本發明涉及銅合金，具體涉及一種高強高耐蝕螺旋槳用銅合金及其制備方法。

背景技術：

1、當前全球船舶、海洋、海工制造領域對軍備構件的服役環境與性能要求越來越苛刻，其中極端服役條件下的動力推進裝置的輸出功率提高至5000千瓦級以上。目前國內制造出的最大的鋁青銅動力螺旋槳也已達到12.5米。因此，對于高速動力系統的材料服役性能也提出了更加苛刻的要求，但現有鋁青銅的服役性能和時間無法滿足交變載荷的高速沖擊與強流腐蝕作用，鋁青銅螺旋槳的耐蝕性能和力學性能上限制約著我國海洋工程建設的全面快速推進。

技術實現思路

1、基于此，本發明提供了一種高強高耐蝕螺旋槳用銅合金及其制備方法。本發明提升了鋁青銅的強度與耐蝕性能，較現有9-4-4系鋁青銅的強度提高了60％，耐蝕性提高了2倍，抗空蝕性能提升了約4倍。

2、本發明所述高強高耐蝕螺旋槳用銅合金，包括以下質量百分數的元素：

3、al：9.0％～13.0％；ni：4.0％～6.0％；fe：4.0％～6.0％；mn：1.5％～2.5％；y：0.05％～0.15％，余量為銅以及不可避免的雜質。

4、本發明所述高強高耐蝕螺旋槳用銅合金的制備方法，包括以下步驟：

5、(1)配料：按照所述銅合金中的元素含量稱取銅粉、鋁粉、鎳粉、錳粉、鐵粉、cu-y合金，備用；

6、(2)熔煉：將稱量好cu-y合金封存在純銅管內并固定在真空感應爐機械臂上，將銅粉、鋁粉、鎳粉、錳粉、鐵粉加入到真空感應爐的坩堝中；真空感應爐內抽真空后通入保護氣氛，然后開始加熱，待坩堝內固體全部熔化且升溫至1500℃時關閉感應電流，迅速操作機械臂將封存cu-y合金的純銅管浸沒在熔體液面下，提升機械臂，接通感應電流繼續保溫2-5min，保溫后進行澆鑄，澆鑄完成后冷卻后得到鑄錠；

7、(3)退火處理：將步驟(2)得到的鑄錠放入馬弗爐中升溫至900℃～1000℃保溫5h～8h，隨爐冷卻，獲得化學成分均勻的鑄錠；

8、(4)表面強化處理：將步驟(3)退火處理后的鑄錠清洗干燥后進行表面打磨，然后再進行酒精擦洗，干燥后噴涂吸光材料；固定后利用激光器進行掃描，其中激光器的能量密度20j/mm2～-35j/mm2、功率為2.5kw～3.5kw。

9、優選的，所述cu-y合金中y的含量為15wt.％～25wt.％。

10、優選的，步驟(2)所述保護氣氛為氬氣或氮氣。

11、優選的，步驟(3)中的升溫速率為3℃/min～6℃/min。

12、優選的，步驟(4)所述吸光材料為專利號cn113527963.a中制備的吸光涂料。所述吸光材料的噴涂厚度為1～1.5mm。

13、優選的，步驟(4)所述激光器掃描速度為5～15mm/s。

14、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

15、本發明提供了一種高強高耐蝕螺旋槳用銅合金及其制備方法，該制備方法操作簡單，成本低廉。同時本發明通過調控合金組分，優化了合金基體相分布與強度，如圖1所示的xrd圖譜可知，當al含量升高至11％時，出現了40.3°和46.6°衍射峰，結合圖2中顯微組織分布，說明合金中出現了β’相。κ相對應的44°衍射峰也更加明顯，結合顯微組織圖說明合金中κ相增多。合金中硬質β’-cu相和κ相((fe、ni)al)增多，β’-cu相和κ相的顯微硬度均高于基體α-cu合金整體，導致合金硬度隨al含量增多而升高，如圖3硬度曲線所示。

