离子体冲击波，而后冲击波的压力使板材发生塑性变形，通过逐点冲击和有序的击点分布实现材料表面亲水结构的织构过程。亲水结构提高了铜合金表面湿润性，使固液接触面附近的气核减少，降低了气泡产生速率，抑制空化进程，提高了铜合金的抗空蚀性能。另外，激光冲击成形技术带来的不仅是表面结构的改变，还引入了表面残余应力，使材料显微硬度明显提升、表层材料更加致密，进一步提高了铜合金的抗空蚀性能。
发明内容
本发明为了提高铜合金的抗空蚀能力，提供了一种抗空蚀铜合金表面结构及其制备方法，所得铜合金表面不易产生空核，降低空泡形成速率，抑制空化过程并引入表面残余应力，使其抗空蚀能力大大提升。
本发明的技术方案为：一种抗空蚀铜合金表面结构的制备方法，主要包括：
本发明采用的铜合金组分为96.65～97.85％的Cu、1.6～2.35％的Be、0.2～0.35％的Ni、0.35～0.65％的Co，余量为铁和不可避免的杂质。本发明实验光路为，激光器发出的激光通过反射镜、聚光镜等组成的光学系统汇聚在工件上，激光冲击工件表面的能量转化体(由约束层、吸收层和保护层组成)，使吸收层部分原子气化电离形成等离子体冲击波，而后冲击波的压力使板材发生塑性变形，通过逐点冲击和有序的击点分布实现材料表面亲水结构的织构过程，如图1所示。
(1)对材料预处理；对铜合金退火处理，去应力退火温度为150-200℃，保温时间1-1.5小时。用于消除因切割加工、轧制等操作带来的应力影响，稳定材料在后续加工中的形状大小，减少缺陷；对退火后的铜合金使用100-2000目砂纸进行打磨，后续进行抛光、清洗、烘干等操作，使材料表面尽量平整光滑，降低粗糙度；
(2)调节激光器参数；将待用的铜合金固定在激光冲击作用区域，调节激光冲击参数为调节激光强化设备的功率密度：4×1013W/m2--8×1013W/m2，脉冲能量：0.5-1J，脉冲宽度：5-10ns，加工频率：1-10Hz，波长：1064nm，产生高重复频率、高能量、短脉冲的激光脉冲，在铜合金表面产生半球形坑状结构，形成图2(a)。并且还可以通过改变激光入射角度、能量等参数实现不同表面形貌的加工。调节激光冲击参数为调节激光强化设备的功率密度：4×1013W/m2--8×1013W/m2，脉冲能量：1-1.5J，脉冲宽度：5-10ns，加工频率：1-10Hz，波长：1064nm，入射角：45°，在铜合金表面产生鱼鳞状扇形结构，形成图2(b)；
(3)固定工件结构；在铜合金表面固定一层橡胶和铝箔，橡胶作为保护层，铝箔为吸收层。该结构具体为铜合金基底在下，保护层位于中间，吸收层铝箔置于最上层。该结构与传统激光冲击成形技术相比加入了保护层，使激光诱导产生的等离子体与原子屑不会沉积在铜合金表面，能使材料表面结构相对光滑；
另外，通过对机械臂写入控制程序，可以调整固定材料的机械臂按照既定程序轨迹运动，从而可以实现复杂曲面加工，如示意图3；
(4)激光加载；启动激光冲击设备，激光器发出的激光通过反射镜、聚光镜等组成的光学系统汇聚在铜合金工件上，激光冲击工件表面的能量转化体(由最外层的约束层、以及紧贴工件的吸收层和保护层组成，其中约束层是1～2mm厚度的水层，约束层的目的是为了控制等离子体冲击波向材料内部传播)，使吸收层部分原子气化电离形成等离子体冲击波，而后冲击波的压力使板材发生塑性变形，通过逐点冲击和有序的击点分布实现材料表面亲水结构的织构过程。冲击波作用完成后，即完成抗空蚀铜合金表面结构的制备，制备出的结构为亲水结构，如图2所示。图2(a)所示结构微坑直径约35～50μm，深度约为20～30μm；图2(b)所示结构扇形半径约60-80μm，深度约为10～15μm；亲水结构能提高铜合金表面湿润性，使固液接触面附近的气核减少，降低了气泡产生速率，从而抑制空化过程，提高铜合金的抗空蚀性能。
本发明的有益效果：
1、激光冲击成形是近年来一种新型高能加工方法，非常适合海洋作业器械的加工，加工出的工件具有尺寸稳定性好和精度高等特点。
2、工艺简单可行，将工件按既定位置装卡后，在铜合金平板上加载激光即可，几十秒或数分钟内即可完成一个工件的加工，工作效率大大提高。
3、工件表面更加光滑，相比于传统工艺加入了保护层，使加工出的材料表面形貌更加。
4、微坑的密度、直径与深度均由激光相关参数控制，改变参数就可以用来完成不同要求的表面微坑的加工，可实现多种表面形貌织构，可灵活地适用各种实际需求。
5、本发明用于一种抗空蚀铜合金表面结构的制备方法，降低空泡形成速率，提升铜合金抗空蚀能力。
附图说明
图1为实例中脉冲激光作用于金属表面示意图。
其中1.激光器；2.激光光束；3.反射镜；4.聚光镜；5.约束层(水)；6.吸收层(铝箔)；7.保护层(橡胶)；8.铜合金；9.表面制成的微结构；
