某船舶传动系统构件材料耐海水腐蚀性能研究

摘要

我国某船舶传动系统中的构件A的主要材料为40Cr和2Cr13，两种材料之间通过螺纹和过盈配合连接，构件B的材料主要为QAl9-4。在海洋环境中服役的过程中，构件A和构件B均存在一定的腐蚀问题，导致材料的机械性能迅速下降，螺纹连接失效，进而导致船舶传动系统功能丧失，严重威胁船舶的航行安全。为保证船舶传动系统能够稳定、可靠、安全地运行，开展其传动系统材料耐海水腐蚀性能研究，同时对船舶传动系统构件材料进行优化设计就显得迫在眉睫。
　　由于防腐或由于腐蚀产生的零部件更换和维护是一项繁琐的工作，因此必须提高船舶传动系统构件材料的耐蚀性，使船舶传动系统构件的安全服役功能得到有效的保障。目前，常用的提高材料耐蚀性的方法主要有：在机械性能满足的条件下直接选用耐蚀性更为优异的材料；在原有材料的基础上添加保护性涂层；施加电化学保护。鉴于船舶传动系统构件的结构和功能不便于添加涂层或施加电化学保护，因此，本文采取材料优化法。经过充分的调研和筛选，本研究选用耐蚀性能更为优异的不锈钢材料0Cr17Ni4Cu4Nb、KA145、HDR中的两种来替换构件 A的现役材料40Cr和2Cr13。为保证构件A的材料更换为更为耐蚀的不锈钢材料后，原船舶传动系统中的构件 B不会出现新的腐蚀问题，本文将在两种铜合金 QAl10-4-4、ZCuAl10Fe3中选取一种来替换QAl9-4。
　　为证实经优化的设计方案更为科学合理，同时为新系统在服役过程中的耐蚀性提供数据支撑，本研究的主要内容包括，一是船舶传动系统构件现役材料及拟替换材料的耐海水腐蚀性能的对比，二是在测试腐蚀数据的基础上对船舶传动系统构件的选材进行重组优化，三是为保证现役船只传动系统构件升级及新船只传动系统构件选材设计提供数据和理论支持。
　　研究工作所获得的主要结论如下：
　　（1）构件A的现役材料和拟替换材料在人造海水全浸1000h和盐雾/干/湿交替循环1000h后的腐蚀速率均为40Cr>2Cr13>0Cr17Ni4Cu4Nb>KA145>HDR，交流阻抗谱模拟显示材料自身耐蚀能力 HDR>KA145>0Cr17Ni4Cu4Nb>2Cr13>40Cr，表明在海洋环境中此五种材料耐蚀性为HDR>KA145>0Cr17Ni4Cu4Nb>2Cr13>40Cr。
　　（2）40Cr的Nyquist曲线与四种不锈钢材料的Nyquist曲线在低频区存在差异的主要原因在于其双电层产生的弥散效应较大、用常相位角元件 Qct的大小进行表征，而四种不锈钢材料双电层产生的弥散效应较小、用电容Ct表征。
　　（3）构件 B的现役材料和拟替换材料在人造海水全浸1000h后腐蚀速率为QAl9-4>ZCuAl10Fe3>QAl10-4-4，而在盐雾/干/湿交替循环1000h后腐蚀速率为QAl9-4>QAl10-4-4>ZCuAl10Fe3，表明 QAl10-4-4耐海水全浸腐蚀能力最好， ZCuAl10Fe3耐海洋潮差腐蚀能力最好，而QAl9-4的耐蚀性最差。
　　（4）0Cr17Ni4Cu4Nb、KA145、HDR、QAl10-4-4、ZCuAl10Fe3的电位随试验时间的延长电位先升高然后趋于稳定； QAl9-4、40Cr的电位随试验时间的延长先降低然后趋于稳定；2Cr13的电位随试验时间的延长电位先升高然后降低最后趋于稳定。船舶传动系统构件八种材料在人造海水中稳定的腐蚀电位由高至低的排序为HDR>KA145>0Cr17Ni4Cu4Nb>QAl10-4-4>ZCuAl10Fe3>QAl9-4>2Cr13>40Cr。
　　（5）船舶传动系统构件优化方案为：用KA145、HDR替换构件A的现役材料40Cr、2Cr13；用 ZCuAl10Fe3替换构件 B的现役材料 QAl9-4。模拟实际工况试验表明对船舶传动系统构件进行选材优化方案合理、可行。

目录

声明

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 金属海洋环境腐蚀概述

1.3 金属海洋环境腐蚀研究现状

1.4 本文研究的主要内容和思路

第二章 材料选择和研究方法

2.1 材料的选择

2.2 研究方法

第三章 构件A的材料耐海水腐蚀性能研究

3.1 人造海水全浸腐蚀行为研究

3.2盐雾/干/湿交替循环腐蚀行为研究

3.3 电化学腐蚀行为研究

3.4 本章小结

第四章 构件B的材料耐海水腐蚀性能研究

4.1 人造海水全浸腐蚀行为研究

4.2 盐雾/干/湿交替循环腐蚀行为研究

4.3 电化学腐蚀行为研究

4.4 本章小结

第五章 构件材料耐海水腐蚀性能研究及选材优化

5.1 电偶腐蚀行为研究

5.2 模拟实际工况腐蚀行为研究

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间的主要工作及发表的文章