摘 要

螺旋桨是船体的重要推进部件，空蚀可以使螺旋桨的效率严重下降，功能涂层的应用是目前抗空蚀的主要手段。本文通过空蚀现象从不同的几个方面分析了船舶螺旋桨的空蚀机理，介绍了几种提高螺旋桨使用寿命常用方法，在几种方法中选择了抗空蚀涂层进行研究。根据目前抗空蚀涂层的研究成果，简单地介绍和比较了几种抗空蚀涂层，从中选择了WC基抗空蚀涂层进行分析，介绍和比较了WC基涂层的制备工艺。本文重点研究了用超音速火焰喷涂技术制备的微米和微纳米结构的WC-10Co-4Cr涂层，并通过JP8000超声波空蚀试验设备进行了空蚀实验。通过实验得到两种涂层的体积损失以及空蚀率，分析涂层在3.5% NaCl溶液中随着时间推移的空蚀程度，进而比较微米和微纳米结构的WC-10Co-4Cr涂层在NaCl溶液中的抗空蚀的性能。实验结果表明：用HVOF制备的微米和微纳米结构的WC-10Co-4Cr涂层相比较，微纳米结构的WC-10Co-4Cr涂层在NaCl溶液中的累计损失和空蚀率更小，其抗空蚀的性能更加优异。微纳米WC-10Co-4Cr涂层在抗空蚀领域的应用也将日益广泛，其对于当前社会抗空蚀领域的研究具有一定的借鉴和参考意义。

关键词：螺旋桨 ；空蚀；HVOF；WC-10Co-4Cr涂层

Abstract

Propeller is an important propulsion component of ship hull. Cavitation erosion can seriously reduce the efficiency of propeller. The application of functional coating is the main means to resist cavitation erosion at present.In this paper, the cavitation mechanism of marine propeller is analyzed from different aspects through the phenomenon of cavitation erosion. Several common methods to improve the service life of propeller are introduced. The anti-cavitation coating is selected to study in several methods. According to the current research results of anti-cavitation coatings, several anti-cavitation coatings are briefly introduced and compared. WC-based anti-cavitation coatings are selected for analysis, and the preparation process of WC-based coatings is introduced and compared. In this paper, the WC-10Co-4Cr coatings with micro-and micro-nano-structure prepared by supersonic flame spraying technology were studied, and the cavitation experiments were carried out by JP8000 ultrasonic cavitation test equipment. The volume loss and cavitation rate of the two coatings were obtained through experiments. The cavitation degree of the coatings in 3.5% NaCl solution was analyzed over time, and then the cavitation resistance of WC-10Co-4Cr coatings with micro and nanostructure in NaCl solution was compared. The experimental results show that the cumulative loss and cavitation rate of WC-10Co-4Cr coatings prepared by HVOF are smaller than those of WC-10Co-4Cr coatings prepared by HVOF, and the cavitation resistance of WC-10Co-4Cr coatings prepared by HVOF is better than that of WC-10Co-4Cr coatings prepared by HVOF. The application of micro-nano WC-10Co-4Cr coating in the field of anti-cavitation will also be more and more extensive, which has certain reference significance for the current research in the field of anti-cavitation in society.

