铝青铜焊接热影响区的空蚀形貌特征

李小亚1,2,3,闫永贵1,马　力1,许振明2,李建国2

(1海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室,洛阳船舶材料研究所青岛分部,山东青岛266071;

2上海交通大学复合材料国家重点实验室,上海200030;3河北科技大学,河北石家庄050054)

摘　要:为了解铝青铜焊接热影响区(HAZ)的空蚀行为,对镍铝青铜焊接热影响区的空蚀形貌进行了扫描电镜(SEM)分析。结果表明:在空蚀初期,α相遭到选择性优先空蚀破坏;空蚀破坏呈现不均匀性,局部区域出现大的空蚀坑。热影响区空蚀破坏的机制是微坑的产生、长大、合并,进而形成裂纹,裂纹扩展最终导致失质。

关键词:用镍铝青铜;钨极氩弧焊(TIG);HAZ;空蚀;SEM

　  高速流体或振动液体的局部压力下降到某一水平以下时空泡形核、长大,这些空泡移动到高压区时溃裂,产生冲击波和微射流,形成应力脉冲作用在邻近固体表面上。应力脉冲持续不断地作用在固体表面上导致表面的疲劳破坏和失质。这种破坏模式称为空蚀,常发生在螺旋桨和水轮机叶片等过流部件上[1]。

镍铝青铜强度高、韧性好、耐腐蚀性能优异,是主要的船用螺旋桨材料之一。螺旋桨的铸造缺陷及其空蚀严重的部位都需要修复,常采用堆焊方法。堆焊后会形成焊缝区、热影响区(HAZ)和母材等组织性能不同的区域[2]。镍铝青铜焊接接头腐蚀行为的研究表明,HAZ被选择性优先腐蚀[3,4],而且在HAZ内马氏体相被优先腐蚀[5]。HAZ的空蚀行为怎样,马氏体是否被优先空蚀,有关这方面的研究尚未见报道。对镍铝青铜焊接接头HAZ空蚀的研究有助于预测修复后的螺旋桨的服役状况和使用寿命。本文开展了镍铝青铜焊接接头HAZ空蚀的研究。

1　实验方法

试验材料是一块长500mm、宽200mm、高20mm的ZCCu3板材,其铸造工艺类似ZCCu3螺旋桨的铸造工艺,化学成分为(wt.%):8.56%Al,4.84%Fe,4.49%Ni,1.40%Mn和79.53%Cu。在板的中央加工一条长500mm、宽15mm、深5mm的槽,然后用钨极氩弧焊对此进行槽堆焊。充填材料与母材相同,焊接电流为350A,电压为17V,保护气体为氩气,焊接后打磨光。然后在包含热影响区的区域上切取Φ14mm×20mm的圆柱,加工成直径为12.7mm一端扁平的磁致伸缩试样。试样的另一端有螺纹,以便在实验中把试样装在变幅杆上。用1μm的金刚石抛光膏把试样抛光到镜面。实验前对试样进行清洗、脱脂处理。

空蚀实验在磁致伸缩振动仪上进行,参照ASTMG32[6],变幅杆的频率为20kHz,振幅为60μm(峰到峰),实验介质为3.5%NaCl水溶液,保持在25℃±2℃。空蚀实验进行一段时间后,取下试样,清洗、干燥,然后进行SEM(日本JSM2840型)分析。

2　实验结果及讨论

2.1　微观组织

铸态镍铝青铜的微观组织由α相、共析相(α+κⅢ)和各种形态的κ相(金属间化合物)组成[7,8]。由于热影响区在焊接过程中被加热到950℃～1000℃[9],共析相发生溶解,形成高温β相。在随后的快速冷却过程中这种高温β相转变成马氏体;而α相和κ相发生部分溶解,溶解的部分形成高温β相,快冷过程中转变成马氏体;未溶解部分冷却后还是α相和κ相。所以,热影响区的微观组织由α相、马氏体和κ相组成(图1)。

图1　镍铝青铜焊缝热影响区金相照片。Bar=100μm

2.2　空蚀形貌

图2是一组镍铝青铜焊接HAZ试样空蚀后的SEM照片。可以看到:①空蚀10min,α相发生变形,在它的边缘局部出现滑移线,并在与马氏体相连的局部边界形成沟槽(图2a);②空蚀30min后,在有的α相与马氏体相和κ相的边界出现裂纹(图2b),大多数α相已经开始失去金属,但是马氏体相和κ相没有变形,在马氏体相出现一些微坑(图2c、2d),这说明在空蚀初期α相空蚀孕育期比马氏体和κ相短,被优先空蚀;③空蚀60min后,α相变得很粗糙,马氏体相也已经遭到空蚀破坏,但仍有一些马氏体相未被完全破坏,保持原样(图2e、2f);④空蚀150min后,试样表面变得很粗糙,残留的马氏体痕迹已不复存在,试样的空蚀破坏不均匀,局部出现了大的空蚀坑(图2g、2h)。

2.3　微观组织对空蚀破坏的影响

材料的相组成及其结构对其在空蚀过程中裂纹的萌生、扩展以及失质都有很大的影响。如前所述,镍铝青铜HAZ由富铜的α相、马氏体和富铁的κ相组成,它们的晶体结构不同,α相具有面心立方结构(fcc),马氏体具有体心立方结构(bcc),κ相具有氯化铯(CsCl)型B2结构[8]。fcc结构各向同性,对应变率的敏感性低,呈现良好的延性;虽然bcc结构也具有各向同性,但是它的变形对应变率特别敏感,随着应变率的增加,变形越来越困难,脆性破坏的倾向增加。所以,它们对空泡溃灭产生的应力脉冲的反应也不一样。

α相的硬度低(HV012=178),且其对应变率的敏感性低,所以在应力脉冲作用下先启动,开始滑移、变形。但由于α相的变形受到周围马氏体相和κⅡ相阻碍,α相的滑移线多集中在它的边缘(图2a);随着应力脉冲的持续作用,处于边界的α相发生疲劳,微坑在这里产生、扩大、连接,形成裂纹,同时,α相内部也出现微坑(图2b);裂纹向α相内部扩展,与α相内正在长大的微坑相连,导致α相的部分剥离(图2c、2d)。

马氏体相的硬度相对较高(HV012=282),再者它的bcc结构对变形应变率特别敏感,随着应变率的增加,变形越困难,所以马氏体相空蚀孕育期比α相长,从这点看马氏体的耐空蚀性能应该比α相的好。马氏体相的破坏是由于微坑长大、合并形成蚀坑及α相失质向马氏体延伸。

随着空蚀的继续进行,裂纹向α相和马氏体的纵深相扩展,导致α相和马氏体相晶粒的整体脱落,所以空蚀150min后,试样表面变得相当粗糙,已分不清α相和马氏体相(图2g)。

图2　镍铝青铜焊缝HAZ空蚀后的SEM照片。a:空蚀10min;b、c、d:空蚀30min;e、f:空蚀60min;g、

h:空蚀150min  Bar=10μm

3　结论

在空蚀初期,α相局部被挤压变形,出现滑移线、沟槽和微坑;马氏体相保持不变。随着空蚀的进行,在α相与马氏体边界形成裂纹,微坑长大、合并形成大的蚀坑,受挤压的α相开始失质;马氏体相上出现微坑。在空蚀的最后阶段,失质从α相扩展到马氏体相,导致整个金属表面被破坏。空蚀破坏呈现出不均匀性,局部区域出现大的空蚀坑。