高阻尼性能的Cu_Al_Be形状记忆合金在舰艇螺旋桨上的应用
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是由针状热弹性马氏体 ′和少量的白色 相 组成。这种热弹性马氏体随螺旋桨旋转时产 生的外加周期应力的增大或减小而出现周而 复始的长大或缩小, 或应力诱发产生新的热 弹性马氏体, 这时合金的晶界或相界发生移 动, 产生应力-应变的静滞后作用, 造成能量 损耗( 阻尼) ; 此外, 在外应力的作用下, 还出 现已形成的热弹性马氏体的再取向, 发生晶 界或相界的移动, 改变界面的面积和位向, 造 成内部能量损耗( 阻尼) , 达到减振降噪的作 用, 而且合金所受的外应力越大, 其减振降噪 效果越好。图 2( a) , ( b) 为 Cu-Al-Be 合金在
测试分析频率范围为 0. 4kHz～40kHz。 4 试验结果与分析
二种合金的模型桨在 56 种工况下试验 测得的噪声总声级数据及部分工况下测得的 空泡水筒本底噪声声级, 见表 3。在同一工况 下, 水动力噪声对比试验典型噪声谱, 见图 6 ( a) , ( b) 和图 7( a) , ( b) 。
根据 GB228-87 标准 《金属 拉伸试验 方 法》, 将试块加工成标距 l 0 与直径 d 之比为 5 的短试样进行拉伸试验, 测得数据表征合金 的力学性能。
3. 2. 3 合金的比阻尼性能试验 根据 GB/ T 1365-92 标准《金属阻尼材料
阻尼本领试验方法扭摆法和弯曲共振法》, 采 用扭摆法, 对试样施加相当于合金屈服强度 0. 2的 1/ 10 的应力作试样扭摆振动的应力, 使用 JD802 大应力扭摆阻尼测试仪测 定合 金比阻尼 S. D. C 值。
的情况下, 后者仍可降噪 1. 5～2. 5dB。试验 证明: 用 Cu-Al-Be 形状记忆 合金制作 的模 型桨在模拟潜艇上能完全抑制由共振引起的
异常噪声——唱音, 有显著的减振降噪效果。 5 结 论 5. 1 用 Cu-Al -Be 合金 制作的模型桨 通过 模拟试验证明: 该合金能够完全抑制由螺旋 桨的振动引起的异常噪声—— 唱音, 有显著 的减振降噪作用。这与实际用比阻尼试样测 试的 Cu-Al-Be 形状记忆合金具有的高阻尼 性能结果相一致。
研究。其良好的性能, 显示了 Cu-Al -Be 合金 在舰艇螺旋桨上应用具有一定的可行性和重
要的实际意义。
第 6 期 谢春生等: 高阻尼性能的 Cu -A l -Be 形状记忆合金在舰艇螺旋桨上的应用
— 257 —
2 Cu-Al-Be 合金减振降噪( 阻尼) 机理 如图 1 所示, Cu-Al -Be 合金的金相组织
Fig. 5 Propeller models made of two alloys
以 0. 82、0. 80、0. 78、0. 76、0. 74、0. 72、0. 70 七个不同的进速比组成 56 种工况进行非均 匀流场水动力噪声对比试验。模型桨噪声试
验完成后, 再检测每个航速下的本底噪声。 8104 型接收水听器悬挂在长、宽、高分别为 670、250、250mm 的减振消声水箱 内固定不 动, 水听器接收到的信号经放大器放大进入 实时信号分析仪进行实时分析记录并存盘。
二相模型桨先后分别安装在模拟潜艇的 艇尾相同的位置, 分别在沉深 10m、20m , 每 一沉深下, 航速为 6、8、10、12 节, 第一航速再
第 6 期 谢春生等: 高阻尼性能的 Cu -A l -Be 形状记忆合金在舰艇螺旋桨上的应用
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图 5 二种合金的模型桨 ( a) Cu -A l-Be 合金桨 ( b) ZQ A L12-8-3-2 合金桨
f or Cu-Al-Bealloy
图 4 Cu-Al-Be 合金振动振幅衰减曲线 Fig. 4 Decline curve of the amplitude of vibration
