摘 要

空蚀破坏是船舶柴油机气缸套不可避免的失效形式，空蚀显著缩短气缸套的使用寿命，严重影响柴油机的可靠性和经济性。开发纳米结构WC-10Co-4Cr抗空蚀涂层材料可以有效的缓解空蚀的破坏，在不改变柴油机结构的基础上是较经济有效的方案。

本文所采用纳米、微米结构WC-10Co-4Cr涂层是由燃油型HVOF工艺制备的。通过超声波振动空蚀装置空蚀试验，在淡水介质中对纳米、微米结构的WC-10Co-4Cr涂层材料的抗空蚀性能比较，探究WC-10Co-4Cr涂层的抗空蚀性能。绘制纳米、微米结构WC-10Co-4Cr涂层的体积空蚀率折线图。

研究表明，微米涂层材料的体积空蚀率比较小，且空蚀率增长缓慢，有很好的抗空蚀能力；纳米涂层材料的体积空蚀率在空蚀孕育期较304不锈钢大，在空蚀稳定期表现出了好的抗空蚀能力。在介质为淡水的超声波振动空蚀装置空蚀试验中，纳米结构WC-10Co-4Cr涂层有一定的抗空蚀能力，但空蚀上升期空蚀率增长迅速，抗空蚀能力较微米结构WC-10Co-4Cr涂层弱。燃油型HVOF工艺制备的纳米WC-10Co-4Cr涂层具有致密均匀的涂层，在淡水介质试验中表现出好的抗空蚀性能。但抗空蚀的效果并不理想，还需要改善喷涂工艺的喷涂参数得到能够应用于气缸套上的成熟材料。

关键词：WC-10Co-4Cr涂层；纳米结构；空蚀；HVOF；

Abstract

Cavitation damage is the inevitable form of failure of the marine diesel engine cylinder liner. Cavitation significantly reduces the service life of the cylinder liner, which seriously affects the reliability and economy of the diesel engine. The development of nano-structured WC-10Co-4Cr anti-cavitation coating material can effectively alleviate the damage of cavitation, without changing the structure of diesel engine is more cost-effective program.

The nanometer, micron structure WC-10Co-4Cr coating is prepared by the fuel type HVOF process. The corrosion resistance of WC-10Co-4Cr coating was studied by the cavitation test of ultrasonic vibration cavitation device, and the corrosion resistance of WC-10Co-4Cr coating was compared with that of WC-10Co-4Cr coating in freshwater medium. Draw a graph of volume cavitation for nanometer and micrometer WC-10Co-4Cr coatings.

The results show that the volume cavitation rate of micro-coating material is relatively small, and the cavitation rate is slow and has good anti-cavitation ability. The volume cavitation rate of nanometer coating material is larger than that of 304 stainless steel, In the cavitation stable period showed good anti-cavitation ability. The corrosion resistance of WC-10Co-4Cr coating in the nanostructure WC-10Co-4Cr coating has a certain anti-cavitation ability, but the cavitation erosion rate increases rapidly in the uplift period, and the anti-cavitation capacity is higher than that of the micro-structure WC-10Co-4Cr coating is weak. The nano-WC-10Co-4Cr coating prepared by the fuel-type HVOF process has a dense and uniform coating, and exhibits good anti-cavitation performance in freshwater medium test. But the effect of anti-cavitation is not ideal, but also need to improve the spraying process spray parameters can be applied to the cylinder liner on the mature material.

Key words: WC-10Co-4Cr coating; nanostructure; cavitation; HVOF;

