船用螺旋槳常用銅合金材料比較

朱 晶， 姜元軍， 何大川

(大連船用推進器有限公司， 遼寧 大連 116021)

0 引 言

船用螺旋槳是船舶動力系統(tǒng)的核心部件之一，其主要作用是將船舶主機功率轉變?yōu)橥苿哟斑\動的推力，其制造品質的優(yōu)劣直接影響整船性能和推進效率[1-4]。船用螺旋槳材料應根據(jù)船舶本身特性，使用要求，生產(chǎn)、技術及經(jīng)濟指標進行合理選擇，充分發(fā)揮材料本身的特性，達到可靠而又經(jīng)濟的目的。船用螺旋槳材料的選擇有如下要求：(1)機械性能優(yōu)良；(2)海水中耐蝕性好；(3)海水中腐蝕疲勞強度高；(4)密度??；(5)鑄造性能好，機械加工易；(6)易修補；(7)價格便宜，資源豐富[5]。能同時滿足上述條件的金屬材料較少，目前能較全面地具備上述條件的制造船用螺旋槳的材料首選銅合金。本文主要對制造船用螺旋槳的銅合金材料進行介紹。

1 船用螺旋槳銅合金材料的化學成分和力學性能

銅合金是以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構成的合金。隨著造船工業(yè)的發(fā)展、合金研究的突破、鑄造技術的進步，目前世界上專用于船用螺旋槳的銅合金材料主要有以下4種：錳青銅 (高強度黃銅或錳黃銅ZCuZn40Mn3Fe1)、鎳錳青銅 (ZCuZn25Al6Fe3Mn3)、鎳鋁青銅 (ZCuAl9Fe4 Ni4Mn2)、錳鋁青銅 (ZCuAl8Mn13Fe3Ni2)[6]。鎳錳青銅雖然被船級社列為通用的制造船用螺旋槳的銅合金材料之一，但是因其在長期服役過程中常出現(xiàn)各種各樣的問題而逐漸被淘汰。本文只介紹錳青銅、鎳鋁青銅和錳鋁青銅。

各國船級社對3種制造船用螺旋槳的銅合金材料的命名、化學成分和力學性能的規(guī)定分別如表1～表3所示。

表1 各國船級社船用螺旋槳銅合金材料名稱對應表[7]

表2 各國船級社船用螺旋槳銅合金材料化學成分[6，8-16]

表3 各國船級社船用螺旋槳銅合金材料力學性能[6，8-16]

各國船級社對銅合金材料的命名略有不同，為避免混淆，在下述介紹中將錳青銅名稱統(tǒng)一用高強度黃銅表示。由表3可知，鋁青銅的抗拉強度和屈服強度約為高強度黃銅的1.5倍，可見鋁青銅合金的力學性能優(yōu)于高強度黃銅。在設計螺旋槳時，若鋁青銅在允許應力≥4.6 kg/mm2、高強度黃銅在允許應力≥4.0 kg/mm2的條件下，可將鋁青銅的葉片厚度減薄8%[5,17-19]。

2 船用螺旋槳銅合金材料的微觀組織

在金屬材料中，合金的化學成分影響微觀組織，而微觀組織又決定了材料的力學性能。高強度黃銅的基礎合金系為Cu-Zn，除主元素外，還添加少量錳、鐵、鋁、鎳、錫來改變合金的組織，從而獲得所需性能。由于各元素有不同的影響效果，通常折合成鋅當量確定各元素代替鋅的能力。鋅當量系數(shù)由高到低分別為鋁(6.0)、錫(2.0)、鐵(0.9)、錳(0.5)、鎳(-1.3)。作為制造螺旋槳的材料，高強度黃銅的金相組織為α+β相(其中α相質地較軟且延展性較佳，β相質地較硬、強度高)或為剛性大且耐空泡腐蝕的單一β相。在長期使用實踐中，組織為單一β相的銅合金制造的螺旋槳易引起應力腐蝕開裂，造成嚴重的斷槳事故，現(xiàn)已不再采用。對于兩相組織的合金而言，當內部鋅當量發(fā)生變化時，α相與β相的比例即會改變，從而引起合金屈服強度和抗拉強度的變化，以減小材料發(fā)生應力腐蝕開裂且滿足最佳金相組織而獲取最優(yōu)力學性能。通常，α相的占比在30%～50%較適宜，其微觀組織如圖1所示。高強度黃銅具有強度較高、延伸率較優(yōu)、耐海水腐蝕、價格便宜等優(yōu)點，但同時存在脫鋅腐蝕、不耐空泡腐蝕，有較大應力腐蝕開裂傾向等缺點，目前僅作為制造小型船用螺旋槳或部分調距螺旋槳的材料[5,17-19]。

