镍铝青铜合金的腐蚀行为及其表面改性研究

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镍铝青铜合金因其所具有的良好机械性能和耐蚀性能而广泛应用于舰船螺旋桨等海洋装备中。该合金的铸态组织较为复杂,存在着晶粒粗大以及成分偏析等缺陷,在海水环境中容易发生相的选择性腐蚀,加剧空泡腐蚀对材料的破坏。本文采用热处理方法对铸态合金的微观组织进行调控,建立了微观组织与腐蚀性能间的关系,寻求获得了兼具最优耐静态腐蚀和空泡腐蚀性能的微观组织。综合考虑到合金的腐蚀和机械性能,在保证工件整体力学性能不变的前提下,采用激光表面淬火处理的方法制备了表面耐蚀层。主要研究结果如下:(1)铸态镍铝青铜合金选相腐蚀的发生是电化学因素和表面膜层因素共同决定的:各相成分和结构的差异所导致的腐蚀电势的高低差别,是选相腐蚀发生的内在因素;各相表面生成膜层的不均匀性、覆盖不完整性使得优先腐蚀相腐蚀速率相对较快。因此,发生选择性腐蚀的区域为β′相以及毗邻κ相界处的α相处。此外,选相腐蚀还与相的形貌和分布形态有关,腐蚀容易沿着连续相而渗透至合金心部,使得“α+κiii”片层共析组织处腐蚀相对较为严重。(2)空蚀过程是电化学腐蚀与机械冲击力共同作用的结果:选相腐蚀的存在降低了铸态NAB合金的强度,加速了局部损伤;机械冲击力剥离合金表面腐蚀产物膜层,增加了材料的腐蚀速率。在这种协同作用下,铸态NAB合金的优先腐蚀相破坏较为严重,而κ相因具有较高的硬度和耐蚀性不受侵蚀。(3)通过调节热处理温度和冷却速率,对铸态镍铝青铜合金分别进行了退火、正火、淬火和时效处理。退火处理大大减小了组织中β′相的含量,使其转变为α相和κ相。淬火处理使得高温的单一β相组织保留了下来,在室温下呈现针状形貌。经正火处理后,β相在冷却过程中部分转变成为α相,并析出了尺寸较小的κ相,另一部分成为β′相,各相分界明显。淬火试样经450℃时效处理后,在β相中均匀析出了纳米尺寸的κ相,呈弥散分布。当时效温度升高至550℃时,β相开始转变为α相,室温下为α、β′和κ相共存组织,但各相分布比较均匀。(4)研究了微观组织中相的含量与分布形态对腐蚀行为与机械性能的影响。铸态、退火态以及正火态组织由于相分布的不均匀性,容易发生选相腐蚀,在空蚀作用下局部破坏严重。而淬火以及淬火后450℃时效处理使得组织均匀化,抑制了选相腐蚀的发生;同时,组织中的淬火态β相是Al、Ni元素的过饱和固溶体,在遭受腐蚀过程中表面能够迅速形成保护性较高的腐蚀产物膜层,降低了静态腐蚀速率。此外,该组织具有较高的硬度和强度,能够抵御机械冲击破坏,表现出优异的耐空泡腐蚀性能。但是该组织具有较低的延伸率,对工件进行整体淬火处理会降低其力学性能,造成脆性断裂。(5)利用激光表面淬火技术在铸态镍铝青铜合金表面制备得到了具有一定深度的改性层。表层细晶区深度约为220μm,内部显微形貌为类“淬火+450℃时效”组织。相分布均匀,能够消除铸态合金的选相腐蚀,使得腐蚀速率降低约42.5%;表层细晶区具有较高的硬度和均匀化的组织,机械汽蚀与电化学腐蚀的协同作用较小,使得铸态镍铝青铜合金耐空蚀性能提高了8.8倍。
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