CN103801893A

CN103801893A - 一种用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法

Info

Publication number: CN103801893A
Application number: CN201310751319.3A
Authority: CN
Inventors: 苏新勇; 刘基凯; 杨秀红
Original assignee: QINGDAO QIANJIN SHIPYARD
Current assignee: QINGDAO QIANJIN SHIPYARD
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103801893B

Abstract

本发明提供了一种用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法，包括下述步骤：A.采用电阻热能微弧堆焊设备对船舶螺旋桨表面腐蚀部位进行修复；B.采用超音速火焰喷涂设备在船舶螺旋桨表面制备陶瓷防护涂层。本发明提供的用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法，首先利用电阻热能微弧堆焊设备，对船舶螺旋桨表面腐蚀缺陷进行焊补，焊补过程中，焊材与基体可实现良好的冶金结合，且热影响区小，精度可控，维修风险低；之后利用超音速火焰喷涂设备，在船舶螺旋桨表面制备一层陶瓷涂层，陶瓷涂层硬度超强，与基体结合强度高，耐磨损抗腐蚀性能优良，可对螺旋桨表面起到长效防护作用，从而大大延长其使用寿命。

Description

一种用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法

技术领域

本发明属于金属的腐蚀修复技术领域，具体涉及一种用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法。

背景技术

船舶螺旋桨起推动船舶前进的作用，它的性能对航行影响很大。海水腐蚀、海生物污染以及意外的碰撞等都会造成螺旋桨弯曲、裂纹、缺口、腐蚀等局部损坏，当损坏严重时，就会丧失船舶推进性能。

螺旋桨的修复直接影响船舶坞修周期和维修成本。传统上，螺旋桨均使用铜质材料，在铜合金中，考虑到材料的耐蚀性和阻尼方面的要求，螺旋桨用材以高锰铝青铜和镍铝青铜为主。通常，船舶螺旋桨都采用阴极保护的方式对船体和螺旋桨进行电化学保护。尽管铜合金螺旋桨材料的性能已不断改进，设计时的安全系数也较大，但仍不能完全防止腐蚀疲劳断裂事故。螺旋桨表面异常腐蚀的影响因素是多方面的，逞复杂性，如化学、物理和生物等因素。力学因素与电化学因素的协同作用是主因，包括冲蚀磨损、应力腐蚀、空泡腐蚀及脱成分腐蚀等。同时海水中的泥沙的冲撞磨损，使得螺旋桨表面的保护膜脱落加快，促进腐蚀加剧，而蚀坑形成后，粗糙的表面又促进空泡腐蚀等情形的发生。

目前，船舶螺旋桨腐蚀后的治理，主要采用二氧化碳气体保护焊、手工钨极氩弧焊等传统焊补修复方法，其工艺操作较为复杂，控制不好会产生应力集中，造成螺旋桨叶变形，诱发螺旋桨使用中的断裂风险；同时修复后的船舶螺旋桨由于存在修复后的焊缝，其抗腐蚀性进一步降低，更容易再次发生船舶螺旋桨表面的腐蚀，因而螺旋桨修复后的长效保护也是如今的一个技术难题。

发明内容

本发明提供一种用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法，该方法热影响区小，形成的涂层表面硬度高，抗空泡腐蚀性能好，可解决螺旋桨叶面蜂窝状腐蚀缺陷修复和长效防护难题，大大提高船船螺旋桨的使用寿命。

为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法，包括下述步骤：

A、采用电阻热能微弧堆焊设备对船舶螺旋桨表面腐蚀部位进行修复；

B、采用超音速火焰喷涂设备在船舶螺旋桨表面制备陶瓷防护涂层。

进一步的，所述电阻热能微弧堆焊设备包括脉冲精密焊补系统、电火花离子微弧堆焊系统。

进一步的，所述超音速火焰喷涂设备包括煤油供给系统、氧气-空气供给系统、点火系统、水冷系统、控制系统和喷枪。

进一步的，控制系统将煤油和氧气-空气助燃剂以一定的流量输送到喷枪入口，之后经雾化喷嘴雾化混合成可燃混合气后喷入喷枪燃烧室，混合气经火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气，高温高压的燃气通过喷枪的喷嘴被加速到超音速；同时送粉系统将喷涂材料从喷嘴的低压区送入超音速区，喷涂材料经高温高速的燃气软化及加速后从喷嘴喷出，喷涂材料高速喷向船舶螺旋桨表面沉积形成涂层。