f or Cu-Al-Be alloy
3. 2. 4 二种合金模型桨声学特性、水动力噪 声对比试验
二种合金的模型桨设计参数相同, 五桨 叶, 直 径 240mm , 螺 节 比 为 0. 92, 见图 5 ( a) , ( b) 。
从表 3 及图 6、7 可见: 原实艇用螺旋桨 合金 Z QAL 12-8-3-2 制作的模型桨在大多数 ( 85% ) 的试验工况下出现唱音, 而 Cu-Al-Be 合金模型桨在所有 56 种试验工况下均未出 现唱音, 二者在相同试验工况下对比: 当前者 出现强唱音时, 后者降噪 10～28dB; 当前者 出现弱唱音时, 后者降噪 4. 6～8. 6dB; 当前 者在无唱音工况时, 在水筒本底噪声相当大
图 1 Cu-Al-Be 合金金相组织, ×350 Fig. 1 Microstructure of Cu-Al-Be alloy
高温金相显微镜下承受拉应力时出现热弹性 马氏体再取向和尺寸变化的照片。
图 2 Cu-Al-Be 合金在拉应力作用下同一区域针状 ′发生再取向, ×100
a 拉应力初始; b 拉应力增加
据热弹性马氏体的理论, 通过适当地调整合 金的成分和控制其处理过程, 使其具有的形 状记忆功能在机械、电子、电器、医学、宇航等
方面得到较为广泛的应用, 众多的文献对此 作了报道〔4, 5〕。但对形状记忆合金具有的高阻
尼性能, 特别是在工程上作为减振合金的研 究及应用的报道却很少。我院在“八五”期间, 对新研制的 Cu-Al-Be 形状记忆合金的高阻 尼性能在舰艇螺旋桨上的应用进行了可行性
3. 2. 1 合金的相变温度试验 从试块上用电火花线切割加工成 2m m
×2mm ×100mm 试样, 采用四端子电阻法, 用精度为±1 V 的 7150 型脉冲数字万用表, 测量试样在加热和冷却过程中的电阻变化, 通过微机自动绘制记录温度- 电阻变化曲 线, 测得合金的相变温度。 3. 2. 2 合金的力学性能试验
Application of the Cu-Al-Be Shape Memory Alloy with Exellent Damping Property to the Propeller of Ships
X ie Chunsheng W ang H ai long L u X iuf eng L u Sheng Y u Li hua
5. 2 根据实际测试分析, Cu-Al-Be 合金不 但有高的比阻尼性能, 而且具有高的强度、耐 海水腐蚀、抗空泡剥蚀〔8〕等综合性能, 能满足 舰艇螺旋桨的一些实际工作条件, Cu-Al-Be 合金应用于舰艇螺旋桨具有一定的可行性。 5. 3 Cu-Al-Be 合金的高阻尼性机理是热弹 性马氏体在外应力作用下长大或缩小, 再取 向, 造成能量损耗的阻尼机理, 不同于目前舰 艇高阻尼螺旋桨材料 M n-Cu 基合金, 它是利 用其在振动应力的作用下, 合金内部孪晶长 大或缩小, 使孪晶的晶界 移动, 造成能 量损 耗, 产生阻尼效果。
— 256 —
金属功能材料 1997 年
高阻尼性能的 Cu-Al -Be 形状记忆合金 在舰艇螺旋桨上的应用
谢春生 王海龙 吕秀芬 芦 笙 喻利花
( 华东船舶工业学院 镇江 212003)
摘 要 本文论述了高阻尼 性能的 Cu-A l-Be 形状记忆合金在 舰艇螺旋桨上减振 降噪的试验研究 成果。用 Cu-A l-Be 合金和原实艇螺旋桨材料 ZQ A L 12-8-3-2 分别制作参数相同的模型桨, 在相 同 的 56 种工 况下对比试验表明: 用 Cu-A l-Be 形状记忆合金制作 的螺旋桨能够完全 抑制由共振产生 的异常噪声唱音, 有显著的减振降噪作用。该合金在舰艇螺旋桨上应用具有一定的可行性。 关键词 形状记忆合金 阻尼 螺旋桨 噪 声
property of Cu-Al-Be alloy
相 变 温 度( ℃)
力学 性能
比阻尼
M s M f A s A f 抗拉 屈服 延伸率