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

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究背景 1

1.1.1空蚀现象 1

1.1.2空蚀概念 1

1.1.3空蚀危害 1

1.2国内外空蚀防护的研究现状 2

1.3本文的主要研究内容及意义 3

1.4本章小结 3

第2章 螺旋桨空蚀机理及提高其使用寿命的方法 4

2.1螺旋桨失效机理 4

2.2空蚀的影响因素 5

2.3提高螺旋桨使用寿命的方法 6

2.3.1 优化螺旋桨结构 6

2.3.2合理的选材 6

2.3.3提高加工精度 6

2.3.4采用抗空蚀涂层 7

2.4本章小结 7

第3章 船舶螺旋桨抗空蚀涂层的设计 8

3.1常见的抗空蚀涂层材料 8

3.1.1铁基合金 8

3.1.2镍基合金 8

3.1.3钴基合金 8

3.1.4 WC基合金 9

3.2本实验采用的涂层材料 9

3.3抗空蚀涂层的热喷涂制备技术 9

3.1.1冷喷涂 10

3.1.2爆炸喷涂 10

3.1.3等离子喷涂 10

3.1.4超音速火焰喷涂 11

3.4涂层试样的制备 12

3.4.1设备的选择 12

3.4.2涂层试样的制备方法 12

3.5本章小结 14

第4章 WC基抗空蚀涂层的抗空蚀性能研究 15

4.1空蚀试验的主要设备 15

4.2试验参数的设定 16

4.3试验的具体步骤及注意事项 16

4.3.1试验步骤 16

4.3.2注意事项 17

4.4实验数据的处理 17

4.5本章小结 20

第5章 总结 21

致谢 22

参考文献 23

第1章 绪论

1.1课题的研究背景

1.1.1空蚀现象

从19世纪开始，随着造船业的发展和兴起，船舶螺旋桨的空蚀现象造成的危害进一步的凸显。对于空蚀成因，一些学者通过不断地研究提出了自己的见解。Euler第一次发现当水管局部的压力变为负值的时候，就会出现管内壁和水分离的现象，通过这种现象它首次预测了空化的发生，同时他也指出要避免这种现象的发生。1897年，Barnaby和Parsons研究调查了两起关于船舶螺旋桨在使用过程中效率持续下降的事件后，指出了当固体和液体在高速运动的环境中有可能会出现空化的现象，同时这也是人们第一次明确的提出的空化的概念。由于空化过程形成的空泡会在高压部位溃灭，如此反复会造成材料的疲劳破损和表面剥蚀，造成空蚀现象。

空蚀现象经常会出现在很多流体机械的局部，船舶上有很多的流体部件。螺旋桨在运作时，相对于液体介质有很大的局部速度，因此其空蚀现象也最为明显。在20世纪以后，各种过流部件的空蚀问题造成的危害的同时也受到人们的重视和研究，经过不断的努力探索试验和研究，国内外学者相继提出了一系列的理论和抗空蚀方法^[1] 。

1.1.2空蚀概念

空蚀是发生在水泵、船舶螺旋桨、水轮机、高水头泄水建筑物以及其他水利机械过流部件的局部表面上的破坏现象。在流动的液体中，由于某种原因导致局部的压力迅速下降到比气化压力还小时，就会空化形成空泡。当空泡随着流体进入压力较高的区域时就会发生溃灭,如此液体内部压力不断起伏，机械的金属表面就会受到源源不断的高压力的冲击，随着时间的推移这将导致疲劳破损，甚至表面剥蚀，这个过程就是空化剥蚀，简称空蚀，又称之为气蚀^[2-3]。

1.1.3空蚀危害

空蚀是造成现在许多行业如造船、液压、宇航、化工等发展的主要障碍之一。过流部件如汽轮机、泵、船舶螺旋桨等的使用性能和寿命长期以来都遭受空蚀的严重影响。对汽轮机而言，空蚀可以使涡轮效率较低，降低其输出功率。在此同时，还会产生剧烈的震动和噪音。这对国内外水电站和国家电网造成巨大的威胁，并且会造成十分惊人的能源和材料损失^[4]。汽轮机在受到空蚀侵害时，不但会使自身效率变低而且会严重影响其他机组的正常运行，这便会使整个系统的可靠性能降低。螺旋桨空蚀过程会产生空泡，这种空泡的产生的过程会造成压力的脉冲，从而导致船体形成严重的振动和噪音。在现在这个对舒适度，精准度和经济效益要求高的时代，振动和噪声的降低显得格外重要，比如在豪华游轮和军舰上，由于空蚀产生的振动和噪声就会影响船员的舒适度，甚至威胁到生命安全。另外，螺旋桨上的空泡会不断的溃灭，此过程会直接侵蚀叶片和破坏螺旋桨，这对螺旋桨的耐蚀性产生严重的影响。我国是幅员辽阔的大国，有大量的内陆淡水河流和湖泊，海洋船舶行业也在日益繁盛。在水中运行的流体机械更是难以计数，每年因空蚀造成的损失难以估量，所以，研究流体部件在水中的空蚀情况并找到合适的解决措施势在必行。

1.2国内外空蚀防护的研究现状

因为空蚀牵涉复杂的条件，如液体的流动条件、液体的化学和物理特性、流体部件的材料反应等,因此空蚀的研究是一个多学科的问题。到目前为止也很少见到一些著作和文章来完整地系统地分析上面的这些造成空蚀的因素，也只是在一些单独的方面进行实验分析。这种研究现状不容乐观,但近年来由于相关国际组织的重视并且不断的定期开展空蚀研讨以及计算机行业的发展,新的试验手段不断提高,研究进展非常迅速。Hiromi和Mochizuki通过在不同温度海水中的空蚀试验，提出了虽然材料的种类不同，但它们的体积损失率会随温度的升高变化有一样的变化规律。

