摘 要

船舶艉轴的失效会带来严重的经济损失，而对其进行再制造可以延长其使用寿命，从而带来显著的经济效益。本文从船舶艉轴失效形式入手，分析船舶艉轴失效的主要原因，就船舶艉轴腐蚀原因作简要的分析，用再制造解决船舶艉轴失效问题，本文采用了高速电弧喷涂对待修复艉轴进行修复，恢复其尺寸和形状。在制备防腐蚀涂层方面，通过对于各方面材料参数的分析、比对，选择了3Cr13线材进行制备，底层材料则用Al/Ni进行制备，得出相应的防腐蚀涂层。在裂纹修复方面，通过对其产生原理的分析，采取堆焊的解决手段。在涂层加工方式上，选择了车削磨削抛光的方式，并规定了刀具选择及对应的加工参数。整体来说本文通过再制造技术，有效解决了船舶艉轴出现的失效情况，对船舶零件抗腐蚀及修复提供了方法。

关键词：抗腐蚀，船舶艉轴，再制造，失效，涂层

Abstract

The failure of ship stern shaft will bring serious economic losses, and remanufacturing can prolong its service life, thus bringing significant economic benefits. Starting from the failure form of ship stern shaft, this paper analyses the main causes of ship stern shaft failure, makes a brief analysis of the causes of ship stern shaft corrosion, and resolves the problem of ship stern shaft failure by remanufacturing. High-speed arc spraying is used to repair the repair stern shaft and restore its size and shape. In the preparation of anti-corrosion coatings, through the analysis and comparison of various material parameters, 3Cr13 wire was selected to prepare, while the underlying material was prepared with Al/Ni, and the corresponding anti-corrosion coatings were obtained. In the aspect of crack repair, through the analysis of its generating principle, the surfacing welding method is adopted. In the coating processing mode, the turning, grinding and polishing mode is selected, and the tool selection and corresponding processing parameters are specified. On the whole, through remanufacturing technology, this paper effectively solves the failure of ship stern shaft, and provides a method for corrosion resistance and repair of ship parts.

Key Words：Corrosion resistance, stern shaft, remanufacturing, failure, coating

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景、目的和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3课题研究目标、内容 3

