空化水噴丸強化是利用高壓水射流所產(chǎn)生的空穴效應(yīng)打擊金屬表面得到強化效果”,在材料表層引人殘余壓應(yīng)力和引起加工硬化,從而提高材料的疲勞壽命, Vyas等較詳盡地研究了面心立方金屬的空蝕過程,發(fā)現(xiàn)在空蝕很短的時間內(nèi),金屬就開始發(fā)生塑性變形,掃描電鏡下晶界和滑移帶顯現(xiàn),同時表層硬度提高、微觀應(yīng)變提高、位錯胞尺寸下降、宏觀殘余壓應(yīng)力提高等。因此有效的利用這種方法可使金屬表面達(dá)到強化效果,提高表面殘余壓應(yīng)力,但是在這個強化的”過程中卻存在不利情況,即空泡不斷潰滅時產(chǎn)生的沖擊波和微射流反復(fù)作用,損害金屬表面,形成非常有害的空蝕, 19世紀(jì)末,在船舶螺旋槳葉片上首次發(fā)現(xiàn)空蝕現(xiàn)象,已經(jīng)進行很多針對空蝕作用機理的研究。但由于空蝕過程中受到流動動力學(xué)、機械沖擊、過流部件材料種類與成分,以及材料表面與液體的電化學(xué)交互作用等諸多因素影響,空蝕機理比較復(fù)雜181,對于不同的種類材料在不同環(huán)境下的空蝕機理,現(xiàn)在依然沒有得到令人信服的結(jié)論,所以研究空化過程中的空蝕現(xiàn)象是非常必要的。空蝕過程包括孕育期、上升期、平穩(wěn)期和衰減期四個階段”,其中孕育期是最重要階段。

銅及銅合金大量應(yīng)用在船舶螺旋槳、高速艦艇、水輪機、閥門、水泵等過流部件,空蝕使服役的螺旋槳使用效率下降,這不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失,甚至造成事故,威脅到生命安全造成重大損失[1,所以銅及銅合金的空蝕問題也是目前備受關(guān)注的問題之一。本文選取純銅作為試驗材料,對其進行一系列工藝參數(shù)的空化水噴丸處理,通過觀察噴丸后試樣的表面形貌、粗糙度,對空蝕孕育期內(nèi)的損傷進行了探討。

1試驗材料和方法

試驗材料選用5mm厚的純銅（Cu)板材,在真空爐中500℃退火60min,以消除工業(yè)純銅板材的的殘余應(yīng)力,得到均勻尺寸的晶粒。將純銅板材切成φ30 mm的圓片,經(jīng)過鑲嵌、精磨和拋光處理,得到表面粗糙度(Sa)為0.13um金相試樣。

采用自行研制的空化水噴丸設(shè)備對試樣進行不同時間的噴丸處理。噴丸時試樣和噴嘴均淹沒在水中,選用直徑為1mm的噴嘴,垂直于噴丸式樣表面的中心處,噴嘴與試樣的距離為80mm,水射流壓力為20MPa。

采用ZEISS SUPRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣表面形貌變化,采用LEICA DCM3D型三維視頻顯微鏡對水噴丸后的表面形貌進行顯微組織觀察,分析表面粗糙度,金相試樣腐蝕劑采用5gFeCL,+25mlHCL+50mlH,O的混合溶液進行擦拭。

2試驗結(jié)果與分析

2.1表面空蝕損傷

采用淹沒式空化水射流對拋光態(tài)試樣表面進行噴丸處理,觀察試樣表面的損傷程度,一次射流區(qū)由噴嘴噴出的空化水射流垂直打在試樣表面,造成的接近噴嘴尺寸的損傷斑點,在該區(qū)外圍的環(huán)形損傷區(qū),由于一次射流區(qū)空泡爆破產(chǎn)生的沖擊波對部分噴嘴噴出的水射流作用,可稱為混合射流區(qū),其示意圖如圖1所示。測得低倍損傷表面形貌見圖2。觀察試驗后所得噴丸試樣,損傷嚴(yán)重的一次水射流區(qū)的尺寸約為1mm左右,與噴嘴直徑相近。

2.1.1一次射流區(qū)的損傷

通過觀察不同工藝參數(shù)空化水噴丸處理試樣表面的形貌變化,式樣進行水噴丸前必須處于機械拋光狀態(tài)。在20Mpa下噴丸不同時間后式樣的表面形貌如圖3所示。由圖3可見,水噴丸10min時,試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)少量塑性變形坑、大量空蝕針孔。塑性變形坑的尺寸大小不均勻,最大直徑為304m,空蝕針孔尺寸基本相同,約2um,見圖3 (b)。水噴丸25min時,損傷程度顯著加大,塑性變形坑和空蝕針孔數(shù)量明顯增多,但是尺寸變化很小,李晶形貌基本都顯現(xiàn)出來,而且局部空蝕針孔出現(xiàn)了匯聚的狀況,呈現(xiàn)局部少量剝落現(xiàn)象,見圖3(c)、3(d) 。噴丸40min時,試樣表面晶粒相貌完全顯現(xiàn),說明由于塑性變形程度增加,晶內(nèi)位錯移動和孿生的結(jié)果,使得晶粒發(fā)生了轉(zhuǎn)動,不同晶粒轉(zhuǎn)動方向和程度不同,晶粒高低起伏程度不同,從而顯現(xiàn)晶粒形貌。高倍數(shù)下觀察發(fā)現(xiàn),空蝕針孔匯聚處開始有少量剝落,還出現(xiàn)開口大且深的空蝕孔洞,塑性變形產(chǎn)生的滑移帶也開始變形,呈現(xiàn)彎曲狀,見3 (e)、3(f)。噴丸60min時,試樣表面出現(xiàn)大量空蝕孔洞和空蝕針孔,但還能觀察到晶粒形貌,說明表面金屬剝落量小,可以觀察到空蝕孔洞內(nèi)呈現(xiàn)網(wǎng)格狀,說明空洞內(nèi)部以這種形式緩慢剝落。隨著時間繼續(xù)增加,塑性變形和剝落急劇上升,表面粗糙度進一步增大。噴丸90min時,試樣表面損傷嚴(yán)重,大量金屬剝落,只存在深的空蝕孔洞,可以看到大塊金屬剝落后的形貌。由于純鋼的硬度低,受到空泡作用產(chǎn)生塑性變形坑,使坑周圍的金屬凸起,大量空蝕孔洞互相擠壓,金屬凸起程度越來越大,最后整塊剝落,孔洞內(nèi)部存在滑移帶,如圖3 (i)所示。