图2位于铜合金基体表面，为成品表面示意图。其中(a)为坑状，(b)为鱼鳞状。
图3为织构抗空蚀结构表面层的螺旋桨试样的结构示意图。
其中1.试样基底；2.表面织构区域；3.机械臂
具体实施方式
本发明利用激光冲击成形技术，获得铜合金表面亲水结构；本发明在现有抗空蚀材料研究基础上，使用添加保护层的新型加工结构，通过激光冲击成形技术在铜合金表面织构亲水结构。添加保护层的新型加工结构使激光成形效果大大提升，制备的结构表面更加光滑平整。亲水结构能提高铜合金表面湿润性，使固液接触面附近的气核减少，降低气泡产生速率，从而抑制空化过程；并且引入表面残余应力，提高铜合金显微硬度，使其抗空蚀性能进一步提升。本发明可以有效抑制空化的产生，强化材料表面，从而保护重要部件。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：多种抗空蚀铜合金表面亲水结构的制备，主要包括：
采用的铜合金组分为96.65～97.85％的Cu、1.6～2.35％的Be、0.2～0.35％的Ni、0.35～0.65％的Co，余量为铁和不可避免的杂质。
激光器1发出的激光光束2通过反射镜3、聚光镜4等组成的光学系统汇聚在工件上，激光冲击工件表面的能量转化体(由约束层5、吸收层6和保护层7组成)，使吸收层部分原子气化电离形成等离子体冲击波，而后冲击波的压力使板材发生塑性变形，通过逐点冲击和有序的击点分布实现材料表面亲水结构的织构过程，如图1所示。
(1)对材料预处理；对铜合金退火处理，去应力退火温度为150-200℃，保温时间1-1.5小时。用于消除因切割加工、轧制等操作带来的应力影响，稳定材料在后续加工中的形状大小，减少缺陷；对退火后的铜合金使用100-2000目砂纸进行打磨，后续进行抛光、清洗、烘干等操作，使材料表面尽量平整光滑，降低粗糙度；
(2)调节激光器参数；将待用的铜合金固定在激光冲击作用区域，调节激光冲击参数为调节激光强化设备的功率密度：4×1013W/m2--8×1013W/m2，脉冲能量：0.5-1J，脉冲宽度：5-10ns，加工频率：1-10Hz，波长：1064nm，产生高重复频率、高能量、短脉冲的激光脉冲，在铜合金表面产生半球形坑状结构，形成图2(a)。并且还可以通过改变激光入射角度、能量等参数实现不同表面形貌的加工。调节激光冲击参数为调节激光强化设备的功率密度：4×1013W/m2--8×1013W/m2，脉冲能量：1-1.5J，脉冲宽度：5-10ns，加工频率：1-10Hz，波长：1064nm，入射角：45°，在铜合金表面产生鱼鳞状结构，形成图2(b)；
(3)固定工件结构；在铜合金表面固定一层橡胶和铝箔，橡胶作为保护层，铝箔为吸收层。如图1所示，其中1.激光器；2.激光光束；3.反射镜；4.聚光镜；5.约束层(水)；6.吸收层(铝箔)；7.保护层(橡胶)；8.铜合金；9.表面制成的微结构；该结构具体为铜合金8基底在下，保护层7位于中间，吸收层6铝箔置于最上层。该结构与传统激光冲击成形技术相比加入了保护层，使激光诱导产生的等离子体与原子屑不会沉积在铜合金表面，能使材料表面结构相对光滑；
(4)激光加载；启动激光冲击设备，冲击波作用完成后，即完成抗空蚀铜合金表面结构的制备，制备出的结构为亲水结构，如图2所示(其中，a中的半球形坑状结构直径约为50微米，深度约为30微米，圆心距为70微米；b中的每个鱼鳞状微结构单体均为45°圆心角的扇形，半径约为80微米，深度约为15微米，微结构单体之间的列圆心间距为200微米，行圆心间距为50微米。)。亲水结构能提高铜合金表面湿润性，使固液接触面附近的气核减少，降低了气泡产生速率，从而抑制空化过程，提高铜合金的抗空蚀性能。
实施例2：织构抗空蚀结构表面层的螺旋桨试样，如图3所示；
在试样上平面进行激光冲击成形加工，图3中1.试样基底；2.表面织构区域；3.机械臂。实施时将试样整体泡入水中，使水流冲击并经过试样，经过测试发现：
(1)没有经过加工的工件，空化过程没有减缓，随着时间增长空蚀效果越来越明显。
(2)经过加工的工件，空化过程减缓，工件质量损失曲线出现拐点，空蚀孕育期增长，抗空蚀效果明显。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，对铜合金材料预处理；
S2，调节激光器参数；
S3，固定工件结构；
S4，激光加载，冲击成形，得得到抗空蚀亲水结构。
2.根据权利要求1所述的一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，所述S1中，预处理主要是对铜合金进行退火处理，具体地：去应力退火温度为150-200℃，保温时间1-1.5小时；对退火后的铜合金使用100-2000目砂纸进行打磨，并进行抛光、清洗、烘干等处理，使材料表面平整光滑。