为了使得焊丝与基体结合较好，所述电阻热能微弧堆焊设备采用铝青铜焊丝进行补焊。

进一步的，所述铝青铜焊丝采用S214。

进一步的，所述铝青铜焊丝的直径为0.8~1.2mm。

进一步的，所述电阻热能微弧堆焊设备的电流为110~130A，脉冲时间为130~150ms。

进一步的，所述陶瓷防护涂层的厚度为0.15~0.20mm。

进一步的，所述超音速火焰喷涂设备采用碳化钨合金粉末作为喷涂材料。

进一步的，所述碳化钨合金粉末中钴的含量为12%。

进一步的，所述碳化钨合金粉末的粒径为15~45μm。

进一步的，所述超音速火焰喷涂设备的送粉量为5~8Kg/h。

进一步的，在步骤A之前还具有步骤A0，对船舶螺旋桨腐蚀的表面进行预处理，包括淡化、净化以及腐蚀凹坑的修整。

进一步的，在步骤B之前还具有步骤B0，对补焊后的船舶螺旋桨表面进行处理，包括船舶螺旋桨形状的修整、检测及采用喷砂方法对表面进行粗化。

本发明提供的用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法，首先利用电阻热能微弧堆焊设备，对船舶螺旋桨表面腐蚀缺陷进行焊补，焊补过程中，焊接材料与基体可实现良好的冶金结合，且热影响区小，精度可控，维修风险低；之后利用超音速火焰喷涂设备，在船舶螺旋桨表面制备一层陶瓷涂层，陶瓷涂层硬度超强，与基体结合强度高，耐磨损抗腐蚀性能优良，可对螺旋桨表面起到长效防护作用，从而大大延长其使用寿命。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明所提出的用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法的一个实施例的流程图；

图2为图1中提到的超音速火焰喷涂设备的结构示意图；

图3-图13为采用图1中的方法制备的复合涂层的相关性能检测情况；

图3为堆焊后金相组织照片；

图4为从堆焊层到基材的硬度曲线；

图5 中图a为陶瓷涂层的金相显微组织照片; 图b为图a中金相显微组织局部放大后的照片；

图6中图a为陶瓷涂层的扫描电镜照片；图b为图a中扫描电镜的局部放大后的照片；

图7为陶瓷涂层的能谱分析照片；

图8中图a为铸造镍铝青铜30°攻角冲蚀后的微观形貌照片；图b为陶瓷涂层30°攻角冲蚀后的微观形貌照片；

图9中图a为铸造镍铝青铜90°攻角冲蚀后的微观形貌照片；图b为陶瓷涂层90°攻角冲蚀后的微观形貌照片；

图10中图a为铸造镍铝青铜盐雾试验前的照片；图b为铸造镍铝青铜盐雾试验1 小时的照片；图c为铸造镍铝青铜盐雾试验6 小时的照片；图 d为铸造镍铝青铜盐雾试验24 小时的照片；图e为铸造镍铝青铜盐雾试验48小时的照片；

图11中图a为陶瓷涂层盐雾试验前的照片；图b为陶瓷涂层盐雾试验1 小时的照片；图c为陶瓷涂层盐雾试验6 小时的照片；图 d为陶瓷涂层盐雾试验24 小时的照片；图e为陶瓷涂层盐雾试验48小时的照片；

图12中图a 为铸造镍铝青铜空泡腐蚀试验后宏观照片；图b 为铸造镍铝青铜空泡腐蚀试验后微观照片；

图13中图a 为陶瓷涂层空泡腐蚀试验后宏观照片；图b 为陶瓷涂层空泡腐蚀试验后微观照片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1-13，是用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法的一个实施例。

