０　引言

螺旋槳及其衍生出來的特種推進器［１］ 是現代船舶最常用的推進裝置，其正常運行對船舶技戰水平的發揮具有重要影響。但在行進過程中，空泡腐蝕和海生物污損是影響螺旋槳推進效率而急需解決的兩大難題。空泡腐蝕［２?４］ 危害主要體現在以下幾個方面：高速服役下，空泡持續產生及閉合爆裂，沖擊螺旋槳槳葉，造成螺旋槳的振動損傷，以及槳葉受力不均，縮短其機械構件的使用壽命；改變附近水流形態，降低推進效率；空泡破裂產生的持續沖擊波，致使形成空蝕坑，破壞基材原有狀態，加速對基材的腐蝕破壞及污損；在高速運行中，空蝕噪聲是主要的噪聲源，對船舶的隱蔽性同樣具有極大的威脅。而海生物污損［５?７］ 的危害同樣不可小覷，污損生物在螺旋槳上的持續累積，增加螺旋槳負重，加大燃油能耗；影響螺旋槳動平衡，降低推進效率，縮短其使用壽命；加速對螺旋槳基材的腐蝕；增加船舶進塢清理和維修的時間及頻率，降低在航率。對于螺旋槳的空蝕及污損防護方法中，有機涂層防護是最有效、經濟、便捷的方法之一。

本工作采用防腐底漆、彈性緩沖漆、中間連接漆和防污面漆的涂層配套體系應對空泡腐蝕和污損生物粘附問題，實現對螺旋槳的的整體防護，結合實驗室性能評價手段與實船應用性能的研究，對螺旋槳防護涂層進行綜合性能考察，為我國船舶螺旋槳空泡腐蝕和海生物污損提供完整有效的解決方案。

１　實驗

螺旋槳防護涂層由防腐底漆、彈性緩沖漆、中間連接漆和防污面漆組成。螺旋槳防護涂層配套體系及各涂層相關性能指標如表１ 所示。

表１　螺旋槳防護涂層組成及相關性能

在螺旋槳防護涂層體系中，各涂層分別發揮著不可替代的作用，并且在充分考慮各涂層的不同功用，有針對性對各涂層進行了相應的膜厚設計。其中防腐底漆需要實現對銅合金基材良好的封閉性、耐海水等介質滲透，從而達到較好的腐蝕防護作用，因此需要具有一定的膜厚，干膜為１２０μｍ 為宜。而彈性緩沖漆在螺旋槳防護涂層體系中主要起到緩沖空泡破滅時產生的壓力脈動作用，空泡腐蝕對材料的破壞主要來自于空泡潰滅。微射流和沖擊波是空泡腐蝕最主要的兩種作用機制，或主或次，二者兼而有之。彈性緩沖漆能夠有效吸收空泡潰滅時釋放的強大能量，實現機械能與熱能的轉換，因此彈性緩沖漆的厚度不宜太薄。因為有機硅體系的防污面漆其附著力普遍較差，所以在彈性緩沖漆及防污面漆中間引入中間連接漆，實現從彈性緩沖漆到防污面漆的有效過渡，中間連接漆與彈性緩沖漆和防污面漆均具有較好的連接作用。有機硅彈性體防污面漆作為螺旋槳的第一道保護屏障，正面迎擊潰滅的空泡，在緩沖空泡潰滅時沖擊能的同時，發揮著防止污損生物粘附的作用，較低的表面能及彈性模量使污損生物即使粘附，也附著不牢固，在高速水流剪切作用下輕易脫除。隨后本工作對螺旋槳防護涂層體系進行了實驗室性能評價及實船考核驗證等綜合性能的研究。

１．１　表面形貌

采用浩視三維視頻顯微鏡Ｈｉｒｏｘ ＫＨ７７００ 對螺旋槳防護涂層體系進行表面形貌的觀察，結合二維形貌及三維立體形貌對涂層表面狀態進行全方位的考察。試驗過程中，采用ＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ 公司的Ｐ?６ 探針式臺階測試儀考察涂層表面粗糙度的狀況，其中二維粗糙度的掃描長度為５ ０００ μｍ，采用４００ μｍ／ ｓ 的掃描速度，施加壓力為５ ｍｇ。而三維形貌掃描中掃描面積為５ ０００ μｍ×５ ０００ μｍ，采用４ ０００ μｍ／ ｓ 的掃描速度，施加壓力同樣為５ ｍｇ。