16、本發明結合激光能量輸入，在合金表面獲得單一馬氏體板條組織，如圖4所示。對馬氏體組織進行顯微組織分析，我們發現表層由復雜多相組織轉變為單一馬氏體組織，板條內部為方向一致的板條束，板條束之間彌散分布著納米析出相。這種三級復合結構，能有效的均勻表面電勢差、消除選相腐蝕。通過原子力顯微鏡(afm)觀察激光處理前后鋁青銅的表面形貌和表面電勢分布，如圖5所示。圖5(b、d、f)為樣品表面高度差，顏色越亮，該區域高度值越大；圖5(a、c、e)為表面接觸電勢差分布，表面電勢差與儀器探針和各相表面功函數相關，功函數是電子從固體表面逃逸所需的最小能量值，功函數越低，表面接觸電勢差越高，呈現的顏色向紅色趨近。α相較κ相硬，因此更易被磨粒去除，表面高度值較小；α相電勢差較κ相低，電勢差在相界面處最高，最大值能達到140mv，經過激光能量輸入后，表面組織轉化為單一的馬氏體板條，電勢差在馬氏體晶界處最高，達到80mv。結合圖6電化學腐蝕形貌圖直觀地說明了激光能量輸入后，鋁青銅表面腐蝕失效由多相組織的劇烈選相腐蝕為主轉變為溫和的晶間腐蝕和板條內部均勻腐蝕為主。激光能量輸入前后的鋁青銅合金空蝕失重如圖7-8所示，激光能量輸入后鋁青銅表面硬度顯著上升，空蝕失重下降，抗空蝕性能顯著提升。結合圖9空蝕截面組織圖可知，鑄態鋁青銅在空蝕環境中α相優先被腐蝕剝離，導致對κ相的固定作用減弱、κ相脫離，引進空蝕坑擴大、增加腐蝕接觸面積，加速α相腐蝕；機械剝離和電化學腐蝕相互促進，加劇空蝕失效。經過激光能量輸入后，在介質環境中β’相發生晶間均勻腐蝕，同時硬度提高，抗機械變形能力增強，不易產生大范圍空蝕坑，以β’相逐層腐蝕剝落為主要失效形式。

17、本制備方法通過調控鋁青銅基體成分與相的分布，提高合金的整體強度與耐蝕性能，結合激光能量輸入獲得均勻組織、消除選相腐蝕、提高強度，進一步提高鋁青銅螺旋槳的抗空蝕性能，強化機理如圖10所示。

技術特征：

1.一種高強高耐蝕螺旋槳用銅合金，其特征在于，包括以下質量百分數的元素：

2.根據權利要求1所述高強高耐蝕螺旋槳用銅合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述cu-y合金中y的含量為15wt.％～25wt.％。

4.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述保護氣氛為氬氣或氮氣。

5.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中的升溫速率為3℃/min～6℃/min。

6.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述吸光材料的噴涂厚度為1～1.5mm。

7.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述激光器掃描速度為8～15mm/s。

技術總結
本發明提供了一種高強高耐蝕螺旋槳用銅合金及其制備方法，涉及銅合金技術領域。本發明高強高耐蝕螺旋槳用銅合金包括以下質量百分數的元素：Al：9.0％～13.0％；Ni：4.0％～6.0％；Fe：4.0％～6.0％；Mn：1.5％～2.5％；Y：0.05％～0.15％，余量為銅以及不可避免的雜質。本發明通過優化合金組分，顯著增強了基體的固溶強化、析出強化效果；在表面獲得單一均勻組織相，細化晶粒，消除選相腐蝕，提高抗空蝕能力；本發明顯著提升了銅合金螺旋槳的服役性能。

技術研發人員：曾思琪,曾松,幸振,胡強,胡強,黃雅盼,鄧雅坤
受保護的技術使用者：江西省科學院應用物理研究所
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24