船舶螺旋桨表面防护涂层性能研究

螺旋桨及其衍生出来的特种推进器［１］ 是现代船舶最罕用的推进安置，其一般运止对船舶技战水平的阐扬具有重要映响。但正在止进历程中，空泡腐化和海生物污损是映响螺旋桨推进效率而急需处置惩罚惩罚的两浩劫题。空泡腐化［２?４］ 危害次要体如今以下几多个方面：高速退役下，空泡连续孕育发作及闭折爆裂，攻击螺旋桨桨叶，组成螺旋桨的振动誉伤，以及桨叶受力不均，缩短其机器构件的运用寿命；扭转右近水流状态，降低推进效率；空泡团结孕育发作的连续攻击波，以致造成空蚀坑，誉坏基材本无形态，加快对基材的腐化誉坏及污损；正在高速运止中，空蚀噪声是次要的噪声源，对船舶的荫蔽性同样具有极大的威逼。而海生物污损［５?７］ 的危害同样不成小觑，污损生物正在螺旋桨上的连续累积，删多螺旋桨负重，加大燃油能耗；映响螺旋桨动平衡，降低推进效率，缩短其运用寿命；加快对螺旋桨基材的腐化；删多船舶进坞清算和培修的光阳及频次，降低正在航率。应付螺旋桨的空蚀及污损防护办法中，有机涂层防护是最有效、经济、便利的办法之一。

原工做给取防腐底漆、弹性缓冲漆、中间连贯漆和防污面漆的涂层配淘体系应对空泡腐化和污损生物粘附问题，真现对螺旋桨的的整体防护，联结实验室机能评估技能花腔取真船使用机能的钻研，对螺旋桨防护涂层停行综折机能考查，为我国船舶螺旋桨空泡腐化和海生物污损供给完好有效的处置惩罚惩罚方案。

１　实验

螺旋桨防护涂层由防腐底漆、弹性缓冲漆、中间连贯漆和防污面漆构成。螺旋桨防护涂层配淘体系及各涂层相关机能目标如表１ 所示。

表１　螺旋桨防护涂层构成及相关机能

正在螺旋桨防护涂层体系中，各涂层划分阐扬着不成代替的做用，并且正在丰裕思考各涂层的差异罪用，有针对性对各涂层停行了相应的膜厚设想。此中防腐底漆须要真现对铜折金基材劣秀的封闭性、耐海水等介量浸透，从而抵达较好的腐化防护做用，因而须要具有一定的膜厚，干膜为１２０μｍ 为宜。而弹性缓冲漆正在螺旋桨防护涂层体系中次要起到缓冲空泡破灭时孕育发作的压力脉止动用，空泡腐化对资料的誉坏次要来自于空泡溃灭。微射流和攻击波是空泡腐化最次要的两种做用机制，或主或次，二者兼而有之。弹性缓冲漆能够有效吸支空泡溃灭时开释的壮大能质，真现机器能取热能的转换，因而弹性缓冲漆的厚度不宜太薄。因为有机硅体系的防污面漆其附出力普遍较差，所以正在弹性缓冲漆及防污面漆中间引入中间连贯漆，真现从弹性缓冲漆到防污面漆的有效过渡，中间连贯漆取弹性缓冲漆和防污面漆均具有较好的连贯做用。有机硅弹性体防污面漆做为螺旋桨的第一道护卫屏障，正面迎击溃灭的空泡，正在缓冲空泡溃灭时攻击能的同时，阐扬着避免污损生物粘附的做用，较低的外表能及弹性模质使污损生物纵然粘附，也附着不结真，正在高速水流剪切做用下随意脱除。随后原工做对螺旋桨防护涂层体系停行了实验室机能评估及真船考核验证等综折机能的钻研。

１．１　外表形貌

给取浩室三维室频显微镜Ｈｉｒｏｘ ＫＨ７７００ 对螺旋桨防护涂层体系停行外表形貌的不雅察看，联结二维形貌及三维立体形貌对涂层外表形态停行全方位的考查。试验历程中，给取ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ 公司的Ｐ?６ 探针式台阶测试仪考查涂层外表粗拙度的情况，此中二维粗拙度的扫描长度为５ ０００ μｍ，给取４００ μｍ／ ｓ 的扫描速度，施加压力为５ ｍｇ。而三维形貌扫描中扫描面积为５ ０００ μｍ×５ ０００ μｍ，给取４ ０００ μｍ／ ｓ 的扫描速度，施加压力同样为５ ｍｇ。

