摘 要

随着全球经济贸易的腾飞，船舶航运需求日益增加，螺旋桨作为船舶主要的推进装置之一，其工作状态对航行运输起着至关重要的影响；在海洋环境中，螺旋桨的运行工况十分恶劣，遭受严重的空蚀破坏；螺旋桨的空蚀失效主要表现在过流表面材料的缺失、磨损、穿孔、开裂等，其运行效率锐减，损耗严重的现状已引起了各国研究人员的密切关注和专家教授们的深入研究。

本文采用超音速火焰喷涂技术分别制备出微米和纳米结构WC-10Co4Cr涂层，通过超声波振动空蚀发生装置，对微米、纳米结构WC-10Co4Cr涂层以及304不锈钢基体分别进行空蚀试验。测量三种试样的空蚀失重，通过数据分析处理，计算出三种试样的体积损失率，并比较了不同试样空蚀形貌之间的差异。

分析空蚀数据以及空蚀形貌得出：WC-CoCr涂层对试样抗空蚀性能有着重大影响；所得结果对于WC-CoCr涂层在螺旋桨抗空蚀的应用研究中具有重要的指导意义。

关键词：WC-CoCr涂层；螺旋桨；空蚀；超音速火焰喷涂

Abstract

With the global economic and trade take-off, increasing ship shipping demand, the propeller as one of the main propulsion of the ship, its working conditions play a vital impact on the transport of navigation; In the marine environment, the propeller operating conditions are very harsh, suffered serious cavitation damage; Propeller cavitation failure mainly in the flow surface material missing, wear, perforation, cracking, etc. The operating efficiency of the sharp decline in the status quo has attracted the attention of researchers in various countries and expert professors in-depth study.

In this paper, WC-10Co4Cr coating with micro-and nanostructure WC-10Co4Cr coating was prepared by HVOF. The cavitation experiments were carried out on micro-nanometer WC-10Co4Cr coating and 304 stainless steel matrix by ultrasonic vibration cavitation generating device. The cavitation loss of the three samples was measured and the volume loss rate of the three samples was calculated by data analysis and the differences between the cavitation morphology of the different samples were compared.

The result shows that WC-CoCr coating has significant influence on the corrosion resistance of WC-CoCr coating. Besides, according to the conclusion above, we can speculate that WC-CoCr coating has important guiding significance for the application of WC-CoCr coating.

Key words: WC-CoCr coating; propeller; cavitation; HVOF.

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.1.1 我国船舶运输行业现状 1

1.1.2 螺旋桨在运行中出现的问题 1

1.2 船舶螺旋桨空蚀失效机理分析 2

1.2.1 空蚀及其失效机理 2

1.2.2空蚀影响因素 2

1.2.3 船舶螺旋桨空蚀失效机理 3

1.3螺旋桨抗空蚀涂层研究方法与现状 3

1.3.2 螺旋桨抗空蚀涂层研究的实验方法 3

1.3.2 螺旋桨抗空蚀涂层的研究现状 4

1.4 提高螺旋桨使用寿命的方法 5

1.4.1 避免或延缓螺旋桨叶产生空泡的措施 5

1.4.2减小环境因素对螺旋桨使用寿命的影响 6

1.4.3定期对螺旋桨进行检修与养护 6

1.5 表面工程技术 7

1.5.1表面工程技术概况 7

1.5.2表面工程技术的分类 7

1.6本章小结 9

第2章 船舶螺旋桨抗空蚀涂层设计 10

2.1抗空蚀涂层特性 10

2.2 抗空蚀涂层材料的种类 10

2.3 WC的性质 11

2.4 WC-Co及WC-CoCr的特性 11

2.5涂层厚度 12

2.6本章小结 12

第3章 船舶螺旋桨WC-CoCr抗空蚀涂层的制备 13

3.1 WC-CoCr涂层的制备 13

3.1.1 表面工程技术的选择 13

3.1.2 几种常见热喷涂工艺 13

3.1.3 喷涂工艺的选择 14

3.1.4 喷涂设备 15

3.2喷涂流程 15

3.2.1 喷前准备工作 15

3.2.2 表面预处理 16

3.2.3 喷涂工艺参数 16

3.2.4 喷涂后处理 17

3.3本章小结 17

第4章 不同尺度WC基涂层空蚀试验研究 18

4.1 超声波振动空蚀发生装置概况 18

4.2 空蚀试验其他设备 18

4.3 不同尺度WC基涂层空蚀实验 19

4.3.1 试样材料及方法 19

4.3.2 试验步骤及操作规范 19

4.3.3 试验结果记录及分析 22

4.3.4 涂层空蚀行为研究 24

4.4 本章小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2展望 26

致 谢 27

参考文献 28

第1章 绪论

1.1课题研究背景

1.1.1 我国船舶运输行业现状

新时代的篇章开启，我国为实现海洋强国的中国梦，奋力维护海洋生态资源，时刻高强度监控着海洋的环境污染，始终坚持着海洋可持续发展的战略；同时，随着时代的飞速发展，全球经济贸易大幅度提升，海洋船舶运输愈来愈扮演着至关重要的角色。为了满足航运业的迫切需求，加速海洋战略的步伐，船舶的大型化、高速化转变成业界的焦点；同时综合国力的提升使得众多国家与我国建立友好的贸易关系，船舶运输量大幅度增加，船舶投入运行量也逐渐增多，船舶制造与维护已迎来时代的高潮。

1.1.2 螺旋桨在运行中出现的问题

在船舶流体机械中空蚀失效的现象无处不在，例如最常见的水泵叶轮、柴油机中气缸套与轴瓦、用于船舶疏浚系统的泥泵以及船体尾轴和浸没在海水中的螺旋桨；这些过流部件中当属螺旋桨的空蚀最为严重。优质的螺旋桨推动了船舶稳定向前，也推动了整个航运业的稳健发展；它的空蚀失效不仅仅缩短了其自身的使用寿命，对航运业造成重大的经济损失，而且严重影响到船舶运输的安全，引起社会恐慌 ^[1]。随着航运业的崛起，船舶数量、吨位、航速等均需大幅度提升，航运载货量也愈发增加；螺旋桨在高负荷的环境下运转，其过流表面还遭受复杂海洋环境带来的严重空蚀；种种现状均给螺旋桨的正常工作运行带来极度严峻的挑战和威胁。

1.2 船舶螺旋桨空蚀失效机理分析

1.2.1 空蚀及其失效机理

据研究表明空蚀的发生要经过空泡产生过程、成长过程、空泡破灭过程以及材料表面对空泡作用的应答和材料失效过程。正是由于空蚀是由多种因素相互作用引起的，并且在空蚀过程中空泡的破灭和成长范围极其微小，腐蚀过程又一直处于高速运动的环境之下；这些众多的因素导致大家对空蚀的理论研究和物理模型的建立并不完整；但是，众多研究者一致认为空蚀失效机制主要包括以下几种：

（1）机械作用：可概括为冲击波理论和微射流理论两种；冲击波理论：空泡长大过后会发生溃灭，四周的水体会迅速补充到溃灭空间里，短暂的时间内会对空泡中心产生冲击压力波；此冲击波像周围传播，传播到固体的边界表面，就会对表面材料造成损害形成蚀坑。微射流理论：边界壁的空泡溃灭时，在流场压力梯度的作用下，气泡发生增大变形并产生高速微型液体喷射流，该微射流穿透空泡直接作用到边界表面材料上，破坏材料表面形成球形蚀坑^[2]。