3.根据权利要求1所述的一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，所述S2中，激光器参数设置为：调节激光强化设备的功率密度：4×1013W/m2--8×1013W/m2，脉冲能量：0.5-1J，脉冲宽度：5-10ns，加工频率：1-10Hz，波长：1064nm，产生高重复频率、高能量、短脉冲的激光脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，所述S2中，激光器参数设置为：调节激光强化设备的功率密度：4×1013W/m2--8×1013W/m2，脉冲能量：1-1.5J，脉冲宽度：5-10ns，加工频率：1-10Hz，波长：1064nm，入射角：45°。
5.根据权利要求1所述的一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，所述S3的具体实现包括：在铜合金表面固定一层橡胶和铝箔，橡胶作为保护层，铝箔为吸收层。具体为铜合金基底在下，保护层位于中间，吸收层铝箔置于最上层。
6.根据权利要求5所述的一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，所述S3还包括：通过对机械臂写入控制程序，调整并固定材料的机械臂，可以实现复杂曲面加工。
7.根据权利要求1所述的一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，所述S4包括：启动激光器，激光器发出的激光通过反射镜、聚光镜等组成的光学系统汇聚在铜合金工件上，激光冲击工件表面的能量转化体(由约束层、吸收层和保护层组成)，使吸收层部分原子气化电离形成等离子体冲击波，而后冲击波的压力使板材发生塑性变形，通过逐点冲击和有序的击点分布实现材料表面亲水结构的织构过程。
8.根据权利要求7所述的一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，在激光器参数设置为权利要求3所述的参数时，所得铜合金表面亲水结构为半球形坑状结构，结构微坑直径约35～50μm，深度约为20～30μm，圆心距为70微米；；在激光器参数设置为权利要求4所述的参数时，所得铜合金表面亲水结构为鱼鳞状扇形结构，扇形结构单体均为45°圆心角的扇形，半径约为80微米，深度约为15微米，微结构单体之间的列圆心间距为200微米，行圆心间距为50微米。
9.根据权利要求1-8所述的一种抗空蚀铜合金表面结构制备方法，其特征在于，所述铜合金的组分为：96.65～97.85％的Cu、1.6～2.35％的Be、0.2～0.35％的Ni、0.35～0.65％的Co，余量为铁和其他杂质。
10.一种抗空蚀铜合金表面结构，其特征在于，所述结构为半球形坑状结构，半球形坑状结构单体直径约为50微米，深度约为30微米，圆心距为70微米；所述结构或为鱼鳞状扇形结构，每个鱼鳞状微结构单体均为45°圆心角的扇形，半径约为80微米，深度约为15微米，微结构单体之间的列圆心间距为200微米，行圆心间距为50微米。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117047287A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-14 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法 |
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2023
- 2023-03-30 CN CN202310326696.6A patent/CN116497301A/zh active Pending
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| CN117047287A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-14 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 一种Ti2AlNb超亲液微结构激光加工方法 |
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