本技术介绍了一种利用激光冲击成形技术制造的抗空蚀铜合金表面亲水结构及其制备方法。该技术在现有抗空蚀材料研究的基础上,通过添加保护层的创新加工结构,显著提升了激光成形效果,使得制备的铜合金表面更加光滑平整。这种亲水结构增强了铜合金表面的湿润性,减少了固液接触面附近的气核,降低了气泡产生速率,有效抑制了空化过程。同时,引入的表面残余应力提高了铜合金的显微硬度,进一步提升了其抗空蚀性能。本发明的实施能够显著抑制空化现象,强化材料表面,对保护关键部件具有重要意义。
背景技术
如今在经济全球化的背景下,轮船、水下探测器等海洋勘探设备的使用和研发已经变得举足轻重。在螺旋桨、推进器等过流部件高速相对运动的固液接触面处,部分区域压力或者温度发生巨大的变化使得该区域液体部分气化,形成气泡,这便是空化。形成的气泡之后逐渐靠近固液接触面的过程中,由于失去维持气泡的物理条件,气泡便不断地发生溃灭,使材料壁周围的液体压力骤然增大。由于长时间的液体冲刷和气泡溃灭冲蚀,材料表面受到长时间反复的压力冲击,最终材料发生疲劳甚至导致表面材料的脱落。材料表面的空蚀现象经常发生于水泵、水轮机和船舶螺旋桨的叶片表面,以及高水头泄水建筑物的局部表面上。在空蚀的长期作用下,设备易出现斑痕、裂纹甚至残缺等情况。使泵壳和叶轮表面变得凹凸不平,摩阻系数逐渐增加,泵效率下降,电耗增加,易对叶轮、泵壳等产生破坏,使设备使用寿命下降数乃至十数年。
目前对于提升材料抗空蚀性能的手段主要有以下两种,一是寻求更高性能的合金材料,通过在铜合金中参杂微量元素来达到理想的性能;二是在材料表面添加高性能涂层,如喷涂有机涂层、超音速火焰喷涂或激光熔覆等,以保护内部金属基材。目前,海洋材料上已经采用大量的高性能合金,高性能海洋材料的研发处于瓶颈期,特别是针对抗空蚀材料,性能很难有明显的提升。而若采用涂层,虽然成本相对来说低一点,也是目前最常使用的抗空蚀方法,但涂抹涂层并未对基底材料进行强化,因此需要定期更换新的涂层,耗费大量的人力物力。此外,在涂层被破坏后,涂层中的金属元素更易与基底材料发生电化学反应,腐蚀基底材料。激光冲击成形技术在航空航天等精密加工中应用广泛,是一项完备的技术。而激光冲击成形制备亲水结构尚处于基础研发阶段,激光冲击成形制备亲水结构不仅防止了机械加工中对材料的损伤,还省去大量人力成本,十分经济便利。
如今,利用激光冲击成形技术制备亲水结构抗空蚀的研究在国内外仍处于基础研究阶段。激光冲击成形技术是利用高能脉冲激光和材料相互作用诱导的高幅冲击波的力效应,使板料产生塑性变形的成形技术。利用激光冲击成形技术制备抗空蚀亲水表面相比于传统抗空蚀加工工艺有以下几个优点;(1)高压,变形压力达到GPa量级,可以实现任意材料的加工;(2)高速,几十个纳秒内就能完成一次塑性变形,制备速度更快;(3)加工后表面形成很高的残余应力,使材料更加紧密,进一步提高了亲水结构表面抗空蚀能力;(4)灵活多变,通过调节激光入射角度可实现复杂工件、不同亲水形貌的表面加工。
本发明针对螺旋桨、推进器等过流部件的空蚀损伤问题,提出通过激光冲击成形技术在铜合金表面织构亲水结构来提高铜合金的抗空蚀性能。激光冲击工件表面的能量转化体(由约束层和吸收层组成),使吸收层部分原子气化电离形成等离子体冲击波,而后冲击波的压力使板材发生塑性变形,通过逐点冲击和有序的击点分布实现材料表面亲水结构的织构过程。亲水结构提高了铜合金表面湿润性,使固液接触面附近的气核减少,降低了气泡产生速率,抑制空化进程,提高了铜合金的抗空蚀性能。另外,激光冲击成形技术带来的不仅是表面结构的改变,还引入了表面残余应力,使材料显微硬度明显提升、表层材料更加致密,进一步提高了铜合金的抗空蚀性能。
实现思路