2020-10-13
镍铝青铜（NAB）合金因具有良好的机械性能和耐蚀性能而广泛应用于海洋装备件的制造，其在舰船螺旋桨用材料方面的使用更是达到了80%以上。目前螺旋桨的制造主要采用近终型铸造技术，所得的铸态工件存在着成分不均匀、组织粗大以及应力集中等缺陷。同时，NAB合金铸态组织的相组成较为复杂，主要包括基体α相、残余β相（或者称为β′）以及κ相。各相间的成分与结构存在较大差异，导致各相腐蚀电位的不同，从而在各相之间形成了腐蚀电偶对，最终造成β′相以及毗邻κ相的α相发生选择性优先腐蚀，亦即选相腐蚀。选相腐蚀会导致局部破坏沿纵深发展，为工件的运行埋下了巨大安全隐患。因此，抑制选相腐蚀的发生进而提高NAB合金的耐蚀性能，对于实现螺旋桨的长寿命服役具有重要的现实意义。
目前，工业生产中通常将铸造后的工件加热至650~700℃，并保温2~6小时作整体退火处理来优化材料的内部组织。一方面，退火处理使得内部组织得到均匀化，消除铸造应力，增加了构件的韧性和抗疲劳性能；另一方面，是为减少微观组织中优先腐蚀相β′的含量，抑制选相腐蚀。然而，该方法难以完全消除β′相，退火过程中引起的κ相的长大反而加速了腐蚀。为此，研究室成员秦真波基于对NAB合金微观组织与耐蚀性能关系的研究，提出了采用激光淬火实现NAB合金表面固态相变而获得改性的方法。通过调节激光淬火工艺参数，在NAB合金表面获得了细晶改性层。如图1所示，细晶区深度约为230μm，晶粒尺寸为20~50μm，微观组织表现为纳米尺寸的析出相弥散分布于β相中。通过电化学测试和长期浸泡腐蚀试验，对其腐蚀行为进行了研究。结果表明，激光表面淬火消除了元素偏析，有效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，使得腐蚀速率相比于改性前降低了约42.6%。
Figure 1 A supersaturated solid solution layer with a fine-grained size of 30–50 μm was formed on a nickel–aluminum bronze via laser surface quenching technology, and its corrosion resistance was improved by 42.6%, which was attributed to the homogenized element distribution and the formation of a more protective film during corrosion process.
相比于其他表面处理方法，采用激光淬火技术在NAB表面制备改性层具有一系列显著优点。首先，该技术是在低于合金熔点的温度下实现材料的固态相变，不会引入气孔、夹渣冶金缺陷，也不会引起工件外形和表面粗糙度的变化，可以作为工件的最终处理工序；其次，激光淬火加热、冷却速度极快，在照射铜合金时温度变化甚至可达1010℃/s，相比于常规水淬处理（300~400℃/s），所得组织更为细化，析出相更为细小，能够达到其他处理方法无法企及的效果。
该文章发表于Corrosion Science期刊上，通讯作者为吴忠和刘磊教授。
全文链接地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X19320566?via%3Dihub