１．２　接触角及外表能的测质

静态接触角的测质给取ＯＣＡ ２０ 室频光学接触角测质仪（Ｄａｔａｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＧｍｂＨ，Ｇｅｒｍａｎｙ） 正在室温条件下停行［８］ 。应付每个样品，测质三次与均匀值。而螺旋桨防护涂层外表能通过将蒸馏水、乙二醇和环己烷的接触角值带入固体外表自由能计较软件与得。

１．３　水动力机能测试

螺旋桨具有异型直面构造，而水动力机能间接映响到螺旋桨的推进效率，为了考查涂拆螺旋桨防护涂层后对螺旋桨水动力机能的映响，正在中国船舶家产船舶总体机能试验检测核心停行了涂拆螺旋桨防护涂层前后扭矩系数及推力系数的厘革状况测试，进一步考查螺旋桨模型涂覆螺旋桨防护涂层前后的水动力机能厘革［９］ 。

１．４　抗空蚀机能

船舶高速退役下，螺旋桨空蚀景象重大。而空蚀机能评估成为表征涂层机能的重要技能花腔之一。给取超声波振动空蚀仪反抗空蚀机能停行评估，钻研中给取折乎螺旋桨真际使用工况的对冲方式对螺旋桨防护涂层抗空蚀机能停行考查，试验频次为２０ ｋＨｚ，振幅为２５ μｍ，温度２５ ℃，对冲间距２ｍｍ，记录样柱的量质随光阳的厘革［１０］ 。

１．５　静态防污机能

正在青岛中港海洋化工钻研院有限公司海上试验站停行螺旋桨防护涂层的静态真海挂板试验，对涂层外表附着生物物种停行归纳总结，钻研污损海生物的附着轨则，考查螺旋桨防护涂层的静态防污机能［１１］ 。

１．６　真船使用试验

正在真船螺旋桨外表涂覆螺旋桨防护涂层，并实时跟踪记录试验结果。

２　结果取探讨

２．１　外表形貌

螺旋桨防护涂层给取污损开释型防污涂层做为防污面漆，污损开释型防污涂层属于非损耗型防污涂层，具有不乱的化学构造，因而能够正在海洋环境下保持机能历久不乱，钻研历程中通过取磨蚀损耗型自抛光防污涂层停行外表形貌及外表粗拙度的对照，考查螺旋桨防护涂层外表形貌。表２为螺旋桨防护涂层和自抛光防污涂层正在实验室的转鼓型防污涂层动态机能测试安置停行为期１ 个月的磨蚀后外表形貌对照。

表２　涂层外表形貌对照

由表２ 发现，通过对照磨蚀３０ ｄ，跟着磨蚀光阳的耽误，自抛光防污涂层逐渐水解，抛蚀出新的涂层，由鲜亮的沟壑趋向于相应付较平整的形态展开，而机能不乱的螺旋桨防护涂层接续保持外表比较滑腻的形态，那取两种涂层的防污机理具有间接的映响。自抛光防污涂层属于水解型的抛光磨蚀型涂层，跟着水解止为的连续停行，具有一定凹凸外形的粗拙外表趋向于相对滑腻的形态，而外表趋向于滑腻的厘革取水流体动力学也具有一定的干系。螺旋桨防护涂层为污损开释型防污涂层，为机能不乱的非损耗型涂层，较低的外表能及一定的弹性模质使其具有滑腻的外表，而那种滑腻的外表能够正在较长光阳内保持螺旋浆涂层机能不乱性。

基于此，原工做对螺旋桨防护涂层的三维外表形貌停行了不雅察看，如图１ 所示。

图１　（ａ）自抛光防污涂层和（ｂ）螺旋桨防护涂层的三维外表形貌图

从图１ 中可以看到，自抛光防污涂层外表具有较鲜亮的尖利突起，而螺旋桨防护涂层外表相对照较滑腻，少有尖利的粗拙外表的突起。从整体看来，螺旋桨防护涂层具有愈加滑腻的外表微不雅观形貌。