１．２　接觸角及表面能的測量

靜態接觸角的測量采用ＯＣＡ ２０ 視頻光學接觸角測量儀（Ｄａｔａｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＧｍｂＨ，Ｇｅｒｍａｎｙ） 在室溫條件下進行［８］ 。對于每個樣品，測量三次取平均值。而螺旋槳防護涂層表面能通過將蒸餾水、乙二醇和環己烷的接觸角值帶入固體表面自由能計算軟件獲得。

１．３　水動力性能測試

螺旋槳具有異型曲面結構，而水動力性能直接影響到螺旋槳的推進效率，為了考察涂裝螺旋槳防護涂層后對螺旋槳水動力性能的影響，在中國船舶工業船舶總體性能試驗檢測中心進行了涂裝螺旋槳防護涂層前后扭矩系數及推力系數的變化情況測試，進一步考察螺旋槳模型涂覆螺旋槳防護涂層前后的水動力性能變化［９］ 。

１．４　抗空蝕性能

船舶高速服役下，螺旋槳空蝕現象嚴重。而空蝕性能評價成為表征涂層性能的重要手段之一。采用超聲波振動空蝕儀對抗空蝕性能進行評價，研究中采用符合螺旋槳實際應用工況的對沖方式對螺旋槳防護涂層抗空蝕性能進行考察，試驗頻率為２０ ｋＨｚ，振幅為２５ μｍ，溫度２５ ℃，對沖間距２ｍｍ，記錄樣柱的質量隨時間的變化［１０］ 。

１．５　靜態防污性能

在青島中港海洋化工研究院有限公司海上試驗站進行螺旋槳防護涂層的靜態實海掛板試驗，對涂層表面附著生物物種進行歸納總結，研究污損海生物的附著規律，考察螺旋槳防護涂層的靜態防污性能［１１］ 。

１．６　實船應用試驗

在實船螺旋槳表面涂覆螺旋槳防護涂層，并及時跟蹤記錄試驗結果。

２　結果與討論

２．１　表面形貌

螺旋槳防護涂層采用污損釋放型防污涂層作為防污面漆，污損釋放型防污涂層屬于非損耗型防污涂層，具有穩定的化學結構，因此能夠在海洋環境下保持性能長期穩定，研究過程中通過與磨蝕損耗型自拋光防污涂層進行表面形貌及表面粗糙度的對比，考察螺旋槳防護涂層表面形貌。表２為螺旋槳防護涂層和自拋光防污涂層在實驗室的轉鼓型防污涂層動態性能測試裝置進行為期１ 個月的磨蝕后表面形貌對比。

表２　涂層表面形貌對比

由表２ 發現，通過對比磨蝕３０ ｄ，隨著磨蝕時間的延長，自拋光防污涂層逐漸水解，拋蝕出新的涂層，由明顯的溝壑趨向于相對于較平整的狀態發展，而性能穩定的螺旋槳防護涂層一直保持表面比較平滑的狀態，這與兩種涂層的防污機理具有直接的影響。自拋光防污涂層屬于水解型的拋光磨蝕型涂層，隨著水解行為的持續進行，具有一定凹凸形狀的粗糙表面趨向于相對平滑的狀態，而表面趨向于平滑的變化與水流體動力學也具有一定的關系。螺旋槳防護涂層為污損釋放型防污涂層，為性能穩定的非損耗型涂層，較低的表面能及一定的彈性模量使其具有平滑的表面，而這種平滑的表面能夠在較長時間內保持螺旋漿涂層性能穩定性。

基于此，本工作對螺旋槳防護涂層的三維表面形貌進行了觀察，如圖１ 所示。

圖１　（ａ）自拋光防污涂層和（ｂ）螺旋槳防護涂層的三維表面形貌圖

從圖１ 中可以看到，自拋光防污涂層表面具有較明顯的尖銳突起，而螺旋槳防護涂層表面相對比較平滑，少有尖銳的粗糙表面的突起。從整體看來，螺旋槳防護涂層具有更加平滑的表面微觀形貌。

表面粗糙度也是表面形貌的組成部分，一定形貌的特定結構可以減少污損生物分泌生物膠的浸潤及鋪展，從而發揮防止污損生物粘附的作用，同樣符合水流體動力學的光滑表面還可以發揮減阻的作用。研究中，對螺旋槳防護涂層和自拋光防污涂層進行了表面粗糙度的觀察，圖２ 分別給出兩種涂層Ｒａ（算術平均偏差）、Ｒｑ（均方根偏差）、Ｒｔ（波峰到波谷的最大距離）的數值。

