镍铝青铜激光熔覆镍基合金涂层的制备与性能研究

摘要

镍铝青铜（NAB）合金因其具有优异的耐海水腐蚀性能和良好的抗疲劳性能，成为铸造船用螺旋桨的主流材料。但随着航海需求的不断提高，螺旋桨的工况更加恶劣，对螺旋桨的性能提出了更苛刻的要求。本文旨在提高镍铝青铜合金的耐腐蚀、空蚀和抗疲劳的性能，从而延长镍铝青铜螺旋桨的使用寿命。
　　本研究先对镍铝青铜合金进行热处理强化，得到整体强韧的基体，充分发挥合金的潜能。通过不同的热处理方式调控合金的微观组织，分析其对电化学腐蚀性能和抗疲劳裂纹扩展速率的影响，从而优化合金的热处理工艺。结果表明退火可以使β’分解成α+κⅢ，明显提高材料的塑性和耐腐蚀性，但强度稍微降低。试样经固溶时效处理后，强度最高，但延伸率和腐蚀阻抗最低。适当地正火处理可以提高材料的综合力学性能，同时不降低材料的耐蚀性能。镍铝青铜在空气中的疲劳裂纹扩展速率由高至低依次为：铸态>固溶时效态>正火态。疲劳裂纹主要沿着铸态试样的α和κⅢ界面扩展，正火态试样的裂纹一般穿越α晶粒扩展，而固溶时效试样的裂纹既在α相内，也在α和κ界面之间扩展。
　　为了进一步提高螺旋桨叶片表面的抗腐蚀、疲劳的性能，本课题重点研究了几种镍基合金熔覆层在镍铝青铜上的应用。
　　本文利用激光熔覆技术在镍铝青铜表面制备NiY熔覆层，通过XRD、SEM、TEM分析熔覆层的微观组织演变规律及稀土Y的作用，采用极化曲线、电化学阻抗谱的方法评价熔覆层在3.5％NaCl溶液中的腐蚀性能。结果表明：激光熔覆层表面形成均匀细小的等轴晶，且晶内存在大量亚晶；熔覆层底部主要由胞状晶和晶间析出物组成，胞状晶内分布大量弥散的纳米颗粒。相比镍铝青铜基材，激光熔覆层腐蚀电位有所提高，腐蚀电流密度下降一个数量级，电化学阻抗谱数据表明，随着浸泡时间的延长，熔覆试样表面会形成完整的保护膜，从而提高其耐蚀性能。激光熔覆层硬度梯度分布比较均匀，其硬度是基材的两倍多。此外，稀土Y的添加起到了细化晶粒和脱氧造渣的作用。
　　此外，在镍铝青铜合金表面制备NiCrFe熔覆层。研究结果表明，随着激光功率的降低，稀释率减小，且晶粒有细化的趋势。熔覆层主要由Ni（Cr，Fe，Cu）、Co(Mn0.5Si0.5)、MoNi和Cr（Ni，Mo）等相组成，结合区主要由Cu基固溶体和一些析出相组成。熔覆层枝晶内形成大量弥散分布的纳米颗粒，TEM分析推测其为NiCu相，因此表现出较高的硬度。熔覆层耐蚀性元素Ni、Cr含量较高，显著提高合金的腐蚀阻抗。熔覆层的平均硬度是基体的三倍多，弹性回复比是基体的两倍多，有利于材料的耐空蚀性能。Cu和Y的添加可以细化NiCrFe熔覆层的枝晶，减小组织、成分的不均匀性，而且增加熔覆层与基体的润湿性，提高激光熔覆的成形质量。熔覆层Mo含量的提高导致熔覆层存在CrMo增强相，使得熔覆层的硬度进一步提高至750HV0.1。而且Mo可以有效阻止Cl-的侵蚀，促进Ni在表面形成致密的保护膜。

目录

声明

1 绪论

1.1引言

1.2螺旋桨材料镍铝青铜的研究状况

1.3镍铝青铜合金的表面处理技术及研究进展

1.4铜及铜合金表面激光熔覆技术的研究状况

1.5激光熔覆层的缺陷分析及控制

1.6本课题的研究意义及主要内容

1.7本课题的技术路线

2 镍铝青铜合金的热处理强化

2.1引言

2.2试验材料、设备及方法

2.3 热处理对合金微观组织的影响

2.4 热处理对材料力学性能的影响

2.5 热处理对材料腐蚀性能的影响

2.6本章小结

3 镍铝青铜表面激光熔覆NiY涂层的组织与性能

3.1引言

3.2激光熔覆层的制备与表征方法

3.3 NiY激光熔覆层的微观组织结构

3.4 NiY激光熔覆层的电化学腐蚀性能

3.5 NiY激光熔覆层的显微硬度梯度分布

3.6稀土元素Y在熔覆层中的作用

3.7本章小结

4 NiCrFe激光熔覆层的制备与性能研究

4.1引言

4.2激光熔覆层的制备与表征方法

4.3 NiCrFe激光熔覆层的组织及性能

4.4 Cu和Y的添加对NiCrFe熔覆层的组织及性能的影响

4.5 Mo的添加对NiCrFe熔覆层的组织及性能的影响

4.6本章小结

5 全文总结

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文及专利目录