1.3.1研究目标 3

1.3.2研究内容 3

1.4小结 3

第2章 船舶艉轴失效机理分析 4

2.1船舶艉轴的工作状态 4

2.1.1艉轴的安装 4

2.1.2艉轴的工作条件 4

2.2常见失效模式 4

2.3船舶艉轴失效原理分析 5

2.3.1艉轴断裂失效机理 5

2.3.2艉轴的腐蚀失效机理 5

2.3.3船舶艉轴腐蚀较快原因 5

2.4小结 6

第3章 船舶艉轴再制造过程分析 7

3.1待处理艉轴案例 7

3.2拆解清洗校正 7

3.3表面预加工 7

3.4零件表面预处理 8

3.5喷涂 9

3.6涂层后处理 9

3.7小结 9

第4章 船舶艉轴防腐耐磨涂层设计与制备 9

4.1涂层的工程设计 10

4.1.1涂层工件的失效机理分析 10

4.2热喷涂方法的选用 10

4.2.1热喷涂方法 10

4.2.2高速电弧喷涂技术 11

4.3热喷涂技术在船舶艉轴修复中的应用 11

4.3.1船舶艉轴修复中的涂层设计 11

4.3.2底层材料的选择 12

4.3.3涂层厚度的确定 12

4.4小结 13

第5章 船舶艉轴裂纹修复 14

5.1裂纹产生原因 14

5.2焊补修复 14

5.2.1钢制零件的焊接 14

5.2.2堆焊 15

5.3小结 15

第6章 船舶艉轴涂层加工方法及参数选择 16

6.1再制造艉轴技术要求 16

6.2再制造加工方法选择 16

6.3参数选择 17

6.4小结 17

第七章 结论 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

1.1研究的背景、目的和意义

改革开放以来，中国综合国力得到了突飞猛进的发展，特别在海运和造船领域，已经成为了世界的领先者。地球海洋面积广大，海运是联系各个国家和地区最为方便的运输方式之一，世界各个国家都有着悠久和海运历史^[1]。如今，随着科学技术的发展，船舶的制造水准和工艺也得到了前所未有的发展，更多更大排水量的船舶成为航运的主要力量，在船舶技术发展领域中船舶艉轴的发展技术水平相对较慢，还延续着本世纪中叶的主要技术，按照布置位置一般将船舶艉轴分为前后两个部分，前艉轴布置的位置在船体的内部，工作环境较为理想，维护和管理也比较简单，一般发生故障的几率比较小。而后艉轴的工作环境是海洋的水中，工作环境较为复杂，维护和管理的难度也较大，发生故障的几率也较大，作为船的动力输出装置，后艉轴如果发生故障，不仅影响船舶的使用，更容易造成润滑油液的大面积泄露，造成海洋环境的破坏和污染，因此，船舶艉轴的制造技术的提升和可靠性的提高是保证船舶安全行驶的重要基础，在以往经验基础上可以看出，船舶艉轴损害的主要原因是腐蚀磨损。

艉轴腐蚀的机理是电化学腐蚀，为了防止艉轴被海水腐蚀，可以通过采用环氧树脂对其在海水中工作的部分进行覆盖和包裹，以阻隔轴干与海水的接触。在能源越来越受到重视的今天，抗腐蚀的研究已受到各国科研人员的广泛关注^[2]。目前，根据最新的研究结果表明，采用优良的材质和对机械部件的几何形状进行更加科学的设计可以在一定程度提高部件的抗腐能力，但综合考虑加工和成本因素，涂层防腐技术由于其工艺相对降低、成本相对较低，在同等条件下依然能够延长部件的应用寿命 ^[3]。再制造工程是随着材料领域技术和加工技术不断提高而产生的新的生产手段，其主要实现途径是通过合理的参数设置和先进的技术工艺，对原以废弃的产品进行二次加工制造和修复，在保证其安全技术指标符合相关要求的技术上，实现废旧产品的二次利用，提高材料的使用寿命，降低相关成本，在具体的实践中，由于其高效、低价、环保、优质的特点，得到了更多技术人士的关注 ^[5]。船舶艉轴的生产和加工是一项复杂而昂贵的工程，对船舶艉轴的再制造能够大大的降低成本，节约生产材料，是一项重要的技术突破^[6]。船舶艉轴的再制造难点主要集中在两个方面，第一是对艉轴形状技术参数的恢复和修复；第二是如何提高其抗腐蚀能力，提高抗腐能力的关键是如何根据不同特点选择合理的涂层材料 ^[10]。本文在总结国内外学者研究的基础上重点研究不同船舶的艉轴失效机理，设计不同的涂层方案，结合实际工况，探究船舶艉轴机理，寻求最佳解决方案。

1.2国内外研究现状

船舶艉轴的失效影响因素较为复杂，有内在的材料力学性质因素，也有使用环境受力及腐蚀因素，相关专家学者也提出了不同的失效机理研究成果及修复办法。根据不同类型和磨损特点，常规上最为常用的修复方式有三种，分别为光车修复、热喷涂何堆焊（镶铜套） ^[11]。其中，热喷涂技术由于其施工的便捷性和效果较好等优势，在材料技术发展的今天得到了更好的应用。

喷涂工艺也是影响防腐效果的关键因素之一，不同的喷涂工艺产生的粘合效果、涂层品质、耐磨性能也存在的差异^[13]。艉轴的修复具有工艺复杂、对象体积较大、影响因素较多的特点，因此选择合理的喷涂工艺要充分考虑这些因素，提高喷涂的实际效果。目前，在艉轴的修复中最为常用的喷涂工艺有超音速火焰喷涂、线材火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、亚音速火焰喷涂等等。

这些喷涂工艺也有着自己的优缺点，爆炸与超音速火焰喷涂都是利用较高的初始速度提高材料的结合能力，其优点是耐磨强度较高、孔隙率较低，缺点是相对成本较高，存在较大的噪音污染，不能够在封闭空间内开展作业。亚音速火焰喷涂的涂层相关技术参数虽然赶不上爆炸与超音速火焰喷涂，但也能够满足相关技术指标，并有着一定的成本优势，在过去的实践中叶得到了一定范围的应用。电弧喷涂是所有喷涂技术中成本最低的，但是涂层的技术指标也相对较低，在相关技术人员的不断努力探索下，高速电弧喷涂逐渐弥补了电弧喷涂的缺点，兼顾了低成本和高水平两个优势，得到了更为广泛的关注和应用。