圖２　不同涂層粗糙度值對比圖

算數平均偏差Ｒａ 值能充分反映涂層表面微觀幾何形狀，其值越大，說明表面越粗糙，相對于自拋光防污涂層的４ ３４３ ｎｍ，螺旋槳防護涂層僅為５９．６６ ｎｍ。同樣作為可以反映表面微觀幾何形狀的均方根偏差Ｒｑ 也具有兩個數量級的差距。而對于反映波峰到波谷最大距離的Ｒｔ 值同樣存在較大的差距，其中自拋光防污涂層Ｒｔ 值為１８ ６４５ ｎｍ，而螺旋槳防護涂層為４４２．８９ ｎｍ。表面粗糙度值的測量數值很好地印證了三維視頻顯微鏡所獲得兩種涂層微觀表面形貌觀測結果，并且相對于傳統自拋光防污涂層來說，螺旋槳防護涂層具有非常出眾的平滑表面。平滑的表面能夠有效減小污損海生物分泌粘液與涂層的實際接觸面積，從而減弱其附著強度，增強其防污性能及脫附性能，同時能夠有效降低涂層與海水之間的摩擦阻力，從而賦予涂層優良的減阻性能，對于減少燃油消耗及溫室氣體的排放具有重要意義。

２．２　接觸角及表面能的測量

將涂覆有螺旋槳防護涂層的馬口鐵板置于水平工作臺上，使用注射器將３ μＬ 的蒸餾水（或其他溶劑）滴于涂層表面。用ＣＣＤ 視頻系統捕獲液滴輪廓的數字圖像，如圖３ 所示，并獲得接觸角測量數值。

對于每個樣品，測量三次取平均值。而涂層表面能通過將蒸餾水、乙二醇和環己烷的接觸角值帶入ＳＣＡ２１ 固體表面自由能計算軟件獲得。其結果如表３ 所示。

表３　螺旋槳防護涂層表面能及接觸角測量

圖３　液滴輪廓數字圖像

表面能是評判螺旋槳防護涂層的重要參數，直接影響海洋污損生物在涂層表面的粘附（抵抗海洋生物有機分泌物在涂層表面的浸潤和鋪展）及脫附情況。拜耳曲線（如圖４ 所示）闡述了表面能與污損生物的粘附關系，并且經過大量的實驗研究表明，當表面能為２２～２４ ｍＪ·ｍ－２時，污損生物具有相對最少的粘附。而螺旋槳防護涂層的表面能數值顯示處于污損生物難以黏附的范圍內。

圖４　拜耳曲線

２．３　水動力性能測試

實驗過程中空泡水筒開展了均流水動力測量試驗，利用空泡水筒斜流動力儀對涂層槳進行水動力測量。采用空泡水筒試驗，對涂覆螺旋槳防護涂層前后水動力性能進行考察，設定水筒內恒定水流速度為５．３４ ｍ／ ｓ，改變螺旋槳模型的轉速達到設定的進速比Ｊ（０．５０８～０．９０８），記錄涂裝螺旋槳防護涂層與未進行涂層涂裝的槳模的推力系數Ｋｔ 和扭矩系數Ｋｑ。研究過程中，考察一定進速比下，推力系數和扭矩系數的變化，以此研究涂覆螺旋槳防護涂層前后對水動力性能的影響。如圖５ 所示，在不同進速比條件下，涂裝螺旋槳防護涂層與未進行涂層涂裝的槳模的推力系數和扭矩系數曲線趨于近似重合的狀態，由此表明涂裝螺旋槳防護涂層后對水動力性能基本沒有影響。

圖５　不同進速比下涂裝涂層前后槳模推力系數和扭矩系數的關系

２．４　抗空蝕性能

為了更清楚地了解空蝕對螺旋槳銅合金基材的破壞，采用超聲波振動空蝕儀對螺旋槳銅合金基材進行了２００ ｍｉｎ 的空蝕試驗，空蝕后銅合金樣柱的表面形貌如圖６ 所示：

圖６　空蝕后銅合金基材的表面形貌

從圖６ 中可以看到經過２００ ｍｉｎ 空蝕后，銅合金基材具有明顯的空蝕坑，并且表面粗糙度急劇增大。同時，實時跟蹤銅合金基材空蝕６００ ｍｉｎ 過程中的失重情況，如圖７ 所示。