其中，电阻热能微弧堆焊设备包括脉冲精密焊补系统、电火花离子微弧堆焊系统。采用电阻热能微弧堆焊设备进行的焊接，其热影响区小，避免了应力集中，降低了对螺旋桨表面补焊的维修风险。

参见图2所示，超音速火焰喷涂设备包括煤气供给系统、氧气-空气供给系统、点火系统、水冷系统、控制系统和喷枪1，将煤油和氧气-空气助燃剂以一定的流量输送到喷枪1入口，之后经雾化喷嘴雾化混合成可燃混合气后喷入喷枪燃烧室，混合气经火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气，高温高压的燃气通过喷枪的喷嘴被加速到超音速；同时送粉系统将喷涂材料从喷嘴的低压区送入超音速区，喷涂材料经高温高速的燃气软化及加速后从喷嘴喷出，喷涂材料高速喷向船舶螺旋桨表面沉积形成涂层。这样通过超音速火焰喷涂设备喷涂到船舶螺旋桨表面上的涂层，性能优良，可有效保护螺旋桨，从而有效地解决了运行过程中承受力学因素与电化学因素交互作用下的螺旋桨的腐蚀防护难题，大大延长其使用寿命。

为了使得焊材与螺旋桨基体结合较好，在步骤A中采用与螺旋桨材质相同的铝青铜焊丝对腐蚀的螺旋桨表面的凹坑进行补焊，本实施例中，铝青铜焊丝采用S214，铝青铜焊丝的直径为0.8~1.2mm。

在步骤A中调整电阻热能微弧堆焊设备的电流为110~130A，脉冲时间为130~150ms。

在步骤B中采用碳化钨合金粉末作为喷涂材料；其中碳化钨合金粉末中钴的含量为12%。本实施例中，碳化钨合金粉末的粒径为15~45μm，超音速火焰喷涂设备的送粉量为5~8Kg/h，也就是超音速火焰喷涂设备以每小时5~8Kg的输送喷涂材料的量喷涂到螺旋桨的表面。在本实施例中，超音速火焰喷涂设备中的运行状态下的工艺参数为：

为了达到焊接后的效果，在步骤A之前还具有步骤A0，对船舶螺旋桨腐蚀的表面进行预处理，包括淡化、净化以及腐蚀凹坑的修整。

在步骤B之前还具有步骤B0，对补焊后的船舶螺旋桨表面进行处理，包括船舶螺旋桨形状的修整、检测及采用喷砂方法对表面进行粗化。喷砂粗化后待喷涂表面达到R_Z70~100μm。

为了检验本实施例中采用该方法修复后的螺旋桨的性能，采用试验仪器对上述方法制备的复合涂层的相关性能检测情况，复合涂层为堆焊层和陶瓷涂层，基材为螺旋桨的本身材料，本实施例中，螺旋桨为镍铝青铜材料。

1、堆焊层显微结构

图3为堆焊后的金相组织照片，可以看出焊接金属与基材完全熔合，达到冶金结合，焊接层致密，无明显裂纹等缺陷。因此电阻热能微弧堆焊适宜对螺旋桨微区缺陷焊补修复，降低维修风险。

2、堆焊层显微硬度

图4为从堆焊层到基层的硬度曲线。由图4可知，堆焊层硬度与基材硬度相差不多，无明显淬硬。因此采用电阻热能微弧堆焊设备对铜合金螺旋桨进行修复，能够解决低电阻率铜合金螺旋桨微区缺陷焊补修复难题，制备出满足需要的堆焊层。

3、陶瓷涂层的显微结构和能谱分析

陶瓷涂层的显微结构如图5和图6所示，涂层结构完整，没有大的孔洞和裂纹，涂层内部多角状的WC粒子均匀分散在粘结相Co，说明涂层沉积时，Co是完全熔化的，而WC并没有完全熔化，这种涂层结构既保证了硬质相WC与粘结相Co之间的良好结合，又比较完整地保持了WC粒子的特性。

表1 陶瓷涂层的元素含量

陶瓷涂层的能谱分析如图7所示，从表1成分分析可以看出，超音速火焰喷涂制备的WC-12Co涂层中含有 Cu和Ni，但喷涂材料中并不含有Cu和Ni，这表明在界面处存在着扩散，陶瓷涂层中的Cu向涂层中发生了扩散。这间接说明了WC-12Co涂层存在着冶金结合。

