螺旋桨是船舶动力系统的核心部件,其高速转动过程会产生空化现象。而空化现象产生的气泡十分不稳定,在空泡破裂之时产生的冲击波/微射流会对螺旋桨表面产生损害,短时间内会导致螺旋桨表面发生点蚀,长时间会导致螺旋桨上出现蜂窝状的贯穿孔隙。除螺旋桨外,泵、阀门、管道等等过流部件也会发生空蚀。316L不锈钢、304不锈钢和铝青铜合金是过流部件广泛使用的材料,但尚不清楚三种材料的空蚀演化机制,同时也缺乏相应的空蚀防护技术。本文系统探讨了316L不锈钢、304不锈钢和铝青铜合金的空蚀演化机制,并基于三种合金的空蚀失效机理,创造性地设计出了一种类似硅藻结构的抗空蚀涂层。研究结果表明,316L不锈钢、304不锈钢以及铝青铜合金在空蚀过程中都会发生加工硬化现象。XRD的分析结果表明随着空蚀时间延长,三种合金内部拉伸应力都会显著增加,但拉伸应力的积累会导致裂纹的产生。在去离子水中,铸造缺陷所产生的孔隙不是316L不锈钢、304不锈钢空蚀发生的初始位点,这和热喷涂涂层中孔隙缺陷在空蚀条件下的表现截然相反。在空蚀条件下,304不锈钢、316L不锈钢相邻晶粒之间非一致应变导致晶界处应力过于集中,此时,较软的晶粒在晶界处被挤压突起,突起晶粒的表层和底层之间会产生剪切应力,在空蚀冲击波/微射流持续的能量输入下,晶粒表层和底层之间的剪切应力不断加大并产生塑性形变,当塑性变形达到极限之后表层晶粒被剥离,形成初始空蚀坑。而对于铝青铜材料而言,空蚀优先从κ相和Fe（Al,Cu）相的边界处开始发展,导致κ相和Fe（Al,Cu）相逐渐暴露在空蚀环境下,随着空蚀时间的延长,κ相和Fe（Al,Cu）相从铝青铜表面脱落,形成空蚀坑。以上研究表明,无论单相合金与多相合金,晶界都是空蚀的重要发育位点。基于上述发现,利用共晶法设计了一种类硅藻结构的WC-Ni抗空蚀涂层。该涂层的单元由棒状和片状WC交联结构组成类似硅藻细胞壁的Si O2骨架,提供共晶单元的强度,而类似硅藻原生质体的Ni晶粒被WC陶瓷交联结构包裹,提供共晶单元的韧性。类硅藻结构的共晶单元在Ni晶界处形成棒状和片状交联结构的WC增强相,WC增强相的宽度在30到130 nm之间,并以50-90 nm范围居多。Ni晶界处形成的棒状和片状交联结构的WC之间存在Ni的缓冲,这使得WC骨架的韧性大大提高。共晶结构的Ni和WC之间形成了一层成分为WCx的过渡层,过渡层原子的空间构型为fcc型,这和Ni的一致,所以共晶结构的WC和Ni的结合强度显著高于冷喷涂涂层中WC和Ni的结合强度。随着该结构的加工功率的增加,类硅藻结构的WC-Ni共晶单元的面积显著增加,300 W共晶结构单元的平均面积为59.1μm~2,由于能量不足以使得冷喷涂涂层中的WC未完全溶解在Ni中,进而导致Ni晶界处的WC骨架强度不够。随着功率增加到400 W,冷喷涂涂层中的WC完全溶解并在Ni晶界处析出,在Ni晶界处形成的WC骨架交联度大,并且共晶结构单元大小适中。当功率增加到500 W时,WC-Ni共晶结构单元面积更进一步加大,由于温度过高,在液态Ni凝固收缩的过程中形成了部分空隙,并且共晶结构单元生长过大,导致其机械强度降低。400 W共晶WC-Ni涂层的维氏硬度和纳米压痕机械性能明显强于冷喷涂的WC-Ni涂层、300 W涂层、500 W涂层以及316L不锈钢,并且其抵御塑性变形的能力也最强。本项目研制的类硅藻结构单元涂层的抗空蚀性能十分优秀,远超目前广泛应用的超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层、Co基涂层和Fe基非晶/纳米晶涂层。空蚀失效机理研究结果表明,冷喷涂的WC和Ni之间主要以机械结合为主,这导致陶瓷-金属两相之间的结合力不足,在对空蚀应力的屏蔽过程中,WC和粘结相Ni之间可能会发生滑移,进而产生裂纹,形成空蚀发展的初始位点,所以其抗空蚀性较差。类硅藻结构共晶单元的WC交联骨架对Ni晶粒的晶界有显著的增强作用,使得Ni晶粒之间空蚀应力的传导被强烈屏蔽,应力基本被束缚在单个WC陶瓷骨架包裹的Ni晶粒内,使得空蚀坑主要在单个晶粒内扩展,这是类硅藻结构抗空蚀涂层抗空蚀性能优异的主要原因。