通过国内外的科研人员对于过流部件抗空蚀的广泛研究发现空蚀现象一般发生在过流部件的材料表面，因此，表面涂层技术也是当前抗空蚀技术中最为重要的部分和研究的对象，表面涂层的技术的研究主要有涂层制备工艺和涂层材料这两个大的方面。涂层的制备工艺是多种多样的，目前抗空蚀涂层的主要制备方法包括等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂和冷喷涂、激光熔覆等^[5]。涂层的抗空蚀性能与很多因素有着密不可分的关系，比如材料本身的性质和它的制备方法。目前，在很多的工程设备上都能见到WC基抗空蚀涂层，是缘于其优越的抗空蚀性能。根据目前的研究现状，WC基涂层主要包括WC-Co和WC-Co-Cr两个系列。添加Co和Cr起着至关重要的作用，添加Co补偿其韧性，而Cr的加入增强了涂层的耐腐蚀性^[6]。研究表明，WC粉末颗粒的适当细化不但会使涂层的组织结构更加紧密而且会明显提高涂层的力学性能和电化学性能。在国内外学者的不断研究过程中，涂层粉末粒度从最初的微米级到亚微米再进展到纳米级。丁彰雄研究分析了在NaCl介质中几种系列的Ni基合金抗空蚀涂层的耐蚀性^[7]。Steller^[8]总结的一些实验结果已经得到了广泛的应用，如在在液体介质中添加添加剂改善液体成分以减缓空蚀、在易发生空蚀的金属表面涂上保护涂层和采用阴极保护的方法等。Sihma^[9]等人通过实验发现：在稳定区，流体部件的空蚀率不仅会迅速下降而且其外观也会发生显著的变化。Ji^[10]已经指出，材料空蚀的严重程度和它所处的环境有着重要的关系，在腐蚀空间中冲入惰性气体会在很大程度上减缓空蚀的程度。

1.3本文的主要研究内容及意义

本文研究的内容包括船舶螺旋桨的空蚀失效机理分析；评价提高船舶螺旋桨使用寿命的方法；船舶螺旋桨抗空蚀涂层设计；WC基抗空蚀涂层的HVOF制备工艺；WC基涂层空蚀试验研究五个方面。目前国内外对于空蚀的机理及影响因素的研究都是大同小异，因此本文更加侧重对WC基抗空蚀涂层的设计和制备工艺以及其应用性能进行阐述。

空蚀是一个非常复杂的过程，到目前为止，一个比较完整的理论体系尚未建立。尤其是对特定的材料在不同的外界环境下空蚀情况的细致研究较少，本文研究的 WC基抗空蚀涂层设计及HVOF工艺方法，对其领域的研究具有一定参考意义。

1.4本章小结

本章介绍了空蚀的现象、概念和危害，同时介绍了国内外空蚀防护的研究现状及其研究趋势，并且阐述了课题研究的背景和研究意义。

第2章 螺旋桨空蚀机理及提高其使用寿命的方法

2.1螺旋桨失效机理

螺旋桨是船舶的重要推进部件，为船舶的向前运动提供推力。螺旋桨材料对其工作性能的影响非常重要。长期以来，铜合金已用于船用螺旋桨材料，其中镍铝青铜是优选的材料。镍铝青铜具有优异的抗应力腐蚀开裂性，耐腐蚀疲劳性，抗气蚀性，耐腐蚀性和抗海生物污染性。镍铝青铜在耐海水腐蚀性方面远远超过不锈钢和黄铜，优于锰青铜;它在抗腐蚀性方面也远高于黄铜，并且其抗气蚀性能非常好。镍铝青铜还具有优异的导热性，导电性，良好的耐磨性，可焊性和低成本。并且，对于螺旋桨的选材人们还在不断的探索。