圖７　空蝕試驗中銅合金基材的失重情況

從圖７ 中可以看到，２００ ｍｉｎ 后銅合金基材失重３１ ｍｇ，４００ ｍｉｎ 時失重１８４ ｍｇ，而經過６００ ｍｉｎ 之后，基材失重達３５１ｍｇ。并且隨著空蝕時間的延長，空蝕對銅合金基材造成的持續性破壞加劇，基材失重現象日益嚴重。同時從整個失重曲線中可以看出， 前期失重率小些， 隨著銅合金基材表面保護層一旦被破壞，空泡腐蝕造成的基材破壞現象更加嚴重，從而表現為基材失重率明顯增加。同時對于采用的螺旋槳防護涂層進行了抗空蝕性能的研究，圖８ 為對沖１００ ｈ 后，螺旋槳防護涂層表面形貌的變化。觀察發現，經過１００ ｈ 的對沖空蝕試驗后，出現個別的空蝕坑，涂層表面僅有輕微失光現象。

圖８　對沖空蝕１００ ｈ 后涂層的表面形貌

圖９　涂層樣柱失重隨空蝕時間的變化曲線

試驗過程中，對螺旋槳防護涂層進行了對沖空蝕１００ ｈ樣柱失重情況的跟蹤觀察，從圖９ 中可以看到，配套涂層空蝕初期的失重較為明顯，之后出現的質量增加是由測量誤差所致。１００ ｈ 的對沖空蝕后，樣柱失重小于５ ｍｇ。

２．５　靜態防污性能

在青島中港海上試驗站進行了螺旋槳防護涂層靜態防污性能的考察，圖１０ 為靜態實海掛板３２ 個月，沖刷前后涂層表面的狀態。

圖１０　螺旋槳防護涂層的靜態實海掛板照片

從圖１０ 中可以看到，沖刷前涂層表面已有大量的污損海生物粘附，形成穩定的生物群落，以海藻居多，另有些許海鞘和藤壺。經過海水沖刷后，涂層表面附著的污損海生物可輕易脫落，涂層仍維持良好的表面狀態，以右側最后兩塊樣板配方最優。

２．６　實船應用試驗

圖１１ 為某船進塢維護時螺旋槳表面海生物污損情況。從圖１１ 中可以看到，螺旋槳表面附著有大量的藤壺、管蟲等污損海生物，已形成重度鈣質污損（ＮＳＴＭ 污損等級９０?１００），已對推進效率產生顯著影響。將螺旋槳表面附著的污損海生物清除，并對螺旋槳基材進行表面處理，然后涂裝螺旋槳防護涂層。

圖１１　某船進塢維護時螺旋槳表面海生物污損情況

圖１２ 為螺旋槳防護涂層服役６ 個月后的表面狀態照片。涂層體系表面未見任何污損海生物，涂層整體仍然非常完整，僅導邊處涂層出現小面積區域破損情況，但未出現膜下擴散現象。

圖１２　螺旋槳防護涂層服役６ 個月后的表面狀態照片

圖１３ 為螺旋槳防護涂層服役１６ 個月后的表面狀態照片。配套涂層體系整體仍然較為完整，由于該船進塢維護前在港內停泊了２～ ３ 個月，涂層表面附著有較多的污損海生物。經過高壓水清洗后，涂層表面附著的污損海生物可輕易被沖刷掉。同時可以看到，清洗后水珠難以在涂層表面鋪展開，涂層仍維持較低的表面能。導邊處涂層出現邊緣區域破損現象，但未發生膜下擴散現象，隨邊處涂層仍然非常完整。由此可見，螺旋槳防護涂層對于抑制海生物附著污損及緩解空蝕危害，維持螺旋槳推進效率具有重要的作用。

圖１３　螺旋槳防護涂層服役１６ 個月后的表面狀態照片

３　結論

本工作所研制的螺旋槳防護涂層，不含任何防污毒劑，對施工人員健康和海洋環境安全環保；抗空泡腐蝕和防污作用效果明顯，整體換裝和局部修補方便，對保障螺旋槳推進效率，延長服役壽命具有重要的意義，能夠為我國船舶螺旋槳提供一種簡便高效的空泡腐蝕和海生物污損解決方案。

參考文獻

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