HVOF喷涂的WC基涂层在船舶舵叶抗空蚀中的应用开题报告

1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1、目的及意义

21世纪以来，随着全球化进程的不断深入，大宗原料、产品、机械设备在世界范围内不断流通，在这场全球范围的大运输中，船舶运输是最主要的运输方式，而船舶的安全运行离不开船舶舵叶的正常工作，空蚀是造成舵叶失效的主要原因，舵叶失效会产生多种后果影响整个船舶的性能及寿命，所以应用抗空蚀涂层以提高舵叶的抗冲蚀和抗腐蚀性能显得极为重要。

舵叶作为船舶上一个重要的零件,其主要的失效方式是空蚀造成的舵叶表面腐蚀，舵叶承受水对其的反作用力使船舶实现转向并保持船体平衡，其性能的好坏直接影响船舶性能及寿命，然而复杂多变的海洋环境对船舶舵叶的性能造成了极大的考验，海水不定常流动中会出现空化或封闭空泡，当气泡溃灭时，巨大的冲击力会反复冲击舵叶表面，引发空蚀现象^[1]。降低空蚀对船舶舵叶表面破坏的措施包括改变空蚀区域内流体机械的材料及喷涂隔离材料，后者由于其经济性和易更换的优点得到了广泛应用。

在航运竞争日益激烈的今日，一种材料成本低，制作工艺简单，抗空蚀性能优异的涂层可以极大提升竞争力，因此研究一种高效抗空蚀涂层提升船舶性能，增加船舶寿命就成了必然，它对提升货运效率，增加利润乃至保障国防和促进国民经济高速发展都具有相当重要的意义。

1.2、国内外研究现状

超音速火焰喷涂也称为高速氧燃料喷涂（HVOF），是在20世纪80年代初在普通火焰喷涂和爆炸喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。超音速火焰喷涂过程中火焰喷射速度快，粒子在空中飞行时间短，可以显著降低其它工艺方法所伴随的氧化脱碳现象，因此尤其适合纳米结构WC-Co金属陶瓷复合涂层的制备^[2]，利用超音速火焰喷涂所制造的涂层具有低孔隙率，低粗糙度，高显微硬度，高结合强度的特性。

（1）国外研究现状分析

①Tetsuya Senda^[12]等人使用HVOF喷涂技术制备了多种不同粒度的WC-12Co粉末涂层，其中纳米级WC-12Co金属陶瓷粉末的粒度最小，受热比面积最大，熔化程度最高，粘结相化作液态将WC细粒固定其中，因而涂层的微观组织也最细密，空隙也最少。此外，粉末粒度越小涂层的显微硬度也越高，硬度分散度明显降低，分布更加均匀，使涂层的韧性与硬度均得到提高。

②G.C. Saha^[13]等人使用HVOF喷涂技术制备了微米和近纳米WC-17Co涂层，研究结果表明近纳米涂层的腐蚀速率比微米涂层低约1/3，腐蚀作用在近纳米涂层上表现为纯腐蚀，在微米涂层上表现为侵蚀-腐蚀。由于在腐蚀过程中微米涂层表面失去了WC增强剂，Co粘结剂表面空位暴露遭受直接腐蚀，这导致该位的腐蚀速率更高，另一方面，由于溶液的侵蚀-腐蚀作用致使涂层中较大的WC颗粒减少进而导致微晶表面粗糙增加。

③ Hamed Masoumi^[24]研究了磨削对热喷涂WC-10Co-4Cr涂层残余应力和结合强度的影响，结果表明研磨工艺可以提高涂层的表面光滑度。由于砂轮金刚石磨粒对涂层的机械负荷，涂层的孔隙率在磨削后增加，另一方面，由于研磨改善了涂层的残余应力，研磨后涂层的附着力、内聚强度和显微硬度都有所提高。

（2）国内研究现状分析

①丁彰雄^[10]等人利用液体燃料超音速火焰喷涂（HVOLF）技术制备了一种多尺度WC-10Co4Cr涂层，并采用SEM、XRD等分析了涂层的显微形貌与和组织结构，与双峰、纳米结构WC-10Co4Cr涂层相比，多尺度结构WC-10Co4Cr涂层的显微硬度、空隙率均不及纳米结构WC-10Co4Cr涂层，但其抗空蚀性能与抗腐蚀性能都达到了最优，而经过多种方法分析多尺度结构涂层组织与纳米结构涂层组织，测量二者的涂层力学性能，研究二者的抗冲蚀、抗磨损性能，发现它独特的多尺度结构使其具有较低涂层孔隙率和较高开裂韧性，前者决定了空蚀初期的空蚀源侵蚀数量，而后者决定空化裂纹的传播速度，尤其是较高的开裂韧性可以有效的阻止空蚀裂纹扩散，而其低孔隙率可以显著降低空化源的数量，进一步增强了材料的抗空蚀性能。