鋁青銅是以Cu-Al為基礎的二元系合金，其微觀組織為α+β相，β相緩冷會引起β-α+γ2的共析轉變，從而發(fā)生脆化現(xiàn)象，即“緩冷脆性”，會嚴重惡化鋁青銅合金的力學性能及耐蝕性。為解決這一問題，可添加金屬元素，調整合金成分。通過添加大量的鎳和鐵元素析出κ相，避免β相的出現(xiàn)，得到的合金為鎳鋁青銅，如圖2所示。在該合金中，當鎳鐵比在0.9%～1.1%時，析出的κ相細小彌散，可獲得具有高力學性能和優(yōu)耐蝕性的合金。在Cu-Al二元系合金中添加大量的錳和適量的鐵、鎳元素，可推遲β相的共析轉變速度，從而得到錳鋁青銅合金，如圖3所示。錳元素的大量存在以及鋁的強化作用可提高合金的抗拉強度、屈服強度和硬度，但會降低延伸率。錳、鋁、鐵、鎳元素的合理占比不但可以保證力學性能，同時也不失材料的耐蝕性。目前鎳鋁青銅和錳鋁青銅合金成為制造大型民用船舶螺旋槳的主要材料。

圖2 鎳鋁青銅合金的微觀組織 ×100[20]

圖3 錳鋁青銅合金的微觀組織 ×360[20]

3 銅合金螺旋槳的耐蝕性

3.1 海水腐蝕

海水是一種多組分的水溶液，溶解有多種無機鹽類，平均鹽度約35 ‰，其本身就是一種強腐蝕介質。船用螺旋槳在使用過程中會受到不同緯度、不同溫度海水的腐蝕，從而降低螺旋槳強度，縮短其使用壽命[21]。因而，在海水中的耐蝕性成為檢驗銅合金材料的主要參數(shù)，用材料在海水中的腐蝕厚度速率表示。在海水介質，溫度為20 ℃的試驗條件下：高強度黃銅因其內部鋅當量的變化，腐蝕速率在0.008～0.100 mm/a；錳鋁青銅和鎳鋁青銅在海水中的腐蝕速率分別為0.051 0 mm/a、0.015 3 mm/a。在3種銅合金中耐蝕性最好的是鎳鋁青銅合金[5,20]。

在腐蝕介質中施加交變載荷形成裂紋或擴展為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞強度是目前衡量螺旋槳材料優(yōu)劣的重要指標之一。韋布等分別選取尺寸為Φ100 mm的圓棒 (規(guī)則形狀)和槳葉根部 (不規(guī)則形狀)研究銅合金的海水腐蝕疲勞[5, 17-18, 22]。材料腐蝕疲勞強度的試驗結果表明，海水腐蝕疲勞強度與材料的形狀和循環(huán)次數(shù)關系不大。在3種銅合金中鎳鋁青銅的抗海水腐蝕疲勞性能最好，而錳鋁青銅的抗海水腐蝕疲勞性能雖優(yōu)于高強度黃銅，但其化學成分中存在大量錳元素，使硬質的β相含量居多，導致延展性下降，損失了一部分延伸率，海水腐蝕疲勞性能不及鎳鋁青銅。

3.2 空泡剝蝕

船用螺旋槳在水中轉動時，槳葉的葉背壓力降低形成吸力面，若某處的壓力降至臨界值以下，導致爆發(fā)式汽化，水汽通過界面進入氣核并使之膨脹，形成氣泡，稱為空泡?？张莸拇嬖跁孤菪龢獦~表面產(chǎn)生剝蝕，還會影響螺旋槳的水動力性能。因此，對于船用螺旋槳而言，空泡剝蝕是一個不可忽視的問題。可使用轉盤試驗法研究銅合金材料的抗空泡剝蝕性能。轉盤試驗法的原理是在轉盤上距軸心不同距離處有貫穿轉盤厚度的小孔或嵌在轉盤上的凸起，當轉盤在試驗流體內高速旋轉時，在小孔或凸體后將產(chǎn)生尾流空化，其中游移型氣泡將在尾流末端沿盤面潰滅，嵌入盤面氣泡潰滅處的試樣表面將產(chǎn)生氣蝕損傷。

在介質、壓力、流速、時間相同的試驗條件下，采用轉盤試驗法研究銅合金材料的抗空泡剝蝕性能，鋁青銅合金的平均質量損失較高強度黃銅少很多，為58～91 mg[5,20]，說明鋁青銅合金的抗空泡剝蝕性能優(yōu)于高強度黃銅。這是因為在鎳鋁青銅合金中，鎳鐵比為0.9%～1.1%的最優(yōu)配比使該合金具有優(yōu)良的耐蝕性能，同時錳元素的存在也可改善合金的耐蝕性。在錳鋁青銅合金中，大量存在的錳元素使合金強度更高，耐蝕性更強，相比較而言，錳鋁青銅的抗空泡剝蝕性能更優(yōu)。