高速电弧喷涂工艺是在原有电弧喷涂工艺基础上发展而来的，相关技术研究人员通过实验对喷涂涂层的效果进行了验证，在不锈钢丝喷涂实验中，其所喷涂的涂层结合强度超过50MPa,具有较高的涂层结合强度,而且其所形成的孔隙率不超过3%,通过观察可以看到其内部的结构也是非常的均匀和紧密，表层也能够形成较好的效果。同时,高速电弧喷涂所形成的涂层其耐磨性好且硬度高^[1，9]。喷涂工艺的选择不仅要充分考虑零件的材质，还要参考其应用应力大小、涂层材料特性等因素^[14]。所在,在船舶艉轴修复中可以采用高速电弧喷涂和亚音速火焰喷涂来获得性价比较高的优质涂层。

通过研究我们可以看出，在喷涂施工中涂层的技术指标是重要的依据，同时也要充分考虑涂层和主体的结合强度^[16],在以往的施工实践中，一般可以在主体和涂层之间采用结合层，从而提高两者的结合强度^[17]。为达到更好的修复效果还需要对涂层厚度进行计算。在计算过程中要将结合层厚度也作为数据之一,同时还要考虑到母体金属和涂层的热膨胀^[14]。因此，本文主要分析其失效机理，找到适合船舶艉轴的涂层设计和制备工艺，同时实现对相关性能指标的提升，找到更加经济的修复方案。

1.3课题研究目标、内容

1.3.1研究目标

（1）分析不同船舶艉轴失效机理。

（2）为船舶艉轴的再制造制定合适的再制造工艺，恢复其尺寸和形状。

（3）针对船舶艉轴失效情况不同，优化涂层设计。

（4）分析涂层工艺、材料结构和涂层的抗腐蚀性能的关系；

（5）优化艉轴再制造工艺，解决艉轴再制造过程中磨损断裂等难题

1.3.2研究内容

（1）船舶艉轴失效机理分析；

（2）船舶艉轴再制造工艺的选择

（3）船舶艉轴再制造过程分析

（4）船舶艉轴防腐蚀材料和涂层制备工艺分析

（5）根据所选耐磨涂层，选择对应的热喷涂技术，制定合理的涂层喷涂工艺。

（6）船舶艉轴裂纹修复的方法及维修内容

（7）船舶艉轴涂层加工方法的应用

1.4小结

本章介绍了再制造在当今的应用，并结合中外的资料分析，提出对艉轴进行再制造的目标和内容，明确了之后的研究方向。

第2章 船舶艉轴失效机理分析

2.1船舶艉轴的工作状态

2.1.1艉轴的安装

艉轴是大型船舶动力输出装置与螺旋桨连接的重要部分，一般情况下两者的连接方式分为锥面结合、键连接和螺母连接等三种，铜套可以安装在艉轴的外部，从而提高其对海水的抗腐蚀能力。艉轴依靠不同类型的轴承与艉轴管实现连接，艉轴管的前后端分别与尾尖舱和船尾柱两个部分。

2.1.2艉轴的工作条件

在船体的各个工作部分中，艉轴的工作条件是相对较差的，其工作过程中不仅要承受动力输出和阻力作用而叠加形成的各种应力，还要受到海水等复杂成分的腐蚀，是船体中最容易出现故障和问题的部件之一。轴承安装的精确程度、密封效果、润滑脂的质量等因素，都对艉轴的耐磨、抗腐能力有所影响。艉轴的不同部分受到的不良影响也不尽相同，轴段最容易因为工作疲劳而造成断裂，轴颈和轴干最容易受到海水等物质的腐蚀，在日常的工作中应该结合不同部分的工作特点，有针对性的开展检测检测工作，保证艉轴工作的安全性。

2.2常见失效模式

（1）磨损失效

在实际工况下,磨损是一种复杂的、有多种因素影响和耦合形成的损伤形式，在特定的条件下，不同的因素分别起到主要和辅助作用。按照影响因素的不同，磨损可以分为粘着、磨料、腐蚀、疲劳、冲蚀等多种类型。热喷涂层可有效提高工件的抗摩擦、磨损性能,但对于不同的磨损机理,其涂层材料、结构及涂层制备工艺是不一样的。

