摘 要

海洋装备在恶劣的海洋环境中受到空蚀作用而遭到严重破坏，造成巨大的经济损失。目前，抗空蚀材料的研发和应用是解决空蚀问题最直接有效的途径。

本论文以研究Ni基合金喷熔层在海水中的抗空蚀性能为核心，采用氧乙炔火焰喷熔制备工艺，在304不锈钢上制备Ni60、Ni60Mo、Ni55Mo三种不同成分的Ni基合金喷熔层试样。对此三种试样进行空蚀试验，并用三维显微系统对喷熔层空蚀表面显微观察，分析研究其抗空蚀性能的优劣与抗空蚀机理。

空蚀试验表明Ni基合金喷熔层具有良好的抗空蚀性能，其中Ni55Mo合金喷熔层的抗空蚀性能最为优异。在加入了Mo元素的Ni基合金喷熔层的抗空蚀性能明显提高。

对空蚀表面进行显微观察发现，材料脆弱部位开始反复遭受到空泡冲击形成空蚀源，然后向四周散开，最终形成麻点、空蚀坑破坏整个表面。Ni基合金喷熔层存在大量的细晶粒边界，起到了缓冲应力的作用，疲劳裂纹不容易扩展，进而不会殃及其他晶粒脱落，从而提高韧性及塑性，显著强化合金基体，起到了抗空蚀的作用。

关键词：空蚀；Ni基合金；氧-乙炔火焰喷熔；显微形貌

Abstract

The marine equipment is severely damaged by the cavitation erosion in the harsh ocean environment. It cause huge economic losses. At present, the development and application of anti-cavitation materials are the most direct and effective way to solve the problem of cavitation erosion.

In this thesis, the study base on Ni-based alloy sprayed coating’s anti-cavitation performance in the seawater.Ni60, Ni60Mo and Ni55Mo three different components of Ni-based alloy were made on the 304 steel substrate by oxy-acetylene flame spraying. The cavitation erosion experimental were carried out on the three samples, then observed the erosion surface of spray coating by 3d microscopy system. Analyze the anti-cavitation performance and the mechanism of cavitation erosion.

Cavitation experimental show that the Ni-based alloys sprayed coating have nice anti-cavitation performance, in which the anti-cavitation performance of Ni55Mo alloy coating has the most anti-cavitation performance than others. The Ni-base alloy sprayed coating’s anti-cavitation performance has improved significantly which is added Mo element.

The 3d microscopy system’s observation of cavitation erosion surface found that the materials’ vulnerable parts are repeatedly subjected cavitation bubble shock formation cavitation source, then cavitation erosion spread to the surrounding, resulting in the entire surface are damaged by cavitation pitting. There is lot of fine grain boundary in Ni-based alloy sprayed coating, It has the effect of buffer stress, and not easy to fatigue crack extension. It will not affect other grain fall off, thus it improve the toughness and plasticity, significantly strengthened alloy substrate, so it has nice anti-cavitation performance.

Keywords：cavitation；Ni-base alloy；oxy-acetylene flame spraying；microstructure observation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题提出背景 1

