摘 要

空蚀现象普遍存在于流体高速机械相对运动的部件中，空蚀严重地缩短了零件的使用寿命，由此造成巨大的经济损失和能源损失。当今，过流部件抗空蚀涂层的研究已受到各国科研人员的广泛关注。

论文主要研究了微纳米WC-CoCr涂层在海洋环境中的抗空蚀性能，采用燃油型超音速火焰喷涂(HVOLF）制备了微纳米WC-10Co-4Cr涂层，在3.5%的NaCl溶液中，与304不锈钢对比进行了空蚀试验。

研究结果表明：与304不锈钢对比，微纳米WC-CoCr涂层具有良好的抗空蚀性能，是良好的抗空蚀涂层材料。研究结果对微纳米WC-CoCr涂层的抗空蚀研究具有重要的指导意义。

关键词：微纳米WC-CoCr；抗空蚀；超音速火焰喷涂

Abstract

The phenomenon of cavitation is commonly found in the parts where the fluid is moving in a high-speed machine. The cavitation severely shortens the service life of the parts, resulting in huge economic losses and energy losses. Nowadays, the research on the anti-cavitation coating of the flow-through components has been paid close attention by researchers from various countries.

The paper mainly studied the anti-cavitation performance of micro-nano WC-CoCr coating in marine environment. The micro-nano WC-10Co-4Cr coating was prepared by fuel-type supersonic flame spraying (HVOLF) in 3.5% NaCl solution. Cavitation tests were performed in contrast to 304 stainless steel.

The results show that: compared with 304 stainless steel, micro-nano WC-CoCr coating has good resistance to cavitation erosion, and it is a good anti-cavitation coating material. The research results have important guiding significance for the study of anti-cavitation erosion of micro-nano WC-CoCr coatings.

Key Word:Micro-nano WC-CoCr;Anti-cavitation;Supersonic flame spraying

目 录

1. 绪论...................................................................................................................................1

1.1 课题研究的背景和目的......................................................................................................1

1.2 海洋装备零件的空蚀现象..................................................................................................1

1.3 空蚀的失效机理..................................................................................................................2

1.4 国内外的研究现状..............................................................................................................3

1.5 本论文的选题意义..............................................................................................................4

1.6 研究内容..............................................................................................................................4

1.7 本章小结..............................................................................................................................4

1. 微纳米WC-CoCr涂层抗空蚀涂层的设计.......................................................................6

2.1 涂层材料的选择..................................................................................................................6

2.1.1 镍基合金.......................................................................................................................6

2.1.2 钴基合金.......................................................................................................................6

2.1.3 铁基合金.......................................................................................................................7

2.1.4 碳化钨基金属陶瓷.......................................................................................................7

2.2 微纳米WC-CoCr涂层的制备工艺......................................................................................7

2.3 对WC颗粒尺寸与微纳米WC-CoCr涂层组织和性能的研究............................................8

2.4 本章小结............................................................................................................................11

1. 微纳米WC-CoCr涂层的制备.........................................................................................11

3.1 喷涂工艺选择....................................................................................................................12

3.2 喷涂方法............................................................................................................................13

3.3 涂层制备............................................................................................................................13

3.3.1 基体式样.....................................................................................................................13

3.3.2 涂层制备.....................................................................................................................13

3.3.3 参数的选择.................................................................................................................14

3.4 本章小结............................................................................................................................15

1. 微纳米WC-CoCr涂层空蚀试验研究.............................................................................16

4.1 空蚀试验设备....................................................................................................................16

4.2 空蚀试验设备参数............................................................................................................16

4.3 涂层抗空蚀性能研究........................................................................................................17

4.3.1 试验步骤及操作规范.................................................................................................17

4.3.2 试验结果记录.............................................................................................................18

4.3.3 试验结果分析.............................................................................................................20

4.3.4 微纳米WC-CoCr涂层空蚀机理分析.........................................................................21

4.4 本章小结............................................................................................................................22

1. 论文总结.........................................................................................................................24

5.1 本文总结............................................................................................................................24

参考文献.......................................................................................................................................25

致谢...............................................................................................................................................26

1. 绪论

空蚀是海洋装备零件最常见的失效形式之一，空蚀一直影响船舶海洋装备零件的性能和寿命，威胁船舶航行的安全，故当今对海洋装备零件抗空蚀性能的研究尤为受关注。本文旨在海洋环境中抗空蚀性能研究以及微纳米WC-CoCr涂层抗空蚀性能研究，获得一种优良的抗空蚀涂层。

• 1. 课题研究的背景和目的

空蚀也被称为气蚀，并且空蚀现象通常在相对高速的流体机械中被发现，例如螺旋桨的尾轴，螺旋桨叶片表面和离心泵等。长时间以来，空蚀严重影响水流部件如水泵、涡轮机、泵系和船舶螺旋桨的性能和使用寿命。因此，国内外研究的热点课题一般都有空蚀现象。我们平常把液体内部局部压力下降，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴（空泡）的构成、成长和溃灭的过程，叫做空蚀。今天的表面涂层合金材料是当今抗空蚀材料的重要研究内容之一。这篇文章旨在研究微纳米WC-CoCr涂层在海洋环境中的抗空蚀性能。

