摘 要

随着螺旋桨功率和大型船舶船速的增加,船舶螺旋桨的空蚀成为一个越来越大的问题，研究空蚀机理和涂层制备是船舶螺旋桨抗空蚀中必不可少的关键。本论文通过采用超音速火焰（HVOF）喷涂技术制备了三种不同尺度的试样：纳米，微米，微纳米，分别记录了三种试样在3.5%的NaCl溶液中的空蚀减重和表面形貌的观察，并通过对比原基体试样304不锈钢，探讨了不同尺度WC基涂层的抗空蚀性能和机理。实验结果表明：不同尺度的WC基涂层都能抑制船舶螺旋桨表面的空蚀，超音速火焰（HVOF）喷涂技术制备的微纳米结构尺度的WC基涂层显示了最优异的抗空蚀性能。

关键词：空蚀机理；涂层制备；空蚀减重；喷涂工艺

Multiscale WC based coatings in application research of propeller cavitation erosion resistance

Abstract

With the increase of propeller power and large ship speed. The ship propeller cavitation become a growing problem, research on cavitation mechanism and coating preparation is necessary for ship propeller cavitation erosion of key. The HVOF spraying technology to prepare specimens for three different scales: nano, micrometer, the micro and nano were recorded three specimens in 3.5% NaCl solution cavitation corrosion weight loss and surface morphology were observed, and probes into the different scale WC based coatings cavitation corrosion performance and mechanism by comparing the original matrix 304 stainless steel specimen. The experimental results show that the WC based coatings with different scales can restrain the cavitation erosion on the surface of the ship propeller. The WC based coating prepared by HVOF has the best anti cavitation performance.

Keywords: Mechanism of cavitation; Coating preparation; Cavitation loss； Spraying technology

目 录

第1章 概述 5

1.1研究目的和研究意义 5

1.2 WC基涂层的常用制备方法 6

1.3 WC基涂层的特性 9

第2章 船舶螺旋桨空蚀失效机理分析 10

2.1空蚀 10

2.1.1空蚀危害 10

2.1.3空蚀过程 10

2.2船舶螺旋桨空蚀失效机理分析 11

2.2.1船舶螺旋桨的工作环境 11

2.2.2螺旋桨空蚀的原因及影响 11

第3章 提高船舶螺旋桨使用寿命的方法 11

3.1避免桨叶产生空泡的措施 12

3.2调整螺旋桨的型式和工况 13

3.2.1螺旋桨型式的选取 13

3.2.2螺旋桨设计工况的选取 14

第4章 船舶螺旋桨抗空蚀涂层设计及制备 13

4.1金属材料表面抗空蚀涂层的制备技术 15

4.2涂层制备 16

4.2.1对基体表面腐蚀部位的修复 16

4.2.2喷涂工艺的选择 17

4.2.3试样材料的选取与制备 18

第5章 多尺度WC基涂层空蚀试验研究 19

5.1WC基涂层空蚀减重实验研究 19

5.2空泡腐蚀形貌的观察 21

第6章 结论 23

致谢 23

参考文献 24

第1章 概述

1.1研究目的和研究意义

近二十年里，由于螺旋桨功率的日益增加和大型船舶的船速的提高，螺旋桨的空蚀成为一个越快来越严重的问题。侵蚀的确切原因和特定类型的空泡和侵蚀的关系现在还没有被充分认知。根据所学知识，侵蚀的危险和几种特定类型的空泡有关，这个可以通过计算和模型测试可以得出来。因船舶螺旋桨是一个在水中扭转复合运动的机械, 其庞大水平远大于水翼和舵在流体中的空泡征象。随着社会竞争现状愈加激烈，我国在每个领域范围内的发展进步都有着很大的改变，在科技水平不断发展提高的同时，也带动了其他各个行业的发展进步，在新的社会时代背景下，金属涂层材料在人们的生活和工作中以各种形式得到了广泛的应用，随着时间的推移人们在金属材料的抗空蚀方面逐渐取得了突破性的成就和进展。

在不断地提高零部件成本的条件下，较大程度地提高船舶螺旋桨零部件的抗空蚀性能，设计并且运用优良性能的抗空蚀涂层也随着表面处理技术的进步，成为了今后抗空蚀涂层研究的一个重要区域。随着科学技术的进步，涉及抗空蚀的领域范围也越来越广泛，研究和探索WC基涂层在船舶螺旋桨中的应用研究，对于发电，机械化工，原子能，太空飞行，宇航，甚至生物学和医学这些领域能够带来相应的指导性的作用。

尽管存在很多为解决船舶螺旋桨空蚀问题的办法，但是仍然有非常多需要解决的问题，并且因为机械动力和流体力学等因素，这些问题会在存在未来的很长一段时间内。相比之下，更加困难的任务是预测轻度或者中度侵蚀对船舶螺旋桨或者涡轮机的经济效益的影响，为了解决存在的这些问题，基本知识的进一步了解和技术方法的改良都是必不可少的。不过可以说明的是，模拟实验将会是而且未来也一直会是预测空泡造成侵蚀的唯一合理的方法，与空泡现象的详细观察无关，高速录像法和油漆试验法是目前最可靠，最实用的工具。

空蚀是一个瞬态的过程，它指的是空泡从产生、塌缩、溃灭,直到最终形成微激波、微射流,根据目前的研究现状，还不能够直接肉眼观察整个空蚀的变化过程,只有间接地测定空泡在溃灭时产生的高压和高温,以及空泡整个过程中其内部微观的物质变化。想要推测空泡溃灭时的各种物理量的改变，只能通过其空泡溃灭之后，对微型区域的环境造成的影响来决定 ,更详细准确地说，研究空泡过程需要具备瞬时、微观、高速、动态的测量技术。和在空泡侵蚀过程中涉及的流体力学、物理化学和材料科学等众多学科联系来讲,具有很紧密的联系性与结合性,就像简单地光从材料及其表面的力学性能出发来讲,不能够得到控制空蚀的关键方法一样，从单一的角度出发不能够全面详解它的演变规律,就很难得到解决问题的主要方法。因此,需要组织涉及较多学科化的研究团队,从最基础的研究方面开始，慢慢深入研究就空泡从形成、塌缩、溃灭,直到最终形成微激波、微射流整个的瞬态过程,以及和此瞬态过程相关参数之间的联系,给出明确的研究和解释。

我国至今在空蚀的有关方向没有得到一套完整的理论和微观的物理模型，对空蚀的研究是一个相对非常复杂的过程，光靠着研究宏观材料是不可取的，要进行多角度，多方面的总结和实际的考察研究，把其他的学术研究与之联系起来，详细更深层次地对问题探索，对表面涂层材料的抗空蚀研究以及相关的研究有着关键性的一步。