②赵辉^[9]等人采用HVOF喷涂技术制备了纳米结构与微米结构WC-12Co涂层并研究了二者性能差异，研究结果表明纳米结构WC-12Co涂层具有更优秀的抗空蚀能力，抗空蚀性能要比微米结构WC-12Co涂层高出1/3。在空蚀状态下纳米结构WC-12Co由于其纳米结构的存在粒子变形更充分，层间结合更紧密，涂层组织更致密，涂层硬度得到了提高，另一方面，得益于纳米结构的晶粒分布均匀，出现了大量的细晶粒提高了涂层的韧性及塑性，进一步提高了抗空蚀能力，而微米结构WC-12Co涂层由于相邻两相晶体结构不同出现了塑性变形不协调，导致晶粒的脆性剥落，随后引发涂层的层间剥落。

③苟国庆^[14]等人使用HVOF喷涂技术制备了普通WC-17Co涂层、纳米WC-17Co涂层与超细WC-17Co涂层三种WC-17Co涂层，其中纳米WC-17Co涂层的显微硬度、弹性向量、断裂韧性最高。纳米涂层的粉末较细密，细晶的强化作用越好，涂层的孔隙率低，涂层中残余应力大，后者有助于抑制微裂纹的扩展。另一方面，在相组成上纳米结构WC粒子尺寸细小、均匀有助于快速溶解和脱碳，进一步使得合金相的体积分数增加，而随着合金相的体积分数增加，涂层的断裂韧性也会增大。

2.1、基本内容与目标

（1）海洋船舶舵叶空蚀失效机理分析：根据船舶舵叶的材料、制造工艺和在海水中特殊的工况，对舵叶主要失效机理进行理论分析，为后续表面技术应用作准备。

（2）评价提高船舶舵叶使用寿命的方法：由于涂层材料及结构的不同其涂层性能也不尽相同，根据涂层材料及结构的异同分析不同涂层的优缺点，得出一个综合评价。

（3）船舶舵叶抗空蚀涂层设计：由船舶舵叶在海洋环境中空蚀的影响因素入手，选择合适的WC基涂层材料、结构及喷涂工艺；

（4）WC基涂层HVOF制备工艺的制定；分析涂层的材料种类、结构对涂层性能的影响，根据船舶舵叶在海洋环境中的特殊工况，制定不同舵叶涂层的制备工艺参数和涂层制备工艺流程。

（5）WC基涂层抗空蚀性能研究：对设计的涂层进行充分的实验，模拟在海洋环境下涂层受空蚀破坏的情景，收集大量实验数据，在此基础上分析WC基涂层抗空蚀性能。

2.2、拟采用的技术方案及措施

（1）在借阅相关书籍和在网上查找同类文献的基础上了解船舶舵叶在海洋中空蚀失效机理，掌握空蚀的实验方法和表征方法；空蚀实验方法包括：超声波伸缩振动空蚀法、文丘里管型空蚀法以及旋转圆盘空蚀法；空蚀表征方法包括：失重法、面积法、体积损失法、深度法、蚀坑法、时间法、表面粗糙度法等^[4]。在实验方面遇到的问题应及时相关老师请教，相关的仪器应按照说明妥善使用，对实验结果及时记录并总结归纳。

（2）通过空蚀的实验方法和表征方法分析海洋船舶舵叶空蚀失效机理^[3，5]；

①机械作用，气泡在高压区溃灭产生的“冲击波”与“微射流”会对过流部件造成剧烈的压力脉动，压力脉动会强烈压缩周围的介质而形成压力冲击波，并从溃灭中心作球状辐射波传播，使边壁材料发生塑性变形，冲击波的反复作用导致材料发生疲劳损伤和塑性变形最终导致空蚀。对于“微射流”，当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化学腐蚀作用，腐蚀介质会在金属表面形成保护层，而空蚀所造成的压力脉动会使腐蚀产物保护膜发生严重的变形和剥落，导致金属本体暴露在腐蚀介质中，该过程循环往复最终形成严重的腐蚀。而在化学腐蚀的环境下，金属的疲劳损伤更加严重，另一方面，部件表面形成的腐蚀点会起到导波作用，使空蚀产生的力学效应更加集中，进一步加速破坏过程。

