一般來說，流體機(jī)械部件（如螺旋槳和水力發(fā)電機(jī)葉片）容易受到氣蝕侵蝕損傷。當(dāng)工程部件暴露在高速流體中時，由于壓力不均勻，會產(chǎn)生相當(dāng)大的氣泡。然后，由于壓力的變化，這些氣泡會生長、壓縮并最終破裂。這些氣泡的坍塌幾乎是瞬間發(fā)生的，導(dǎo)致極高的溫度、瞬時壓力和極快的微射流（高達(dá)600 m/s）。當(dāng)這些組分的材料表面附近發(fā)生氣泡坍塌時，氣泡的連續(xù)坍塌在流體中產(chǎn)生極高的應(yīng)力波，微射流不斷作用在材料表面。材料的變形、裂紋萌生甚至分層最終是由高應(yīng)力波和微射流引起的，最終導(dǎo)致材料失效。

當(dāng)用于腐蝕性液體時，高速流體沖擊和腐蝕反應(yīng)的影響會進(jìn)一步縮短流體機(jī)械部件的使用壽命。因此，需要具有優(yōu)異機(jī)械性能和優(yōu)異耐腐蝕能力的高性能材料來有效抵抗氣蝕的影響。海洋環(huán)境中最常見的抗氣蝕材料是鎳鋁青銅（NAB）合金。

NAB是通過將鎳、鐵、錳和其他元素添加到銅-鋁基體中而形成的合金。NAB合金以其良好的耐腐蝕性、高抗空蝕性和抗生物結(jié)垢性而聞名。它們廣泛用于流動部件，如船舶螺旋槳和閥門。

盡管有各種制造技術(shù)，但鑄造仍然是生產(chǎn)大型NAB部件的主要方法。鑄造NAB合金通常由α相基體、具有體心立方（BCC）晶格結(jié)構(gòu)的β相馬氏體結(jié)構(gòu)和各種κ相（κ1，κ2，κ3和κ4)。

根據(jù)文獻(xiàn)，由空化載荷引起的微裂紋往往在低硬度α相以及α相和κ相的界面處開始，此外空化侵蝕過程中的持續(xù)沖擊會在α相中形成相當(dāng)大的位錯和變形孿晶。通過位錯相互作用，NAB合金的屈服強(qiáng)度增加，而變形孿晶的存在提高了其延性。因此，有效地防止了疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展。

NAB合金的復(fù)雜相組成極大地影響了其空化侵蝕行為。然而，傳統(tǒng)的大型鑄件在不同零件中具有不同的厚度，因此，較厚零件的粗微組織導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

增材制造（AM）作為一種新興的制造技術(shù)，因其快速成型和快速制造的特性而受到廣泛關(guān)注。其中，定向能沉積（DED）在制造大型金屬零件方面顯示出巨大的潛力，尤其是復(fù)雜的雙曲面零件（如球形船首、螺旋槳和方向舵）。電弧和金屬絲在DED過程中用作熱源和原料。目前，DED的研究主要集中在鋁合金、鈦合金和鋼上。DED生產(chǎn)的NAB合金與鑄造樣品之間的微觀結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了不同的空化侵蝕行為。然而，很少有研究來探索DED生產(chǎn)的NAB合金的空化侵蝕行為。

為此，南京理工大學(xué)的研究人員對DED生產(chǎn)和鑄造NAB合金的靜態(tài)腐蝕性能進(jìn)行了研究。通過多尺度電子顯微鏡分析了DED生產(chǎn)的NAB和鑄造NAB之間的微觀結(jié)構(gòu)差異，并在不同環(huán)境中進(jìn)行了空化侵蝕實(shí)驗(yàn)，討論了DED制備樣品的空化侵蝕行為。相關(guān)研究成果已發(fā)表在近期的Corrosion Science雜志上。