目录

第 1 章 绪论 1

1.1目的和意义 1

1.2柴油机气缸套抗空蚀的研究现状 1

第 2 章 船舶柴油机气缸套空蚀机理分析 3

2.1船舶柴油机气缸套空蚀现象 3

2.1.1气缸套空蚀的主要形式和部位 3

2.1.2气缸套空蚀特点 3

2.2机理分析 4

2.2.1空化现象 4

2.2.2机械作用理论 4

2.2.3热与化学作用理论 5

2.3气缸套的空蚀机理 5

2.4气缸套空蚀破坏的影响因素 6

2.4.1空蚀外因—环境影响因素 6

2.4.2空蚀内因—材料本身形状及性能的影响 6

2.5提高气缸套抗空蚀的方法 7

2.5.1降低气缸套的振动 7

2.5.2改进冷却水系统 7

2.5.3改善气缸套的材料 7

第 3 章 抗空蚀材料的应用 9

3.1船舶柴油机气缸套的材料 9

3.2气缸套抗空蚀涂层的性能 9

3.3抗空蚀涂层的材料 9

3.3.1 NI基合金 9

3.3.2 Co基合金 10

3.3.3铁基合金 10

3.3.4 WC基合金 10

第 4 章 WC基涂层的制备工艺 12

4.1 WC粉末制备工艺 12

4.2 WC基涂层的制备 12

4.2.1喷涂工艺的选择 12

4.2.2实验所采用的喷涂工艺及设备 13

4.2.3试样材料 14

4.3涂层的制备 14

4.3.1喷涂前的准备工作 14

4.3.2参数的选择 15

4.3.3喷涂后处理 16

第 5 章 WC-CoCr涂层的空蚀试验研究 17

5.1空蚀试验装置及方法 17

5.1.1超声波振动空蚀发生装置概述 17

5.1.2实验的方法 17

5.2实验结果记录 18

5.3实验分析 19

5.3.1涂层表面形貌 19

5.3.2涂层的截面形貌 20

5.3.3涂层抗空蚀性能和失效分析 20

第 6 章 结语 24

6.1实验结论 24

6.2展望 24

参考文献 25

致谢 28

绪论

1.1目的和意义

气缸套的空蚀破坏是船舶柴油机常见的破坏形式，它严重影响柴油机的可靠性和使用寿命，对船舶的正常运行造成巨大的麻烦[^[1]]。长期以来，空蚀缩短船舶螺旋桨、发动机气缸套、阀门等过流部件的使用寿命，降低了可靠性。空蚀破坏是流体介质在一定温度的环境条件下，因压力的急剧变化使空泡形成并泯灭而对金属部件产生的破坏现象[^[2]]。气缸套的空蚀破坏发生在气缸套的外表面，主要是由于气缸套高频振动导致空泡爆炸产生的冲击力损伤气缸套的表面。

当今柴油机的发展正走向轻量化，相应的比重量将会下降，结构将日益紧凑，零部件壁厚减薄，这对柴油机气缸套抗空蚀性能提出了更高的要求，亟需采取有效的预防措施来延长气缸套的使用寿命[^[3]]。空蚀发生在金属零件的表面，所以对气缸套进行表面处理和改性是经济高效的方法。采用火焰喷涂技术在气缸套的表面制备高性能纳米WC涂层，能够对容易发生空蚀的表面重点防护，节约气缸套的制造成本并有效提高气缸套的抗空蚀能力和使用寿命[^[4]]。对纳米WC涂层的研究可以更深入的了解纳米WC涂层的结构性能和抗空蚀性能之间的关系，理解气缸套空蚀的机理，制备出性能更加优异的涂层。这对过流部件的抗空蚀有重要的影响，对表面工程技术有长足的发展。

1.2柴油机气缸套抗空蚀的研究现状

为了提高气缸套的抗空蚀性能，国内外学者从柴油机的设计、制造、装配等方面分析，并与柴油机气缸套空蚀相关的因素结合研究，提出了相应的改进或预防措施[^[5]]。

设计方面可以从冷却水的流动、水腔结构及截面形状、气缸套、活塞、配合等因素来实现。通过完善气缸套和冷却水系统的设计和制造过程，尽可能避免过流部件在空化状况下运行；制造方面就材质而言，目前大多使用铸铁合金，如含硼铸铁、高磷铸铁、球墨铸铁等铸铁合金。工业上一般在铸铁中添加Cu、Cr、Mo、Ni、W、B等合金金属元素，能够得到致密强韧的珠光体。加入多元合金元素后，气缸套具有较高的表面硬度、耐磨性和抗疲劳强度，这有利于减轻发动机工作时的振动和气缸套的径向变形，从而缓解空蚀过程中的疲劳破坏，阻止空蚀的扩散；在装配使用方面，柴油机的振动强度与运行参数有很大的关系，尽量减小供油提前角，可以避免爆发压力过高，避免柴油机工作粗暴，减少活塞惯性力和侧向撞击力[^[6]]等。