海洋冲蚀环境下FSP镍铝青铜的腐蚀产物膜特征及其对冲蚀行为的影响机制

Nickel aluminum bronze is widely used for ship propellers, seawater pumps and impellers, which are castings of large size. Erosion-corrosion is a typical degradation mode occurred in these components. Nickel aluminum bronze castings consist of inhomogeneous microstructure as well as casting porosities, significantly reducing their erosion-corrosion resistance. Friction stir processing is an effective way to refine/homogenize the cast microstructure and eliminate the casting porosities. In the present research, the erosion-corrosion behaviors of the as-cast and FSP nickel aluminum bronzes in sand-containing simulated seawater with different velocities, sand contents and impingement angles will be studied. The main contents are listed as follows: the formation process of corrosion product film on the surface and film characteristics, including the component, structure, thickness and mechanical behavior will be studied, and the correlation between the film property and erosion-corrosion synergy will be revealed; the effect of the above environmental factors on the film property, erosion-corrosion synergy and deformation mode will be investigated in order to reveal the influencing mechanism of these factors on the erosion-corrosion behavior; Comparison will be made between the as-cast and FSP nickel aluminum bronze from the film property, erosion-corrosion synergy and deformation mode, the effect of FSP on the erosion-corrosion behavior will be revealed by combining the microstructure and mechanical properties modification by FSP. This study will deepen the understanding of erosion-corrosion synergy mechanism, and will also provide theoretical guidance for the practical application of FSP on cast nickel aluminum bronze components.

舰船螺旋桨、海水泵泵体和叶轮等海洋过流部件多采用镍铝青铜铸造而成，冲刷腐蚀是其最主要的损伤形式。而镍铝青铜铸件组织不均匀并含有孔洞类缺陷，导致其冲蚀抗力显著降低。搅拌摩擦加工（FSP）是细化/均匀化铸态组织、消除铸造缺陷的有效方法。本项目拟以铸态及FSP镍铝青铜为研究对象，研究两者在不同流速、含沙量、攻角的含沙海水中的冲蚀行为，主要内容为：研究材料表面腐蚀产物膜的形成过程及成分、结构、厚度、力学行为等特征，揭示膜的特征与冲刷-腐蚀交互作用的内在关联；探究上述环境因素对材料表面膜特征、交互作用及冲蚀损伤变形特征的影响规律，揭示这些因素对冲蚀行为的影响机制；分析FSP前后微观组织、力学性能的改变对表面膜特征、交互作用及冲蚀损伤变形特征的影响，揭示FSP对铸态镍铝青铜冲蚀行为的影响机制。项目研究成果可深化对冲刷-腐蚀交互作用机理的理解，并为FSP在铸态镍铝青铜过流部件上的推广应用提供理论指导。

项目研究了螺旋桨用铸态及FSP镍铝青铜、高锰铝青铜、锰黄铜及海水冷凝管用黄铜等典型海洋环境用铜合金在含硫化物海水中的腐蚀和空蚀行为。通过研究不同硫化物浓度下的电化学反应过程、腐蚀失重规律、腐蚀产物膜成分/结构、腐蚀形式、空蚀失重规律、空蚀-腐蚀交互作用及空蚀损伤形式等，1.总结了硫化物浓度对铜合金腐蚀和空蚀行为的影响规律，结果表明硫化物加速了铜合金的腐蚀，随着硫化物浓度增加，铜合金的腐蚀电位负移，阴极过程从吸氧反应转变为析氢过程，腐蚀产物的化学成分从硫化物和氧化物的混合物转变为硫化物，铜合金的腐蚀形式发生改变，如镍铝青铜的腐蚀形式从局部腐蚀逐渐转变为均匀腐蚀，镍铝青铜的空蚀失重随着硫化物浓度的增加而明显增加，而高锰铝青铜及锰黄铜的空蚀行为则对硫化物浓度改变不敏感；2.揭示了硫化物存在条件下的腐蚀、空蚀损伤机制及空蚀-腐蚀交互作用机理，硫化物使得铜合金的腐蚀产物膜疏松化且保护性下降，并加重了一些合金，如镍铝青铜的选择相腐蚀，因此明显加重了腐蚀损伤，选择相腐蚀会进一步促进空蚀应力作用下的损伤，导致空蚀损伤机制从力学损伤为主导转变为空蚀-腐蚀交互作用为主导；3.澄清了不同铜合金表现出不同腐蚀和空蚀行为的原因，化学成分和微观组织上的差异导致腐蚀产物膜成分、结构以及腐蚀形式上的差异，高锰铝青铜和锰黄铜的力学性能低于镍铝青铜，在无硫化物存在时，空蚀性能较差且发生解理断裂，但是在高硫化物浓度时镍铝青铜内部发生选择相腐蚀，强烈促进了空蚀损伤，导致镍铝青铜反而表现出比高锰铝青铜和锰黄铜较差的耐空蚀性能，结果表明，FSP由于细化均匀化了铸态组织，提高了镍铝青铜的腐蚀和空蚀抗力，在硫化物存在时高锰铝青铜更适合用作制备硫化物污染海域船用螺旋桨材料。.项目研究结果丰富了铜合金在硫化物存在条件下腐蚀和空蚀损伤机制以及空蚀-腐蚀交互机理研究，同时为硫化物污染海域结构件的选材和防护提供一定的理论依据，具有重要的工程意义。