( M Pa) ( M Pa) ( 5% ) ( S. D . C % )
115 65 95 130 644
2508. 6来自20. 24图 3 Cu-A l-Be 电 阻-温度变化关系曲线 Fig. 3 Plot of electric resistance vs temperature
Table 1 The chemical composition of two alloys
化 学 成 分 %
合 金 C u-A l-Be ZQ A L12-8-3-2
Mn
Al
Fe
- 9. 0～12. 5
-
11. 5～14. 0 7. 0～8. 5 2. 5～4. 0
Ni 1. 8～2. 5
根据上述试验方法测得的 Cu-Al -Be 形 状记忆合金的相变温度、力学和比阻尼性能
数据, 见表 2。合金的温度- 电阻变化关系曲 线见图 3, 其振动振幅衰减曲线见图 4。
表 2 Cu-Al-Be 合金的相变温度和性能测试数据 Table 2 Phase transition temperature and
1 前 言 随着现代水声理论和水声工程的发展以
及水中反潜技术、武备系统的进步, 作为海军 主要战斗力之一的潜艇, 由于螺旋桨的噪声 常常处于被动受击的局面, 因而受到各国海 军的高度重视。从 60 年代起, 各国竞相开展 了主要是以 M n-Cu 为基的螺旋桨用高阻尼 合 金的 研究〔1, 2, 3〕, 用这 类合 金制 作的 螺 旋 桨, 具有 良好的减振降噪 效果, 但其强 度不 高, 耐海水腐蚀、抗空泡剥蚀的性能差, 必须 加阴极保护措施, 在使用中受到了一定的限 制。形状记忆合金是一种新颖的功能材料, 根
Zn < 0. 30
Be
其他元素
0. 1～1. 0 C r, Ti, B< 0. 5
-
杂质< 1. 0
Cu 余量 余量
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金属功能材料 1997 年
Z QAL 12-8-3-2 合金成品模型桨由中国 船舶科学研究中心直接提供。Cu-Al-Be 合金 以 1 号电解铜及 Cu-Al , Cu-Be 中间合 金为 原料, 中频感应炉真空熔炼, 通混合隋性气体 除去合金熔液中的气体, 非真空浇铸成与原 模型桨技术要求完全相同的模型桨铸坯和用
测试分析频率范围为 0. 4kHz～40kHz。 4 试验结果与分析
二种合金的模型桨在 56 种工况下试验 测得的噪声总声级数据及部分工况下测得的 空泡水筒本底噪声声级, 见表 3。在同一工况 下, 水动力噪声对比试验典型噪声谱, 见图 6 ( a) , ( b) 和图 7( a) , ( b) 。
根据 GB228-87 标准 《金属 拉伸试验 方 法》, 将试块加工成标距 l 0 与直径 d 之比为 5 的短试样进行拉伸试验, 测得数据表征合金 的力学性能。
3. 2. 3 合金的比阻尼性能试验 根据 GB/ T 1365-92 标准《金属阻尼材料
阻尼本领试验方法扭摆法和弯曲共振法》, 采 用扭摆法, 对试样施加相当于合金屈服强度 0. 2的 1/ 10 的应力作试样扭摆振动的应力, 使用 JD802 大应力扭摆阻尼测试仪测 定合 金比阻尼 S. D. C 值。
的情况下, 后者仍可降噪 1. 5～2. 5dB。试验 证明: 用 Cu-Al-Be 形状记忆 合金制作 的模 型桨在模拟潜艇上能完全抑制由共振引起的
异常噪声——唱音, 有显著的减振降噪效果。 5 结 论 5. 1 用 Cu-Al -Be 合金 制作的模型桨 通过 模拟试验证明: 该合金能够完全抑制由螺旋 桨的振动引起的异常噪声—— 唱音, 有显著 的减振降噪作用。这与实际用比阻尼试样测 试的 Cu-Al-Be 形状记忆合金具有的高阻尼 性能结果相一致。
研究。其良好的性能, 显示了 Cu-Al -Be 合金 在舰艇螺旋桨上应用具有一定的可行性和重
要的实际意义。
第 6 期 谢春生等: 高阻尼性能的 Cu -A l -Be 形状记忆合金在舰艇螺旋桨上的应用