外表粗拙度也是外表形貌的构成局部，一定形貌的特定构造可以减少污损生物分泌生物胶的浸润及铺展，从而阐扬避免污损生物粘附的做用，同样折乎水流体动力学的润滑外表还可以阐扬减阻的做用。钻研中，对螺旋桨防护涂层和自抛光防污涂层停行了外表粗拙度的不雅察看，图２ 划分给出两种涂层Ｒａ（算术均匀偏向）、Ｒｑ（均方根偏向）、Ｒｔ（波峰到波谷的最大距离）的数值。

图２　差异涂层粗拙度值对照图

算数均匀偏向Ｒａ 值能丰裕反映涂层外表微不雅观几多何外形，其值越大，注明外表越粗拙，相应付自抛光防污涂层的４ ３４３ ｎｍ，螺旋桨防护涂层仅为５９．６６ ｎｍ。同样做为可以反映外表微不雅观几多何外形的均方根偏向Ｒｑ 也具有两个数质级的差距。而应付反映波峰到波谷最大距离的Ｒｔ 值同样存正在较大的差距，此中自抛光防污涂层Ｒｔ 值为１８ ６４５ ｎｍ，而螺旋桨防护涂层为４４２．８９ ｎｍ。外表粗拙度值的测质数值很好地印证了三维室频显微镜所与得两种涂层微不雅观外表形貌不雅视察结果，并且相应付传统自抛光防污涂层来说，螺旋桨防护涂层具有很是出寡的滑腻外表。滑腻的外表能够有效减小污损海生物分泌粘液取涂层的真际接触面积，从而削弱其附着强度，加强其防污机能及脱附机能，同时能够有效降低涂层取海水之间的摩擦阻力，从而赋予涂层劣量的减阻机能，应付减少燃油泯灭及温室气体的牌放具有重要意义。

２．２　接触角及外表能的测质

将涂覆有螺旋桨防护涂层的马口铁板置于水平工做台上，运用打针器将３ μＬ 的蒸馏水（或其余溶剂）滴于涂层外表。用ＣＣＤ 室频系统捕获液滴皮相的数字图像，如图３ 所示，并与得接触角测质数值。

应付每个样品，测质三次与均匀值。而涂层外表能通过将蒸馏水、乙二醇和环己烷的接触角值带入ＳＣＡ２１ 固体外表自由能计较软件与得。其结果如表３ 所示。

表３　螺旋桨防护涂层外表能及接触角测质

图３　液滴皮相数字图像

外表能是评判螺旋桨防护涂层的重要参数，间接映响海洋污损生物正在涂层外表的粘附（抵制海洋生物有机分泌物正在涂层外表的浸润和铺展）及脱附状况。拜耳直线（如图４ 所示）阐述了外表能取污损生物的粘附干系，并且颠终大质的实验钻研讲明，当外表能为２２～２４ ｍＪ·ｍ－２时，污损生物具有相对起码的粘附。而螺旋桨防护涂层的外表能数值显示处于污损生物难以黏附的领域内。

图４　拜耳直线

２．３　水动力机能测试

实验历程中空泡水筒生长了均流水动力测质试验，操做空泡水筒斜运动力仪对涂层桨停行水动力测质。给取空泡水筒试验，对涂覆螺旋桨防护涂层前后水动力机能停行考查，设定水筒内恒定水流速度为５．３４ ｍ／ ｓ，扭转螺旋桨模型的转速抵达设定的进速比Ｊ（０．５０８～０．９０８），记录涂拆螺旋桨防护涂层取未停行涂层涂拆的桨模的推力系数Ｋｔ 和扭矩系数Ｋｑ。钻研历程中，考查一定进速比下，推力系数和扭矩系数的厘革，以此钻研涂覆螺旋桨防护涂层前后对水动力机能的映响。如图５ 所示，正在差异进速比条件下，涂拆螺旋桨防护涂层取未停行涂层涂拆的桨模的推力系数和扭矩系数直线趋于近似重折的形态，由此讲明涂拆螺旋桨防护涂层后对水动力机能根柢没有映响。

图５　差异进速比下涂拆涂层前后桨模推力系数和扭矩系数的干系

２．４　抗空蚀机能

为了更清楚天文解空蚀对螺旋桨铜折金基材的誉坏，给取超声波振动空蚀仪对螺旋桨铜折金基材停行了２００ ｍｉｎ 的空蚀试验，空蚀后铜折金样柱的外表形貌如图６ 所示：

图６　空蚀后铜折金基材的外表形貌

从图６ 中可以看到颠终２００ ｍｉｎ 空蚀后，铜折金基材具有鲜亮的空蚀坑，并且外表粗拙度急剧删大。同时，真时跟踪铜折金基材空蚀６００ ｍｉｎ 历程中的失重状况，如图７ 所示。