③电化学作用，空蚀会使金属材料电位发生位移，空蚀坑会与周围区域之间形成强烈的电化学不均匀性，空蚀损伤区域会与未损伤区域分别形成阴极与阳极导致大面积晶间腐蚀；

④热作用，空泡中含有的非凝结气体在空泡溃灭瞬间具有非常高的温度，若热气接触到金属表面，会使得材料熔融，致使强度急剧下降，最终发生破坏。

在船舶航行时，由于舵两边压力不同，吸力面的压力会在舵底承周围产生分流导致舵梢涡，这种涡空泡溃灭会在舵叶表面或靠近表面的地方产生内爆，导致舵叶表面粗化、形成蜂窝状的蚀坑，对舵叶的性能产生影响，蚀坑在长时间的空蚀作用下会继续扩大面积和深度，一定时间过后将会发生断裂失效。

（3）在了解海洋船舶舵叶空蚀失效机理后探究空蚀的影响因素^[6,7]；

①温度和压力：温度越高、压力越低气体在液体中的溶解度越低，气穴泡越容易析出造成空蚀；

②材料的显微硬度及表面粗糙度：显微硬度决定了材料对空蚀的耐受性，表面粗糙度则决定了空蚀的发展速度，显微硬度越高，表面粗糙度越低，材料的抗空蚀能力越强；

③材料的晶粒尺寸：晶粒尺寸越小，材料的塑性变形能力越强，而在发生空蚀现象时材料会发生塑性变形，好的塑性变形能力有助于减少空蚀对材料的损坏；

④空蚀状态下材料的相变：发生空蚀现象时材料会受到巨大外力挤压，内部会发生相变，固相颗粒会进一步放大空蚀的破坏性。

（4）由船舶舵叶在海洋环境中空蚀的影响因素入手，选择合适的WC基涂层材料、结构及喷涂工艺；在涂层的材料与结构方面，抗空蚀的关键是防止气泡破裂时形成重叠凹坑，因此应采用吸收能量能力强的材料，该材料的显微硬度、断裂韧性应较高，表面粗糙度和空隙率度应较低^[8]；纳米WC-12Co涂层具优秀的开裂韧性与显微硬度，而且涂层的微观组织细密，空隙较少^[9，12]，纳米WC-17Co涂层的显微硬度、弹性向量、断裂韧性较高并具有优秀的抗腐蚀性能^[13，14]，多尺度WC-10Co4Cr涂层具有较低的涂层孔隙率和较高的开裂韧性，其中添加的Cr提高了涂层的耐腐蚀性能^[10，15]，在这三者中，多尺度WC-10Co4Cr涂层性能最为优秀，它独特的纳米结构使其具有较低涂层孔隙率和较高断裂韧性，前者决定了空蚀初期的空蚀源侵蚀数量，而后者决定空化裂纹的传播速度^[11]。在喷涂工艺方面，三种喷涂工艺中HVOLF喷涂的涂层具有低孔隙率、高显微硬度及开裂韧性的特点^[11，17]，具有优异的抗气蚀抗腐蚀性能。综上所述，应选用HVOLF喷涂的多尺度WC-10Co4Cr涂层。

（5）根据涂层的材料种类、结构特点设计工艺流程；根据船舶舵叶表面过流部件的工作条件和基本参数，确定涂层厚度、压力，选择合适的表面预处理工艺。WC-10Co-4Cr适合应用于低温条件下，其性能随温度增加呈现出先增加后降低的趋势^[16]，经过收集数据进行比较，喷角控制在60°到90°之间^[18]，喷距控制在220mm到280mm之间^[19]，涂层厚度控制在0.4mm-0.6mm的范围内^[20]，选用团聚烧结制备的粉末^[21]，所得到的涂层综合性能最佳；喷涂后进行渗氮处理可以提高涂层的抗磨损和抗气蚀性能^[22,23]。喷涂前磨削处理可以提高涂层的附着力、内聚强度和显微硬度^[24]。

图2.1 超音速火焰喷涂工艺流程

（6）对设计的涂层进行充分的实验，模拟在海洋环境下涂层受空蚀破坏的情景，收集大量实验数据，在此基础上分析WC基涂层抗空蚀性能，将理论与实践结合在一起，准备充分后完成论文。

第1~3周：完成文献综述及开题报告；

第4周：完成论文翻译工作；

第5周：分析海洋船舶舵叶空蚀失效机理；

第6周：评价提高船舶舵叶使用寿命的方法；

第7~8周：设计船舶舵叶抗空蚀涂层；

第9~10周：制定WC基涂层HVOF制备工艺；

第11~12周：研究WC基涂层抗空蚀性能；

第13~14周：撰写及修改毕业论文；

第15周：准备及进行毕业答辩。

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