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2 Cu-Al-Be 合金减振降噪( 阻尼) 机理 如图 1 所示, Cu-Al -Be 合金的金相组织
Fig. 5 Propeller models made of two alloys
以 0. 82、0. 80、0. 78、0. 76、0. 74、0. 72、0. 70 七个不同的进速比组成 56 种工况进行非均 匀流场水动力噪声对比试验。模型桨噪声试
验完成后, 再检测每个航速下的本底噪声。 8104 型接收水听器悬挂在长、宽、高分别为 670、250、250mm 的减振消声水箱 内固定不 动, 水听器接收到的信号经放大器放大进入 实时信号分析仪进行实时分析记录并存盘。
二相模型桨先后分别安装在模拟潜艇的 艇尾相同的位置, 分别在沉深 10m、20m , 每 一沉深下, 航速为 6、8、10、12 节, 第一航速再
第 6 期 谢春生等: 高阻尼性能的 Cu -A l -Be 形状记忆合金在舰艇螺旋桨上的应用
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图 5 二种合金的模型桨 ( a) Cu -A l-Be 合金桨 ( b) ZQ A L12-8-3-2 合金桨
f or Cu-Al-Bealloy
图 4 Cu-Al-Be 合金振动振幅衰减曲线 Fig. 4 Decline curve of the amplitude of vibration
f or Cu-Al-Be alloy
3. 2. 4 二种合金模型桨声学特性、水动力噪 声对比试验
二种合金的模型桨设计参数相同, 五桨 叶, 直 径 240mm , 螺 节 比 为 0. 92, 见图 5 ( a) , ( b) 。
从表 3 及图 6、7 可见: 原实艇用螺旋桨 合金 Z QAL 12-8-3-2 制作的模型桨在大多数 ( 85% ) 的试验工况下出现唱音, 而 Cu-Al-Be 合金模型桨在所有 56 种试验工况下均未出 现唱音, 二者在相同试验工况下对比: 当前者 出现强唱音时, 后者降噪 10～28dB; 当前者 出现弱唱音时, 后者降噪 4. 6～8. 6dB; 当前 者在无唱音工况时, 在水筒本底噪声相当大
图 1 Cu-Al-Be 合金金相组织, ×350 Fig. 1 Microstructure of Cu-Al-Be alloy
高温金相显微镜下承受拉应力时出现热弹性 马氏体再取向和尺寸变化的照片。
图 2 Cu-Al-Be 合金在拉应力作用下同一区域针状 ′发生再取向, ×100
a 拉应力初始; b 拉应力增加
据热弹性马氏体的理论, 通过适当地调整合 金的成分和控制其处理过程, 使其具有的形 状记忆功能在机械、电子、电器、医学、宇航等
方面得到较为广泛的应用, 众多的文献对此 作了报道〔4, 5〕。但对形状记忆合金具有的高阻
尼性能, 特别是在工程上作为减振合金的研 究及应用的报道却很少。我院在“八五”期间, 对新研制的 Cu-Al-Be 形状记忆合金的高阻 尼性能在舰艇螺旋桨上的应用进行了可行性
3. 2. 1 合金的相变温度试验 从试块上用电火花线切割加工成 2m m
×2mm ×100mm 试样, 采用四端子电阻法, 用精度为±1 V 的 7150 型脉冲数字万用表, 测量试样在加热和冷却过程中的电阻变化, 通过微机自动绘制记录温度- 电阻变化曲 线, 测得合金的相变温度。 3. 2. 2 合金的力学性能试验
Application of the Cu-Al-Be Shape Memory Alloy with Exellent Damping Property to the Propeller of Ships
X ie Chunsheng W ang H ai long L u X iuf eng L u Sheng Y u Li hua