4 銅合金螺旋槳的修補

螺旋槳在使用過程中難免會發(fā)生磕碰，這對螺旋槳本身有一定的影響，如降低力學性能、損傷的螺旋槳因自身不平衡造成振動或異響。船級社規(guī)范規(guī)定，有些損傷可通過打磨、拋光進行修補，而有些損傷則需通過焊接進行修補。銅合金材料的損傷或缺陷如進行焊接修補后繼續(xù)在海水中使用，與未經(jīng)焊補的合金相比，因焊接修補時出現(xiàn)的熱影響區(qū)在快速加熱和冷卻過程中可能出現(xiàn)脆性組織，有產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的傾向并發(fā)生變形[23]。為減少或消除銅合金材料焊補后的殘余應力，避免因焊接應力而引起螺旋槳在使用過程中發(fā)生斷裂事故，在螺旋槳補焊過程中不可忽視焊前預熱及焊后熱處理[24]。

由文獻[20-25]可知，無論哪種修補方法，高強度黃銅的焊接性都處于優(yōu)良水平，尤其在銅合金螺旋槳常用的熔化極氣體保護焊、鎢極氣體保護焊和氧乙炔氣焊等3種方法中，高強度黃銅合金的焊接性能均優(yōu)于鋁青銅，如表4所示。由表5和表6可知，高強度黃銅在焊后的熱處理溫度范圍相對較低，消應力處理的保溫時間要求也不是很高，可操作性強。因為高強度黃銅結晶溫度范圍較小 (約30 ℃)，隨著鋅含量的增加，液相線溫度下降較快，熔點也隨之降低。

表4 船用螺旋槳銅合金材料的焊接方法[20,25]

表5 焊接修補時推薦的填充金屬、預熱和熱處理溫度[26-28]

表6 焊接修補后消應力熱處理時間[26-28]

5 銅合金螺旋槳的應用

在3種制造船用螺旋槳的銅合金中，高強度黃銅的密度約為另外2種鋁青銅的1.1倍。鋁青銅密度小，具有較高的強度，設計時可考慮從槳葉減輕螺旋槳的質量，一般槳葉的厚度可減少8%～10%。同時，可提高船舶的穩(wěn)定性和航行速度，提高的效率可達20%，還能減少軸系上軸承的消耗，節(jié)省有色金屬原材料、維修費用和燃料損耗，使船舶所有人獲得更大的利潤[18-19,29]。

以2017年主要金屬元素的價格[30]為基準，按照CCS船級社規(guī)定的化學成分，對3種銅合金的每種元素含量的最高值進行計算得出合金價格，因金屬材料價格略有浮動，故取合計價格的平均值進行比較。計算發(fā)現(xiàn)，鋁青銅合金的成本比高強度黃銅高約16.6%～17.7%。按照以往金屬元素價格的浮動變化，通常鋁青銅的生產(chǎn)成本比黃銅高25%～35%。但是，鋁青銅合金本身高強度、高耐蝕性等優(yōu)良的性能使其在使用過程中安全可靠，并且有較長的使用壽命。從長遠角度分析，鋁青銅制造的船用螺旋槳比高強度黃銅槳便宜約20%～30%。若高強度黃銅制造的螺旋槳使用壽命為10 a，那么鋁青銅的使用壽命可達17～20 a[17]。

6 結 語

依據(jù)船用螺旋槳材料的選用要求，對目前專用于制造船用螺旋槳的3種銅合金材料進行比較，雖然其中任何一種銅合金都不能同時滿足所有的選材要求，但是鋁青銅合金相對于其他2種合金材料還有較大的優(yōu)勢。近年來隨著船舶設計理念的改變、造船技術的發(fā)展、船舶使用壽命的延長、全球氣候變暖導致海洋環(huán)境的變化，以及海水、江水、內流河、湖泊等淡水資源污染日趨嚴重，螺旋槳在使用過程中慢慢發(fā)生表面顏色改變、電化學腐蝕等損壞，降低了耐蝕性，縮短了自身的使用壽命。在保留現(xiàn)有的用于制造船用螺旋槳銅合金材料優(yōu)點的基礎上，需針對銅合金材料各元素的配比進行更深入的研究，以進一步提高其力學性能、增強耐海水腐蝕能力來延長螺旋槳的使用壽命。