1.1.1 空蚀问题 1

1.1.2 空蚀概念 1

1.1.3 空蚀破坏及危害 2

1.2 空蚀的研究现状及问题 2

1.2.1 研究现状 2

1.2.2 存在的问题 2

1.3本论文的主要研究内容及其意义 3

1.4 本章小结 3

第2章 空蚀机理及抗空蚀方法 4

2.1 空蚀机理 4

2.2 空蚀的影响因素 4

2.3 海洋装备中常见的空蚀现象 5

2.4 目前抗空蚀的主要方法 6

2.5 抗空蚀材料的研究 6

2.5.1 材料的空蚀破坏特点 6

2.5.2 常用的抗空蚀材料 7

2.6 表面涂层技术在海洋装备中的应用 7

2.7 本章小结 9

第3章 Ni基合金粉末及喷熔层的设计 10

3.1喷熔层材料成分的设计 10

3.1.1对抗空蚀材料的要求 10

3.1.2 Ni基合金粉末 10

3.1.3 海洋装备喷熔层材料的选择 11

3.1.4 本实验所采用的Ni基合金粉末 12

3.2 喷熔工艺的探讨 12

3.2.1 几种喷熔工艺的特点 12

3.2.2 本试验采用的喷熔工艺设备及参数 14

3.3 喷熔层厚度的设计 15

3.4 试样的制备 16

3.4.1 试样材料 16

3.4.2 喷熔前的准备工作 16

3.3.3 喷熔层的后处理 17

3.5 本章小结 17

第4章 Ni基合金喷熔层抗空蚀性能研究 18

4.1 空蚀实验装置 18

4.2 超声波振动空蚀发生装置概况 20

4.3 Ni基合金喷熔层抗空蚀性能研究 22

4.3.1 空蚀试验方案 22

4.3.2 试验结果记录及分析 23

4.4 空蚀表面形貌分析 25

4.5. 喷熔层抗空蚀机理探讨 26

4.6 本章小结 27

第5章 结论 28

5.1 本文的结论 28

5.2 对今后工作的建议 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 课题提出背景

1.1.1 空蚀问题

19世纪后50年代，是蒸汽轮机船快速发展的时期，人们发现当螺旋桨转速升高到一定程度时，船舶航行速度不但没有得到提升反而不断下降。著名科学家Reynolds对这一现象进行了解释，他认为这是因为螺旋桨表面的压强降低到一定程度吸入空气从而影响了螺旋桨的转速。在1895年，英国科学家Barnaby和Parsons在鱼雷艇上发现了螺旋桨效率严重下降的现象，之后他们第一次提出了空蚀（cavitation）的基本概念，并且分析了空蚀产生的原因是由于固-液两者之间的高速相对运动所引起的。之后，空蚀现象不断被人们发现，空蚀严重破坏过流部件，影响机械性能，已经受到人们的高度关注^[1]。

随着社会经济的快速发展，人们对资源的需求也不断增加。然而陆地自然资源开采有限，海洋也已经被证实蕴含有大量的资源，人类生存和发展将会越来越多的依赖海洋。面对陆地能源的日益枯竭，各国家已经高度重视了对海洋资源的开发利用。大规模，全面的开发利用海洋资源和海洋空间，发展海洋经济已经成为各国家的重要发展战略。我国已经将开发海洋资源特别是深海资源作为的重要发展战略。开发海洋资源就需要用到大量的先进的海洋工程装备。然而，在恶劣海洋环境中海洋装备不断地遭受到破坏，其中，空蚀对海洋装备的破坏十分严重。空蚀造成了巨大的经济损失以及安全隐患，空蚀问题已成为急需解决的关键问题之一^[2]。

1.1.2 空蚀概念

关于空化空蚀现象，直到现在人们还没有给出一个简明而又准确的定义。一般在流动的液体中，由于某种原因致使液流中局部区域的压力突然降低至与此区域液体温度相应的汽化压力以下时，部分液体就会被汽化，这些溶于液体中的气体逸出就形成了液流中的气泡(又称空泡)，这一过程被称为空化。当这些空泡随着液流进入压力较高的区域时，因失去存在的条件而突然溃灭，原空泡周围的液体运动使局部区域的压力瞬间（微秒级）暴增。如果液流中不断形成、长大的空泡在固体表面附近反复不断溃灭，壁面就会遭受到巨大压力的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀，这就叫空化剥蚀，简称空蚀，又称汽蚀^[3]。

1.1.3 空蚀破坏及危害

空蚀会产生噪声和震动：在空泡溃灭时，液体质点之间会互相碰撞，与此同时也会不断地碰撞金属表面，就会发出各种频率的噪声并且引起机械的振动。空蚀会破坏过流部件的材料表面部位。在空蚀破坏初期时，受到破坏的材料表面出现麻点等空蚀痕迹，继而表面出现空蚀深坑等空蚀痕迹，严重时会直接造成材料的报废以及机械的破坏，造成巨大的经济损失和安全事故。