通過研究DED生產(chǎn)和鑄造NAB合金在3.5 wt% NaCl溶液中的力學(xué)性能和空化侵蝕腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)DED生產(chǎn)的NAB合金表現(xiàn)出更精細(xì)的顯微組織，κ相含量顯著降低，提高了NAB合金的屈服強(qiáng)度（提高了27.76%）和伸長率（提高了54.89%）。DED生產(chǎn)的NAB表現(xiàn)出更均勻的微觀結(jié)構(gòu)、更少的高角晶界（HAGBs）和雙邊界（∑3），導(dǎo)致腐蝕和機(jī)械侵蝕之間的協(xié)同效應(yīng)減弱。與鑄造NAB相比，DED生產(chǎn)的NAB質(zhì)量損失率下降了74.77%。

DED的實(shí)驗(yàn)裝置包括六軸機(jī)器人、具有冷金屬轉(zhuǎn)移（CMT）模式的氣體保護(hù)金屬電弧焊（GMAW）割炬和送絲機(jī)，如圖1a所示。原材料為商用NAB焊絲，符合AWS A5.7 ERCuNiAl標(biāo)準(zhǔn)，直徑為1.2 mm（化學(xué)成分為：8.90 wt% Al、3.90 wt% Fe、1.10 wt% Mn、4.30 wt% Ni和Cu平衡）。以化學(xué)成分為8.72 wt% Al、3.31 wt% Fe、1.49 wt% Mn、4.38 wt% Ni和Cu天平的鑄造NAB合金（C95800）作為參考金屬。

圖2a顯示了用于氣蝕侵蝕試驗(yàn)的設(shè)備。在蒸餾水和天然3.5 wt% NaCl溶液中進(jìn)行空化侵蝕試驗(yàn)。用去離子水和分析級NaCl粉末制備3.5 wt% NaCl溶液。實(shí)驗(yàn)采用符合ASTM G32標(biāo)準(zhǔn)的振動超聲儀器。設(shè)備的原理圖如圖2b所示。將樣品放在載體臺上，將溶液倒入浸沒樣品中，使溶液表面距離樣品表面15 mm。超聲波喇叭在超聲波驅(qū)動下劇烈振動，溶液中產(chǎn)生許多氣泡。該設(shè)備模擬了對材料的沖擊和剝離效果。根據(jù)參考文獻(xiàn)，在空化時間達(dá)到9小時后，質(zhì)量損失率通常趨于穩(wěn)定。因此，選擇12小時作為結(jié)束時間。使用20 kHz的超聲波喇叭頻率和50 μm的雙振幅（峰峰值）進(jìn)行空化侵蝕試驗(yàn)，持續(xù)不同持續(xù)時間（1、3、6、12 h），以研究空化侵蝕過程中樣品的變化。連續(xù)流動的冷卻水將溶液保持在(25±0.2) ℃。

圖3顯示了CNAB的微觀結(jié)構(gòu)。如圖3a所示，通過OM觀察在CNAB中觀察到α相基質(zhì)（亮區(qū)）、樹突間區(qū)（暗區(qū)）和一些沉淀物。圖3b中的SEM觀察揭示了CNAB的細(xì)節(jié)。CNAB的微觀結(jié)構(gòu)由粗α相基體、高溫殘余β′相和各種κ相組成。根據(jù)元素分布和形態(tài)，κ相可分為四種形狀。CNAB的反極坐標(biāo)圖（IPF）如圖3c所示。其余顏色表示中間方向。晶粒表現(xiàn)出明顯的粗α相基質(zhì)（藍(lán)色）向<111>生長方向的趨勢，這是FCC晶粒的常見生長方向。相圖（圖3d）表明α相基體（紅色）的體積分?jǐn)?shù)為96.9%，金屬間κ相（綠色）的體積分?jǐn)?shù)為3.1%。圖3e顯示了晶界取向錯誤。CNAB中α相矩陣的極性圖（PF）如圖3f所示。CNAB 具有強(qiáng)烈的 （100） <111> 質(zhì)地。CNAB的最大紋理指數(shù)為51.97。圖3g顯示了CNAB的核平均取向錯誤（KAM）圖。CNAB的平均KAM值為0.2569。