随着国家对船舶越来越多的关注，海洋装备零件抗空蚀的研究已受到各国科研人员的密切关注，但对抗空蚀材料的研究相对较少。由于空蚀只发生在表面，随着表面工程技术和涂层材料的发展，特别是纳米、微纳米材料，表面改性和材料涂层处理是目前最有效的方法。

本文以空蚀机理为根据，对比微纳米WC基材料和304不锈钢的性能特性，采取燃油型HVOF工艺，制备出了微纳米WC-10Co-4Cr涂层，并探讨这种涂层和304不锈钢在3.5%NaCl溶液中的抗空蚀性能，通过对比得出微纳米WC-CoCr涂层在海洋环境中的抗空蚀性能。

1.2 海洋装备零件的空蚀现象

海洋装备零件的空蚀现象普遍存在于高速流体机械、泵系、轴系等相对运动零部件中。在船舶航行的期间，如果这些部位发生严重的空蚀损伤，会严重损害船舶的正常航行，降低设备的寿命，甚至可能造成重大的经济损失和能源损失以及人员的伤亡。海洋环境中常见的空蚀现象有：

1. 离心泵的空蚀

离心泵是船舶上必要的设备。当离心泵工作时，泵中的液体由于离心力的作用随叶轮一起转动，并发生必然的速率和压力。若液体蒸汽压力不小于泵内最低压力点处的压力时，流体就会开始蒸发并汽化，发生空泡。当这些空泡进入高压区时，空泡里面的蒸汽瞬时冷凝成液体使空泡破裂，从而发出巨大的瞬时冲击力，使泵中流道材料遭到损害，同时，离心泵会产生振动和噪声，使离心泵的工作效率降低，也会影响其性能和寿命。

1. 船舶螺旋桨的空蚀

船舶螺旋桨是船舶必不可少的动力设备。船舶螺旋桨若发生空蚀，螺旋桨的附着气泡对桨叶材料剥蚀、脱落，产生剧烈的噪声会使船体加剧振动，影响船舶的水动力性能，对船舶的航行产生影响。

1. 船舶尾轴的空蚀

船舶尾轴的空蚀现象发生部位通常在轴承间隙和沟槽中，船舶尾轴在振动过程中与轴承的间隙是不断变化的，且是没有规律的，因此经过该部位的润滑水会汽化，产生很多空泡，空泡在进入高压区时冷凝破裂，从而发出巨大的瞬时冲击力，作用在尾轴使其不断剥蚀、脱落，影响尾轴的性能和寿命。

1. 柴油机气缸套的空蚀

空蚀现象在高速、大功率柴油机气缸套中是普遍存在的，因为其具备重量轻、转速快的特色，发生的空蚀的结果难以预料。如柴油机产生严重的空蚀现象时，可能引起柴油机运动部件产生异常磨损，甚至会出现拉缸等故障。

1.3 空蚀的失效机理

空泡在随液体活动过程当中，碰到四周压力增大时，体积会急剧缩小或溃灭。因为空泡溃灭进程发生于刹时(微秒级)，因此在局部发生极高的瞬时压强，当溃灭发生在固体概况四周时，流体中不竭溃灭的空泡所发生的极高压强的反复作用，金属部件表面受到严重破坏，这类现象称为空蚀，又称气蚀。

空蚀失效机理十分复杂，当前主要存在以下几种空蚀失效机理：

1. 冲击波作用

运动到高压区的空泡被压缩，泡内的非溶解气体在空泡被压缩到最小尺寸时导致空泡急速反向膨胀，气泡在被压缩时储存了一定量的势能，气泡在反向膨胀的末期突然溃灭，势能被释放并转换成为周围区域内流体质点的动能，数量众多的空泡溃灭导致流体内部产生对壁面的冲击波并不断冲击壁面金属。

1. 微射流冲击

微射流冲击理论认为，局部区域的压力增大使不同部位的气泡并不在同一时间溃灭。距离金属壁面较远的气泡先溃灭，间隔金属壁面较近的气泡后溃灭，气泡溃灭的先后顺序致使流体内部发生了面向金属壁面的微射流，并在刹时打击壁面的金属材料。但是，部分研究者认为：微射流导致的冲击仅发生在较小的范围内，距离金属壁面较近的气泡才能产生较显著的微射流冲击作用。

1. 液滴冲击

流体中的液滴具有一定的动量，当液体撞击到相对高速运动的金属部件上，对部件表面产生极大的正应力，液滴的反复撞击使材料产生塑性变形和加工硬化，导致金属材料形成明显的凹坑。

1. 化学腐蚀

化学腐蚀理论认为，产生空蚀破坏时，空泡溃灭的机械打击致使金属表面的保护膜被破坏。气泡随流体流动到高压区时被挤压，气泡溃灭会释放热能使材料表面局部温度升高，冲击波和温升的共同作用导致部分金属材料表面生成氧化膜，氧化膜在遭受气泡溃灭造成的冲击应力下周期性地生成与剥落，化学腐蚀加剧了空蚀过程中的金属疲劳破坏，空蚀的机械冲击为化学腐蚀提供了条件，化学腐蚀和空蚀作用相互激发和促进。

1. 电化学作用

电化学作用理论认为，由于热电效应，空泡溃灭导致的局部金属温升造成金属的电子随着温度梯度而产生转移，致使电化学腐蚀现象的发生。孙东柏等认为已发生空蚀的区域会与未空蚀区域之间产生了不均匀的电极电位，形成了电势差并产生电化学腐蚀。

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