（2）腐蚀失效

腐蚀失效: 腐蚀是造成部件损伤的又一重要影响因素，按照腐蚀介质的不同可以分为电化学腐蚀、化学和高温等类型,高温腐蚀包括金属材料在高温下的氧化、硫化、钒腐蚀及熔盐腐蚀等,其中电化学腐蚀是机械零部件遭受到的最普遍一类腐蚀。零件的腐蚀类型及腐蚀程度不仅受工件材质、热处理工艺及受力状态的影响,还受腐蚀介质种类、浓度、温度、pH值及流速等因素的影响。

（3）断裂失效

除材料强度因素外,疲劳也是造成部件损伤的影响因素。热喷涂涂层虽不能提高材料的自身强度,在一定程度上能够提高部件的抗疲劳能力。疲劳的基本损伤包括裂纹的萌生和长大,初期主要集中在材料的近表面区域。因此,通过热喷涂工艺对材料表面进行改性处理,可有效地减少材料的疲劳损伤,抑止裂纹的萌生,提高疲劳寿命,从而最大程度地防止疲劳断裂的发生。

2.3船舶艉轴失效原理分析

2.3.1艉轴的断裂失效机理

艉轴通过于传播动力装置的连接，实现动力的输出，除了扭力作用外,同时还受到由螺旋桨重量所产生的弯曲力矩,和螺旋桨的不平衡质量、附水质量和桨的水动力不平衡,这样就产生了弯曲力和扭转力。在应力作用下，加上船舶艉轴长期处于水中产生的疲劳，所以在艉轴的表面会出现裂纹。

2.3.2艉轴的腐蚀失效机理

船舶艉轴主要失效形式，多为腐蚀失效。而艉轴的腐蚀,主要是电化学腐蚀

(1)船体与海水直接接触的有艉轴、其铜套和螺旋桨，在海水里不同金属材料之间会形成点位差，金属的电化学腐蚀机理造成了电位较低的金属材料部分更容易被腐蚀。

(2)艉轴自身内部的材料也是多种的，不仅含有铁、碳等元素，还存在很多其它的元素，不同元素材料之间也会存在电位差，从而造成电化学腐蚀。

(3)腐蚀还与受力情况存在关系，受到应力影响相对较大的部分抗腐蚀的能力也就相对较弱。

(4)艉轴在其运转过程中要承受船体和动力造成了各种应力，包括拉力、压力、扭力等，不同的应力在相互叠加状态下就会形成疲劳腐蚀。同时，海水的腐蚀能力要大于空气的腐蚀能力。

2.3.3船舶艉轴腐蚀较快原因

艉轴轴承的润滑方式一般采用开放式的较多，这样的方式也就造成了艉轴长时间的与海水接触，根据艉轴结构和工作条件进行分析，造成艉轴腐蚀较快的原因可以分为以下几个方面：

(1)艉轴外部的铜套密封效果较差，以往一般采用红套工艺。某些小型船厂工艺水平较低,很多情况下其加工的部件不能够符合相关技术参数标注，也就造成了密闭的效果较差，海水会部分进入，加快腐蚀。

(2)艉轴非工作面的防腐工艺较差，相关技术参数较低。很多造船厂商通过玻璃钢对艉轴非工作面进行防腐处理，这种工艺的防腐效果较好，同时工艺相对较为简单，但很多情况下，受到人为和材料工艺影响，玻璃钢与艉轴非工作面的结合不是非常的禁锢，在长时间工作后就会开裂，海水通过开裂位置渗入，也就形成了局部穴状腐蚀。

(3)密封剂密封效果的欠佳也是造成艉轴腐蚀较快的原因之一，一般情况下桨毂与艉轴锥部通过红丹作为主要密封材料，在具体的应用中，密封效果存在一定的欠缺，造成了海水的部分侵入，加快了艉轴锥部大端的腐蚀。

(4) 润滑脂时艉轴锥体防腐的一种主要方式，润滑脂的质量好坏时决定其防腐效果的重要指标，润滑脂也是一种消耗产品，为了降低工作成本，很多厂家不适用价格较贵、防腐效果较好的无水润滑脂，而使用价格比较便宜，防腐效果一般的钙基润滑脂,这样也就降低了其防腐蚀的能力。

通过对以往腐蚀报废的艉轴的检查和总结,我们可以发现密封剂和润滑脂的选择是造成艉轴腐蚀较快的比较主要的因素。

2.4小结

本章首先主要概述了船舶艉轴的基本概念，基本的工作状态。其次对船舶艉轴失效机理进行分析，指出其失效形式为断裂失效和腐蚀失效，并对主要的腐蚀失效进行了分析。