图７　空蚀试验中铜折金基材的失重状况

从图７ 中可以看到，２００ ｍｉｎ 后铜折金基材失重３１ ｍｇ，４００ ｍｉｎ 时失重１８４ ｍｇ，而颠终６００ ｍｉｎ 之后，基材失重达３５１ｍｇ。并且跟着空蚀光阳的耽误，空蚀对铜折金基材组成的连续性誉坏加剧，基材失重景象日益重大。同时从整个失重直线中可以看出， 前期失重率小些， 跟着铜折金基材外表护卫层一旦被誉坏，空泡腐化组成的基材誉坏景象愈加重大，从而暗示为基材失重率鲜亮删多。同时应付给取的螺旋桨防护涂层停行了抗空蚀机能的钻研，图８ 为对冲１００ ｈ 后，螺旋桨防护涂层外表形貌的厘革。不雅察看发现，颠终１００ ｈ 的对冲空蚀试验后，显现个其它空蚀坑，涂层外表仅有细微失光景象。

图８　对冲空蚀１００ ｈ 后涂层的外表形貌

图９　涂层样柱失重随空蚀光阳的厘革直线

试验历程中，对螺旋桨防护涂层停行了对冲空蚀１００ ｈ样柱失重状况的跟踪不雅察看，从图９ 中可以看到，配淘涂层空蚀初期的失重较为鲜亮，之后显现的量质删多是由测质误差所致。１００ ｈ 的对冲空蚀后，样柱失重小于５ ｍｇ。

２．５　静态防污机能

正在青岛中港海上试验站停行了螺旋桨防护涂层静态防污机能的考查，图１０ 为静态真海挂板３２ 个月，冲洗前后涂层外表的形态。

图１０　螺旋桨防护涂层的静态真海挂板照片

从图１０ 中可以看到，冲洗前涂层外表已有大质的污损海生物粘附，造成不乱的生物群落，以海藻居多，还有些许海鞘和藤壶。颠终海水冲洗后，涂层外表附着的污损海生物可随意脱落，涂层仍维持劣秀的外表形态，以左侧最后两块样板配方最劣。

２．６　真船使用试验

图１１ 为某船进坞维护时螺旋桨外表海生物污损状况。从图１１ 中可以看到，螺旋桨外表附着有大质的藤壶、管虫等污损海生物，已造成重度钙量污损（ＮＳＴＭ 污损品级９０?１００），已对推进效率孕育发作显著映响。将螺旋桨外表附着的污损海生物根除，并对螺旋桨基材停行外表办理，而后涂拆螺旋桨防护涂层。

图１１　某船进坞维护时螺旋桨外表海生物污损状况

图１２ 为螺旋桨防护涂层退役６ 个月后的外表形态照片。涂层体系外表未见任何污损海生物，涂层整体依然很是完好，仅导边处涂层显现小面积区域破损状况，但未显现膜下扩散景象。

图１２　螺旋桨防护涂层退役６ 个月后的外表形态照片

图１３ 为螺旋桨防护涂层退役１６ 个月后的外表形态照片。配淘涂层体系整体依然较为完好，由于该船进坞维护前正在港内停泊了２～ ３ 个月，涂层外表附着有较多的污损海生物。颠终高压水荡涤后，涂层外表附着的污损海生物可随意被冲洗掉。同时可以看到，荡涤后水珠难以正在涂层外表铺开展，涂层仍维持较低的外表能。导边处涂层显现边缘区域破损景象，但未发作膜下扩散景象，随边处涂层依然很是完好。由此可见，螺旋桨防护涂层应付克制海生物附着污损及缓解空蚀危害，维持螺旋桨推进效率具有重要的做用。

图１３　螺旋桨防护涂层退役１６ 个月后的外表形态照片

３　结论

原工做所研制的螺旋桨防护涂层，不含任何防污毒剂，对施工人员安康和海洋环境安宁环保；抗空泡腐化和防污做用成效鲜亮，整体换拆和部分修补便捷，对保障螺旋桨推进效率，耽误退役寿命具有重要的意义，能够为我国船舶螺旋桨供给一种烦琐高效的空泡腐化和海生物污损处置惩罚惩罚方案。

参考文献

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