4、陶瓷涂层的显微硬度

表2陶瓷涂层的显微硬度测试结果

材料	测量值（HV_0.3）	平均值（HV_0.3）
			陶瓷涂层	1175， 1194，1248，1033，1293	1189

表2为陶瓷涂层的显微硬度测试结果（显微硬度依据GBT 4340.1-2009进行检测，载荷为300g，加载时间为15s）。由表2可知，陶瓷涂层的平均显微硬度达到HV1000以上，材料的耐磨性与硬度虽然没有直接的对应关系，但硬度在一定程度上却表征涂层的耐磨性，因涂层以碳化钨粉为喷涂材料，碳化钨粉的硬度很高，采用本发明技术方案中的工艺参数，可以制得具有高硬度的涂层，而涂层的高硬度对其耐磨性能有利。

5、陶瓷涂层的结合强度

表3陶瓷涂层的结合强度测试结果

试样	测量值（MPa）	平均值（MPa）
			陶瓷涂层	69.12，74.27，71.24	71.54

陶瓷涂层结合强度测试结果如表3所示（结合强度按国标GB/T8642-2002进行测试）。由表3可知，涂层的结合强度平均值超过70MPa，且断裂面出现在胶层上，说明涂层的实际结合强度大于测量值。

6、冲蚀磨损试验

冲蚀磨损试验参照ASTM G76-95标准进行，实验条件为大气环境，常温，磨料为棕刚玉，压缩空气压力为0.15MPa，攻角选择30°和90°。采用精度为0.1mg的BS210S型天平称量试样的冲蚀磨损质量损失。

表4铸造镍铝青铜和陶瓷涂层的冲蚀失重量

材料	30°冲蚀角失重量（g）	90°冲蚀角失重量（g）
			铸造镍铝青铜	0.024	0.020
陶瓷涂层	0.044	0.080

铸造镍铝青铜和陶瓷涂层的冲蚀失重如表4所示，其中以铸造镍铝青铜的冲蚀试验结果为参照对象。由表4可知，冲蚀攻角为30°和90°时，陶瓷涂层的冲蚀失重量均大于铸造镍铝青铜的冲蚀失重量。30°和90°攻角冲蚀后的微观形貌分别如图8和图9所示。由图8和图9可以看出，陶瓷涂层冲蚀后表面形貌起伏不大，而铸造镍铝青铜表面出现明显的孔洞和粒子剥离。

冲蚀磨损试验结果表明，陶瓷涂层的抗冲蚀性能优于铸造镍铝青铜。超音速火焰喷涂制备的陶瓷涂层结合力高，硬度高，且涂层有完整的耐磨显微结构，因而抗冲蚀磨损性能较高。陶瓷涂层由粘结相Co和硬质相WC组成，当冲蚀磨损时，软的粘结相容易被切削，而硬度很高的WC则抵挡了磨粒的切削作用。碳化钨在常温下有相当高的硬度，且至1000℃其硬度也下降较少，是高温硬度最高的碳化物。同时WC与Co金属的润湿性好，在温度升高到一定值时，能溶解在Co中，温度降低时又析出形成碳化物骨架，使WC能用Co金属作为粘结相进行高温烧结或复合，制造热硬性和耐冲蚀磨损性很好的涂层。

7、盐雾试验

中性盐雾试验（NSS试验）根据GB/T10125-1997进行，采用浓度为50g/L±5g/L氯化钠水溶液，溶液PH值调在中性范围（6.5~7.2）作为喷雾用的溶液，试验温度为35±2℃，盐雾的沉降速度为1~2mL/（80cm²·h），相对湿度95%以上，试样呈15°~30°角斜放，试验面与雾流方向平行。以铸造镍铝青铜试验盐雾试验结果为参照。

图10中a~d分别为铸造镍铝青铜经0h、1h、6h、24h和48h盐雾试验后照片，由照片可以看出，在进行1小时盐雾腐蚀后便发生腐蚀。随盐雾试验的进行，在盐雾试验进行24小时后出现了明显的青绿色腐蚀产物。在进行48小时盐雾试验后，覆盖青绿色产物的试样面积增大。

