定向能量沉积原位合成Cu-Al合金的优异抗空蚀性能及其机制研究

为解决Cu-Al合金在腐蚀环境中抗空蚀性能不足的问题，研究人员通过定向能量沉积(DED)技术原位合成Cu-Al合金，系统研究了其微观结构、显微硬度和空蚀行为。结果表明，该合金在3.5 wt% NaCl溶液中10小时空蚀后失重率仅为1.47 mg/h，较传统铸造镍铝青铜(NAB)降低43.7%，其优异性能源于高硬度花瓣状γ2相、β1纳米孪晶马氏体结构及纳米沉淀相的协同作用。该研究为开发恶劣空蚀环境用高性能铜合金提供了新思路。

　　

在海洋工程和流体机械领域，金属材料长期面临空蚀与腐蚀协同作用的严峻挑战。空蚀现象由液体中气泡溃灭产生的高压微射流引发，可导致材料表面快速失效。传统镍铝青铜(NAB)虽具良好耐蚀性，但其抗空蚀性能已难以满足现代装备需求。金属增材制造(AM)技术为材料性能调控提供了新途径，但关于AM制备Cu-Al合金空蚀行为的研究仍属空白。

为解决这一关键问题，国内研究人员采用定向能量沉积(DED)技术，将CuNi2SiCr铜合金与Al-Mg-0.7Si铝合金粉末按9:1质量比混合，在NAB基体上原位合成了Cu-Al合金。通过激光功率1500W、送粉速率5 g/min等参数优化，获得致密度达99.979%的沉积件。研究发现，该材料在3.5 wt% NaCl溶液中经10小时空蚀后，失重率较传统铸造NAB降低43.7%，展现出显著优势。相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为恶劣环境下金属材料的性能设计提供了重要参考。

研究采用混合粉末球磨、DED成形、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)结合能谱(EDS)、透射电镜(TEM)等关键技术，通过空蚀试验系统评估材料性能。

3. 结果与讨论
3.1 空蚀性能
宏观形貌显示，DED样品表面侵蚀坑最大高度差(14.4 μm)仅为NAB的77.8%。失重曲线证实其稳定阶段失重率(1.47 mg/h)显著低于NAB(2.70 mg/h)，归因于高硬度相抑制塑性变形。

3.2 微观结构特征
XRD检测到β₁(Cu₃Al)、γ₂(Al₄Cu₉)主相及少量α相。SEM观察到：

• 花瓣状γ₂相(显微硬度480 Hv)弥散分布于β₁基体(251 Hv)
• β₁相呈现V形自协调孪晶结构，TEM显示纳米孪晶宽度约60 nm
• (Si,Al)₂Cr纳米沉淀相通过EDS确认

3.3 抗空蚀机制
性能提升源于三重机制：

1. 高硬度γ₂相分散强化，抑制裂纹扩展
2. β₁纳米孪晶吸收空蚀能量，协调塑性变形
3. 纳米沉淀相阻碍位错运动，形成加工硬化层

值得注意的是，椭圆状γ₂相因脆性剥落产生负面效应，而花瓣状γ₂相通过强界面结合发挥积极作用，表明相形态对性能具有决定性影响。

该研究开创性地通过DED技术实现Cu-Al合金性能调控，其提出的"高硬度相+纳米孪晶+纳米沉淀"协同强化策略，为开发新一代抗空蚀材料提供了理论依据。特别是花瓣状γ₂相的理想分布模式，对优化增材制造工艺参数具有重要指导意义。未来研究可进一步探索成分梯度设计对空蚀-腐蚀耦合抗性的影响，推动该材料在船舶螺旋桨、海水泵阀等关键部件的工程应用。