螺旋桨空蚀前后的形貌如图2.1和图2.2所示。

图2.1 螺旋桨空蚀前的形貌 图2.2 螺旋桨空蚀后的形貌

图2.1 螺旋桨空蚀前形貌 图2.2 螺旋桨空蚀后形貌

螺旋桨在流体中工作时，在叶片的局部容易发生空蚀。压力在叶片两面的变化是不一样的，在叶片正面上升背面下降，当背面局部的压力下降到饱和压力时就会产生空泡。在形成空泡到最后空泡的破灭的过程中会有能量的传递，这就会使螺旋桨叶片在受到持续脉冲压力下使其表面发生侵蚀。空蚀的机理的分析要视金属表面遭受破坏的形势而定，液体和固体颗粒的冲击对金属表面造成的损失破坏是不一样的。目前，已经研究出的有关金属表面空蚀损失破坏的机理理论有：热学作用、化学腐蚀作用、电化学作用和机械作用等。机械作用是目前学者公认的解释空蚀破坏的主要理论，但也并没有否认其他机制对空蚀破坏的促进和辅助作用。当然，在具体的情况下还是要根据空蚀环境和空蚀材料本身而定^[11]。

1. 热学作用：该理论认为，空泡在溃灭的时候会伴随有生瞬时的高温，而当溃灭发生在材料表面时有可能会是材料局部加热达到熔点，使材料的力学性能恶化。但是该理论中是高温气体和固体材料表面接触的过程至今未得到观察和证实，因此而存在争议。
2. 化学腐蚀作用：空蚀会产生相应的力学效应，当金属表面与腐蚀介质相接触产生的腐蚀产物的时候，腐蚀产物会在力学效应的作用下进一步对金属表面产生腐蚀作用，这就是所谓的二次腐蚀。由此可以发现，化学腐蚀和机械空蚀作用具有互相促进的协同效应，腐蚀会在一定程度上加速空蚀的发生，而空蚀则会加速金属表面的进一步腐蚀。
3. 电化学作用：该理论认为，在金属材料发生空蚀的部位和未发生空蚀的部位会存在一个电位差，这也就意味着流体部件变成了一个电化学电池。孙冬柏^[12]等人通过实验验证空蚀也有可能会发生在绝缘材料，这也就证实了空蚀产生的必要条件并不是化学腐蚀和电化学腐蚀。
4. 机械作用：有研究学者发现，空泡在在遇到高压发生溃灭时会伴随有强烈的冲击波和高速的微射流（这个速度可能会达到可达1000 m/s）。研究者认为产生空蚀的主要原因是由于冲击波会使固体材料表面发生塑形形变，并且在冲击波的反复作用下金属材料会疲劳破坏，同时高速的微射流带来的强烈的冲击力会使材料表面受到严重的影响，类似与“水锤”的破坏行为。

2.2空蚀的影响因素

空蚀的影响因素要从内因和外因两个方面来考虑，即空蚀环境和空蚀材料。

空蚀环境的影响主要有温度、溶液的流速、压强等因素。空蚀过程是热与化学以及机械作用一同作用的结果。当温度变化时，空蚀介质的物理性质也会随之发生变化，如密度、压强、表面张力等。当温度在腐蚀介质的沸点的一半时，材料的腐蚀作用是最大的，在此之前腐蚀量会随着温度的升高而逐渐增加，但当温度大于其沸点的一半时，腐蚀量又会逐渐减小，因此腐蚀量随温度的变化呈现“先增大，后减小”的趋势^[13]。液体介质的流速也会影响空蚀发生的速度，因为压强的会随液体流动的快慢发生变化，而压强的变化会影响空泡的稳定性，当压强变化剧烈时就会加速空蚀的整个过程。

材料的特性明显影响其发生空蚀的严重程度。材料的空蚀过程是由热学作用、化学腐蚀作用、电化学作用和机械作用共同作用的结果。在机械作用过程中，空蚀材料的物理性能对其有非常重要的作用，如强度，硬度和开裂韧性等。在电化学作用和化学作用中，材料是否容易形成致密的氧化膜进而保护材料表面是一个重要的因素。在热力作用过程中，材料的力学性能是否能在受热的情况下保持稳定，这密切关系到材料的腐蚀程度和速度。除此之外，该材料的表面粗糙度也影响空蚀的速率，表面粗糙促进空化进而促进空蚀的发生，表面光滑则会延缓空化，并减少空蚀现象。因此，具有优异的抗空蚀性能的一系列材料的开发是预防和解决空蚀问题的关键，也是当前相关研究人员关注的焦点。

空蚀是一个相当复杂的问题，而且对金属材料的抗空蚀性能影响的因素也很多，目前也尚未形成一个统一的定论。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：