圖4顯示了DNAB的微觀結(jié)構(gòu)特征。如圖4a所示，DNAB的微觀結(jié)構(gòu)由α相基質(zhì)和樹突間區(qū)組成，光學(xué)圖像中未發(fā)現(xiàn)明顯的沉淀物。在DED生產(chǎn)的樣品中，存在一個以相對粗糙的微觀結(jié)構(gòu)為特征的區(qū)域，通常稱為熱影響區(qū)（HAZ）。圖4b顯示了樹突間區(qū)域的層狀沉淀。與CNAB相比，DNAB具有顯著精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)（圖4b）。與圖4b相對應(yīng)的元素分布圖顯示，DED生產(chǎn)的樣品中沒有明顯的元素偏析。樹突間區(qū)和晶界的更多細(xì)節(jié)分別如圖4c和圖4f所示。細(xì)小的層狀和球狀沉淀物出現(xiàn)在樹突間區(qū)（圖4c）。在邊界處可以找到一些粗球狀沉淀物（圖4g）。

圖5顯示了DNAB沿構(gòu)建方向的晶體學(xué)特征。從圖5a可以看出，DNAB的IPF顯示了晶粒結(jié)構(gòu)，沒有任何明顯的晶粒取向。圖5b顯示了DNAB的相圖，其中α相基質(zhì)占99.8%，金屬間κ相僅占0.2%，表明DNAB中κ相的含量明顯低于CNAB（3.1%）。晶界位錯圖如圖5c所示，與CNAB相比，DNAB表現(xiàn)出更高的LAGBs比例，增加到24.2%，并且觀察到孿生邊界的范圍顯著降低（∑3）。DNAB的PF如圖5d所示?？梢钥闯鯠NAB的最大織構(gòu)強(qiáng)度（3.5）明顯低于CNAB（51.97）。

圖6a顯示了CNAB和DNAB樣品沿縱向的工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。表1總結(jié)了樣品的拉伸結(jié)果。與CNAB結(jié)果的比較表明，DNAB的0.2%屈服強(qiáng)度（YS）和極限拉伸強(qiáng)度（UTS）分別從（232.9±2.3）MPa顯著提高到（309.7±4.8）MPa和從（547.5±1.5）MPa提高到（699.5±6.5）MPa。同時，DNAB的伸長率（36.4%±2.1%）明顯更高，與鑄造樣品（23.5%±2.8%）相比增加了53.89%。圖S1和表S1顯示，樣品在橫向和縱向上的強(qiáng)度和延展性差異并不顯著。由此可見，CNAB和DNAB樣品的力學(xué)性能均不具有顯著的方向性。

圖7顯示了在蒸餾水和3.5 wt% NaCl溶液中空化不同持續(xù)時間的樣品的質(zhì)量損失和質(zhì)量損失率。如圖7所示，在蒸餾水和3.5wt%NaCl溶液中，兩個樣品的質(zhì)量損失隨著持續(xù)時間的增加而增加。CNAB的質(zhì)量損失大于DNAB。圖7a顯示了隨著持續(xù)時間增加的質(zhì)量損失階段，可分為初始期（指定為I期）、上升期（指定為II期）和穩(wěn)定期（指定為III期）。前2小時的質(zhì)量損失較低，與初始期一致。從2 h到9 h，質(zhì)量損失大大增加，這是空化侵蝕的上升期。9小時后，質(zhì)量損失持續(xù)增加。然而，增加速度減慢，達(dá)到空化侵蝕的穩(wěn)定階段。每個樣品的質(zhì)量損失率如圖7b所示，可以觀察到，無論蒸餾水還是NaCl溶液，DNAB的質(zhì)量損失率都低于CNAB。此外，所有樣品的質(zhì)量損失率在I期緩慢上升，在2~9 h時迅速上升，在9 h時達(dá)到最大值，并在9~12 h時緩慢下降到平臺期。暴露12 h后，DNAB在蒸餾水和NaCl溶液中的質(zhì)量損失率分別比CNAB低55.27%和74.77%。