為了更清晰的觀察一次射流區(qū)塑性變形坑空蝕針孔的出現(xiàn)和生長,進行20MPa下的一次射流損傷區(qū)的原位觀察,在一次射流區(qū)固定位置隨著時間的增加觀察固定位置塑性變形坑及其周圍區(qū)域內(nèi)的變化,分析塑性變形坑的長大方式。

如圖4 (a)所示,噴丸1min時就出現(xiàn)了塑性變形坑,尺寸大約為25um,內(nèi)部呈魚鱗紋且存在空蝕針孔。噴丸增加到10min后,空蝕坑周圍出現(xiàn)少量機械損傷和剝落,依然存在空蝕針孔,空蝕坑的大小變化較小,但是空蝕坑邊緣變圓滑且內(nèi)部的魚鱗紋也變淺,如圖4 (b) 。當(dāng)時間增加到15min時可以清晰觀察到空蝕坑尺寸變大,形狀開始趨于圓形,內(nèi)部魚鱗紋變得更淺,局部放大后可觀察到空蝕坑邊緣存在大量的針孔,隨著空泡在內(nèi)部的潰滅產(chǎn)生沖擊波,這些針孔緩慢聚集,局部區(qū)域出現(xiàn)少量掉落的情況,因此由于針孔大量聚集造成邊緣金屬少量且緩慢的剝落,使得空蝕坑的尺寸緩慢變大,如圖4 (b) (c)所示。

2.1.2混合射流損傷區(qū)形貌

隨著時間的逐步遞增,對試樣表面的混合射流區(qū)進行細(xì)致的觀察,沒有觀察到一次射流區(qū)的空蝕坑,短時間內(nèi)在混合射流區(qū)形成大且淺的坑,同時坑內(nèi)可觀察到晶粒形貌以及空蝕針孔。

隨著時間的增加,混合射流區(qū)的晶粒形貌逐漸清晰,晶粒轉(zhuǎn)動程度逐漸遞增,同時存在變形的滑移帶,匯聚成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因為一次射流區(qū)空泡爆破產(chǎn)生射流影響部分噴嘴噴出的空化水射流,使得這部分空化水到達(dá)試樣表面時能量降低,同時具有一定的方向性,所具有的能量不足以使試樣表面產(chǎn)生塑性變形坑,只會形成小的空蝕針孔和滑移帶,同時顯現(xiàn)晶粒形貌,如圖5所示。

2.2表面粗糙度分析

采用LEICA DCM3D型三維視頻顯微鏡觀察不同時間噴丸處理后式樣的表面粗糙,隨著時間的累加到90min,一次射流區(qū)和混合射流區(qū)的損傷程度逐步上升。如圖5所示,不同時間兩區(qū)的粗糙度曲線可知,隨著時間增加兩區(qū)的粗糙度都是逐漸上升的,但是混合射流區(qū)的粗糙度總是大于一次射流區(qū),因為一次射流區(qū)受到垂直表面的空化水射流作用,表面縱向受到大部分沖擊力,空蝕損傷最嚴(yán)重,形成密集空蝕坑,如圖6(b)所示。由圖6 (a) （c)可以看出,一次射流區(qū)的空蝕損傷最大,混合射流區(qū)次之。由圖6 (d)可知,混合射流區(qū)室蝕坑開口大,空蝕坑內(nèi)部和邊緣圓滑,呈現(xiàn)孔狀,空蝕坑稀疏,因為退火純銅HV0.01硬度在60HV左右,塑性較好,不易形成脆性裂紋,所以在水射流和空泡作用下,形成大且圓滑的空蝕坑,說明該區(qū)空化水射流的空泡的數(shù)量減少,具有一定方向性。因此相比一次射流區(qū)所測粗糙度,混合射流區(qū)的空蝕坑起伏變化大,即混合射流區(qū)粗糙度大于一次射流區(qū)。

3結(jié)論

(1)一次射流區(qū),隨噴丸時間逐漸增加,塑性變形坑和空蝕針孔數(shù)量增多，李晶晶界開始顯現(xiàn)，直到表面金屬剝落程度顯著增加,使得表面粗糙度也明顯增大,同時出現(xiàn)大量的變形滑移帶。
(2)通過原位觀察可知，塑性變形坑是以邊緣的空蝕針孔聚集形成少量剝落這種形式長大。
(3),短時間內(nèi)混合射流區(qū)出現(xiàn)大且淺的空蝕坑,內(nèi)部觀察到晶粒相貌,隨著時間增長整個區(qū)域的晶粒形貌都會顯現(xiàn)。
(4)隨噴丸時間增加,兩區(qū)表面粗糙度逐漸上升，且混合射流區(qū)大于一次射流區(qū)。

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