杜永軍 高建廣

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

電弧噴涂是將金屬或合金絲制成熔化電極，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在噴槍口相交產(chǎn)生短路而引發(fā)電弧熔化，借助壓縮空氣霧化成顆粒并高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，形成涂層[1]。電弧噴涂鋁涂層因具有優(yōu)良的防腐性能(鋁對于鋼鐵是陽極性材料)，而被廣泛應(yīng)用于防腐涂層，已有大量的研究表明，鋁涂層是較為有效、經(jīng)濟(jì)的防護(hù)方法[2～5]。結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率是影響電弧噴涂涂層性能的主要影響因素，涂層結(jié)合強(qiáng)度過低會(huì)導(dǎo)致涂層未達(dá)到理論腐蝕壽命而過早脫落，涂層孔隙率過高也會(huì)造成腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散到基體/腐蝕介質(zhì)的界面上參與反應(yīng)，加速涂層的失效。筆者在不同的噴涂條件下制備鋁涂層，利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)和稱重法分別測試了涂層的結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率，研究了噴涂工藝參數(shù)對涂層性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)簡介

實(shí)驗(yàn)材料：涂層材料為石家莊新日鋅業(yè)有限公司生產(chǎn)的鋁絲材，純度在99.8%以上；基體材料為N80套管鋼，尺寸規(guī)格為50mm×25mm×2mm。

主要設(shè)備儀器：SQ-9J光切法顯微鏡(北京宇艾奇電子科技有限公司)，ZPG-400B電弧噴涂機(jī)(上海新業(yè)噴涂機(jī)械有限公司)，CSS-44100電子萬能試驗(yàn)機(jī)，電子天平(北京多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)，日立S-3400N掃描電子顯微鏡(日立高新技術(shù)國際貿(mào)易有限公司)。

噴涂工藝：空氣壓力0.5MPa，噴涂電流120A，噴涂時(shí)間30s，涂層厚度約為300μm。

工藝流程：表面粗化處理→堿性除油→表面噴涂→涂層加工與后處理。

使用光切法顯微鏡測試粗化后試件表面的粗糙度，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，采用稱重法測定鋁涂層的孔隙率，并使用掃描電子顯微鏡觀察不同噴涂工藝條件下涂層的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1試件表面粗糙度對結(jié)合強(qiáng)度的影響

圖1所示為試件表面粗糙度對結(jié)合強(qiáng)度的影響。隨著表面粗糙度的增加，涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)表面粗糙度在55～65μm之間時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度最大，為22.1MPa。當(dāng)試件表面粗糙度過大時(shí)，鋁涂層具有較大的厚度分布范圍，此時(shí)波峰部位涂層過薄，厚度要小于臨界厚度，造成涂層的提前失效；當(dāng)表面粗糙度過低時(shí)，降低了涂層與基體之間的結(jié)合力，涂層容易脫落。

圖1 試件表面粗糙度對結(jié)合強(qiáng)度的影響

2.2噴涂電壓對涂層性能的影響

圖2為不同噴涂電壓下所得鋁涂層表面的SEM照片。從圖2可以看出，當(dāng)噴涂電壓為38V時(shí)，涂層表面較為平整且孔隙較少。圖3所示為噴涂電壓對鋁涂層結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率的影響。由圖3可知，隨著噴涂電壓的增大，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，涂層的孔隙率略微降低。原因是噴涂電壓較小，電弧的溫度過低，鋁絲材融化不充分，霧化空氣的霧化效果差，造成霧化顆粒與基體表面結(jié)合力較差，導(dǎo)致鋁涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，孔隙率較大；噴涂電壓過大，電弧的溫度過高，鋁絲材融化雖然充分，但在霧化空氣的作用下，造成顆粒過細(xì)，顆粒動(dòng)能過小，在未到達(dá)基體表面時(shí)顆粒已冷卻固化，以粉末狀態(tài)撞擊機(jī)體表面，導(dǎo)致涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，但此時(shí)霧化顆粒較細(xì)，孔隙率較小。

圖2 不同噴涂電壓下鋁涂層的SEM圖

圖3 噴涂電壓對鋁涂層結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率的影響

2.3噴涂距離對涂層性能的影響

圖4為不同噴涂距離下所得的鋁涂層表面的SEM照片。從圖4可以看出，當(dāng)噴涂距離為120mm時(shí)，涂層表面較為平整且孔隙較少。圖5所示為噴涂距離和結(jié)合強(qiáng)度、孔隙率之間的關(guān)系曲線。由圖5可知，隨著噴涂距離的增大，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，涂層的孔隙率略微增大。原因是噴涂距離過短，霧化顆粒接觸基體表面時(shí)溫度過高，造成涂層內(nèi)部過熱，冷卻后涂層內(nèi)應(yīng)力過大，使涂層結(jié)合強(qiáng)度較低；噴涂距離過遠(yuǎn)，霧化顆粒在飛行過程中熱量損失過多，造成顆粒到達(dá)基體表面時(shí)溫度過低，增加了顆粒表面張力，流動(dòng)性變差，撞擊后不能與基體表面較好地接觸，同時(shí)，噴涂距離過遠(yuǎn)，顆粒動(dòng)能降低，導(dǎo)致涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度下降。孔隙率增大的原因主要在于噴涂距離的增大，霧化顆粒的熱能降低，從而導(dǎo)致顆粒的流動(dòng)性下降，使孔隙率略微增大。

圖4 不同噴涂距離下鋁涂層的SEM圖

圖5 噴涂距離對鋁涂層結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率的影響

3 結(jié)論

3.1試件表面粗糙度對涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度的影響較大，表面粗糙度為55～65μm時(shí)鋁涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度最大。

3.2隨著噴涂電壓和噴涂距離的逐漸增大，鋁涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度均呈先增大后降低的趨勢。

3.3鋁涂層孔隙率與噴涂電壓呈反比關(guān)系，與噴涂距離呈正比關(guān)系。

3.4由以上分析可知，表面粗糙度為55～65μm之間，噴涂電壓為34V，噴涂距離為160mm，空氣壓力0.5MPa，噴涂電流120A的條件下，可獲得性能較為理想的鋁涂層。

[1] 錢苗根，姚壽山，張少宗.現(xiàn)代表面技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：136.

[2] 黃之祥，吳霧虹.鋼鐵腐蝕因素分析及不同防腐底漆的性能比較[J].上海涂料，2006，44(8)：8～12.

[3] 陶琦，李芬芳，邢健敏.金屬腐蝕及其防護(hù)措施的研究進(jìn)展[J].湖南有色金屬，2007，23(2)：43～46.

[4] 李言濤，侯保榮.海洋環(huán)境下熱噴涂鋅鋁及其合金涂層防腐蝕機(jī)理研究概況[J].材料保護(hù)，2005，38(9)：30～34.

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