圖8顯示了樣品在蒸餾水和3.5 wt% NaCl溶液中空化侵蝕12 h后的三維形貌，從Z軸的數(shù)值可以看出樣品的損壞。圖8a和b表明，在蒸餾水中，DNAB在受損后的表面比CNAB的表面相對平坦。當(dāng)3.5 wt% NaCl溶液發(fā)生空化侵蝕時（圖8c和d），樣品不僅受到機(jī)械力的影響，還受到Cl的腐蝕。這一發(fā)現(xiàn)表明，CNAB樣品受到Cl的破壞更嚴(yán)重。一般來說，無論是在蒸餾水中還是在3.5 wt% NaCl溶液中，DNAB表面受到的損傷都比CNAB小，與圖7中的結(jié)果一致。

圖13顯示了NAB合金蒸餾水和3.5 wt% NaCl溶液中的空蝕機(jī)理。如圖13a1和b1所示，樣品表面受到微射流和氣泡耗散產(chǎn)生的熱量的影響。硬κ相比α相具有更好的抗空化侵蝕能力。因此，CNAB的汝合結(jié)構(gòu)中的部分軟α相基質(zhì)和α相在初始階段被破壞以分離。此外，由于構(gòu)造結(jié)構(gòu)中κ3和α相的分離。相位比其他κ相更容易被破壞。最終，如圖13a1所示，當(dāng)硬κ相在長時間撞擊后坍塌時，會產(chǎn)生大空腔。許多小空腔在沖擊過程中合并形成大孔隙。相反，由于DNAB的微觀結(jié)構(gòu)更均勻，它在表面所有部位都表現(xiàn)出相似的機(jī)械力承載能力，并且在損傷后表面相對平坦（圖13b1）。CNAB較粗糙的表面比DNAB的平坦區(qū)域承受更高的應(yīng)力水平，導(dǎo)致疲勞裂紋在這些區(qū)域成核和生長。因此，DNAB表面的變形更加均勻，從而減少了空腔。

結(jié)論

鎳鋁青銅可以通過定向能量沉積工藝成功制備。與鑄造NAB合金（CNAB）相比，DED生產(chǎn)的NAB合金（DNAB）的微觀結(jié)構(gòu)和空化侵蝕性能都發(fā)生了變化。通過討論空化侵蝕的作用機(jī)理得出主要結(jié)論如下：

(1) 由于DED過程中冷卻速度較快，DNAB的晶粒尺寸減小。

(2) 雖然DNAB的殘余應(yīng)力略高于CNAB，但CNAB樣品中的β′相和粗κ相更有利于裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。因此，與CNAB相比，DNAB樣品的極限拉伸強(qiáng)度提高了約27.76%，伸長率提高了54.89%。

(3) 與CNAB相比，DNAB的HAGB和雙邊界（∑3）更少，更有利于提高蒸餾水的抗空蝕性。在空蝕過程中，DNAB的微觀結(jié)構(gòu)更均勻，形成更平坦的表面，從而降低了應(yīng)力集中。同時，納米氧化物顆粒在DNAB表面形成，以保護(hù)α相基質(zhì)。因此，DNAB的抗空化侵蝕性能優(yōu)于CNAB。

(4) 腐蝕削弱了優(yōu)選腐蝕相的機(jī)械性能。在DNAB中，不同相之間的微電流耦合被削弱。在NaCl溶液中空化侵蝕過程中，DNAB呈現(xiàn)均勻的腐蝕，形成更穩(wěn)定的薄膜。因此，與CNAB相比，DNAB樣品表現(xiàn)出較弱的腐蝕和空化侵蝕協(xié)同作用和更低的質(zhì)量損失率（減少74.77%）。