图11中a~d分别为陶瓷涂层经0h、1h、6h、24h和48h盐雾试验后照片，由照片可以看出，在进行6小时盐雾试验后没有发生明显的腐蚀。在盐雾试验进行24小时后出现了少许的腐蚀产物。在进行48小时盐雾试验后，生成了大量的黄褐色腐蚀产物。

比较可知，超音速火焰喷涂制备的陶瓷涂层耐盐雾腐蚀性能明显优于铸造镍铝青铜。

8、空泡腐蚀试验

空泡腐蚀试验是测定材料在空化侵蚀下的质量损失和空蚀率，评定其在规定条件下的相对耐空蚀性能。试验条件：试验压强为8MPa；试样与喷嘴的距离为12mm；试验时间为3h。

表5陶瓷涂层振动空蚀试验结果

材料	压力（MPa）	时间（h）	失重/g
				铸造镍铝青铜	8	3	0.005
WC-12Co涂层	8	3	0.127

铸造镍铝青铜和陶瓷涂层空泡腐蚀试验结果如表5所示，其中以铸造镍铝青铜空蚀试验结果为参照。由表可以看出，铸造镍铝青铜冲蚀失重＜陶瓷涂层冲蚀失重。陶瓷涂层和WC-12Co涂层空泡腐蚀试验后照片如图12和图13所示。由图可以看出，铸造镍铝青铜表面出现较大的孔洞，即发生空泡腐蚀，而陶瓷涂层表面未发生明显蚀坑。结合空泡腐蚀试验失重结果可以看出，虽然铸造镍铝青铜的失重量较小，但其表面在腐蚀过程中容易产生腐蚀深坑，这说明其耐空泡腐蚀性能较差，而陶瓷涂层在试验过程中未产生大的孔洞，即发生的是均匀腐蚀，这说明陶瓷涂层的耐空泡腐蚀性能优于铸造镍铝青铜。同时，陶瓷涂层处于最外层，充分起到保护螺旋桨的作用。因此，超音速火焰喷涂制备的陶瓷涂层具有较好的耐空泡腐蚀性能。

本发明突破了传统的抗空泡腐蚀设计理念，在铸造镍铝青铜螺旋桨表面制备了结合强度达到70MPa，显微硬度超过HV1000的超硬陶瓷涂层，其抗空泡腐蚀、抗冲蚀性能、耐盐雾腐蚀等性能优良。并通过实验数据表明，采用该方法的工艺稳定可靠，性能优越，能够解决苛刻工况下工作的的船舶螺旋桨腐蚀治理和防护难题，为船舶螺旋桨腐蚀治理与长效防护体系确立，提供了新思路和新方法，推广应用前景广阔，经济效益和社会效益重大。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种用于船舶螺旋桨腐蚀修复与长效防护的方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻热能微弧堆焊设备包括脉冲精密焊补系统、电火花离子微弧堆焊系统。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻热能微弧堆焊设备采用铝青铜焊丝进行补焊，所述铝青铜焊丝的直径为0.8~1.2mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷防护涂层的厚度为0.15~0.20mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻热能微弧堆焊设备的电流为110~130A，脉冲时间为130~150ms。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超音速火焰喷涂设备包括煤油供给系统、氧气-空气供给系统、点火系统、水冷系统、控制系统和喷枪。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超音速火焰喷涂设备采用碳化钨合金粉末作为喷涂材料，所述超音速火焰喷涂设备的送粉量为5~8Kg/h。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳化钨合金粉末中钴的含量为12%，所述碳化钨合金粉末的粒径为15~45μm。

9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，在步骤A之前还具有步骤A0，对船舶螺旋桨腐蚀的表面进行预处理，包括淡化、净化以及腐蚀凹坑的修整。

10.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，在步骤B之前还具有步骤B0，对补焊后的船舶螺旋桨表面进行处理，包括船舶螺旋桨形状的修整、检测及采用喷砂方法对表面进行粗化。