5. 2 根据实际测试分析, Cu-Al-Be 合金不 但有高的比阻尼性能, 而且具有高的强度、耐 海水腐蚀、抗空泡剥蚀〔8〕等综合性能, 能满足 舰艇螺旋桨的一些实际工作条件, Cu-Al-Be 合金应用于舰艇螺旋桨具有一定的可行性。 5. 3 Cu-Al-Be 合金的高阻尼性机理是热弹 性马氏体在外应力作用下长大或缩小, 再取 向, 造成能量损耗的阻尼机理, 不同于目前舰 艇高阻尼螺旋桨材料 M n-Cu 基合金, 它是利 用其在振动应力的作用下, 合金内部孪晶长 大或缩小, 使孪晶的晶界 移动, 造成能 量损 耗, 产生阻尼效果。
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金属功能材料 1997 年
高阻尼性能的 Cu-Al -Be 形状记忆合金 在舰艇螺旋桨上的应用
谢春生 王海龙 吕秀芬 芦 笙 喻利花
( 华东船舶工业学院 镇江 212003)
摘 要 本文论述了高阻尼 性能的 Cu-A l-Be 形状记忆合金在 舰艇螺旋桨上减振 降噪的试验研究 成果。用 Cu-A l-Be 合金和原实艇螺旋桨材料 ZQ A L 12-8-3-2 分别制作参数相同的模型桨, 在相 同 的 56 种工 况下对比试验表明: 用 Cu-A l-Be 形状记忆合金制作 的螺旋桨能够完全 抑制由共振产生 的异常噪声唱音, 有显著的减振降噪作用。该合金在舰艇螺旋桨上应用具有一定的可行性。 关键词 形状记忆合金 阻尼 螺旋桨 噪 声
property of Cu-Al-Be alloy
相 变 温 度( ℃)
力学 性能
比阻尼
M s M f A s A f 抗拉 屈服 延伸率
( M Pa) ( M Pa) ( 5% ) ( S. D . C % )
115 65 95 130 644
2508. 6来自20. 24图 3 Cu-A l-Be 电 阻-温度变化关系曲线 Fig. 3 Plot of electric resistance vs temperature
Table 1 The chemical composition of two alloys
化 学 成 分 %
合 金 C u-A l-Be ZQ A L12-8-3-2
Mn
Al
Fe
- 9. 0～12. 5
-
11. 5～14. 0 7. 0～8. 5 2. 5～4. 0
Ni 1. 8～2. 5
根据上述试验方法测得的 Cu-Al -Be 形 状记忆合金的相变温度、力学和比阻尼性能
数据, 见表 2。合金的温度- 电阻变化关系曲 线见图 3, 其振动振幅衰减曲线见图 4。
表 2 Cu-Al-Be 合金的相变温度和性能测试数据 Table 2 Phase transition temperature and
1 前 言 随着现代水声理论和水声工程的发展以
及水中反潜技术、武备系统的进步, 作为海军 主要战斗力之一的潜艇, 由于螺旋桨的噪声 常常处于被动受击的局面, 因而受到各国海 军的高度重视。从 60 年代起, 各国竞相开展 了主要是以 M n-Cu 为基的螺旋桨用高阻尼 合 金的 研究〔1, 2, 3〕, 用这 类合 金制 作的 螺 旋 桨, 具有 良好的减振降噪 效果, 但其强 度不 高, 耐海水腐蚀、抗空泡剥蚀的性能差, 必须 加阴极保护措施, 在使用中受到了一定的限 制。形状记忆合金是一种新颖的功能材料, 根
Zn < 0. 30
Be
其他元素
0. 1～1. 0 C r, Ti, B< 0. 5
-
杂质< 1. 0
Cu 余量 余量
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金属功能材料 1997 年
Z QAL 12-8-3-2 合金成品模型桨由中国 船舶科学研究中心直接提供。Cu-Al-Be 合金 以 1 号电解铜及 Cu-Al , Cu-Be 中间合 金为 原料, 中频感应炉真空熔炼, 通混合隋性气体 除去合金熔液中的气体, 非真空浇铸成与原 模型桨技术要求完全相同的模型桨铸坯和用
