呂 游

(天津大學管理與經(jīng)濟學部)

電弧噴涂是將被噴涂材料制作成兩個電極，在很高的電弧能作用下進行熔化，形成微熔滴，利用高速壓縮空氣將其噴射到工件表面的一種技術(shù)。電弧噴涂技術(shù)也叫熱噴涂技術(shù)，興起于20世紀，在表面工程領域得到了極大的發(fā)展[1]。此后，電弧噴涂技術(shù)逐漸向著高精度、高自動程度的方向發(fā)展。在電弧噴涂的過程中，不同的工藝參數(shù)對涂層的組織和性能的影響極大且復雜，所以如何選擇比較優(yōu)的工藝參數(shù)組合是一個亟待解決的問題。由于含鋁的合金具有重量輕、成本低廉、抗腐蝕性能好的特點[2，3]，筆者以鋁合金作為基礎材料，進行不同工藝參數(shù)下涂層的制備。通過正交分析方法研究不同工藝參數(shù)對涂層性能的影響。

1 電弧噴涂技術(shù)

1.1電弧噴涂技術(shù)的優(yōu)點

進行電弧噴涂時，微熔滴的溫度高、速度快，因此噴出的粒子具有很大的動能和熱能，能較好地粘附在材料表面，達到需要的結(jié)合強度(強度可達到25MPa)。電弧噴涂的工作效率高，其生產(chǎn)率與噴涂電流有關，通過實踐證明，噴涂時的工作電流若為305A，則噴鋅可達28kg/h、噴鋁可達18kg/h，比火焰噴涂的效率要高出3～5倍左右[4，5]。節(jié)能是電弧噴涂較突出的另一個優(yōu)點，其能源費用一般只有火焰噴涂的0.1～0.2倍。由于空氣是不易燃燒的氣體，所以安全性也有所增加。

電弧噴涂廣泛應用于化工、能源及石油等領域。主要用于大型構(gòu)件的防腐工程和模具的制作方面[6～8]。根據(jù)不完全統(tǒng)計，在相關領域中，電弧噴涂的市場占有率已進入前三。

1.2電弧噴涂作業(yè)流程

常見的電弧噴涂作業(yè)工藝流程為：材料表面清潔粗化處理、電弧噴涂涂層和噴涂后的加工處理(圖1)。

圖1 電弧噴涂工藝流程

1.2.1基體表面的清潔粗化

由于涂層必須和基體表面進行良好的接觸，因此在噴涂前要對材料表面進行一定的加工。表面加工的方法有很多，如機械加工、物理加工及化學加工等，旨在改善材料表面狀態(tài)，修整形狀，為噴涂做準備。

1.2.2表面噴涂

在進行表面噴涂時，首先要確定噴涂工藝參數(shù)。由于噴涂的工藝參數(shù)很復雜，有十幾到幾十個，因此合理的選擇工藝參數(shù)非常重要。不同的工藝參數(shù)組合，會對涂層的性能產(chǎn)生重大的影響，直接影響到涂層的結(jié)合強度、耐腐蝕性能及耐磨性能等。

1.2.3噴涂后處理

在噴涂過程中，由于人為和設備的原因，涂層會產(chǎn)生缺陷，因此在噴涂完畢后，為了彌補這些缺陷，需要對涂層進行后續(xù)的處理。噴涂后需要通過機械精加工來使材料表面具有高硬度、高耐磨性的特點；對于孔隙缺陷的問題，通常采用封孔的處理方法填充孔隙，同時還能改善涂層的耐腐蝕性能。

1.3主要工藝參數(shù)

噴涂的工藝參數(shù)很復雜，有十幾到幾十個，但筆者只列舉幾個最主要的參數(shù)：

a. 進行噴涂作業(yè)時的噴涂電壓一般在27～35V范圍內(nèi)；

b. 噴涂電流一般在101～502A之間；

c. 進行作業(yè)時的噴射角度盡量垂直于材料表面，在45～90°之間；噴槍距材料表面的噴涂距離一般為150～250mm之間；

d. 微熔滴霧化的噴涂氣壓一般不低于0.55MPa。

筆者將對上述工藝參數(shù)進行研究分析，通過正交分析方法來評判其對涂層性能的影響程度。

2 正交試驗下的工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1正交試驗設計介紹

使用正交設計方法，通過計算各因素水平對試驗結(jié)果的影響，采用極差分析法，能快速得到比較優(yōu)化的試驗方案和試驗因素對試驗結(jié)果的影響程度。通過對正交試驗表進行簡單的計算，能夠獲得足夠的數(shù)據(jù)信息，進而節(jié)約試驗成本。該方法是采用正交表對試驗條件進行合理安排，并分析試驗數(shù)據(jù)的一種試驗方法，設計步驟如下[5]：

a. 確立試驗目的，制定試驗目標；

b. 選擇試驗因素，確定試驗水平，制訂正交試驗因素水平表；

c. 根據(jù)試驗選定的因素和水平數(shù)量，確定正交表，并且在滿足條件的情況下，盡可能選用試驗次數(shù)較少的正交表；

d. 列出試驗方案，進行試驗，將試驗獲得的數(shù)據(jù)填入正交表；

e. 分析試驗數(shù)據(jù)，確定最佳方案。

2.2確定試驗優(yōu)化目標

在實際生產(chǎn)中，由于電弧噴涂受到多方面因素的影響，要想完全杜絕缺陷幾乎是不可能的。因此，優(yōu)化工藝參數(shù)、弱化電弧噴涂過程中產(chǎn)生的缺陷對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度是主要目的，從而使產(chǎn)品的使用性能和外觀質(zhì)量滿足用戶需求。通過調(diào)查研究，確定涂層的結(jié)合強度(P1)、孔隙率(P2)和涂層硬度(P3)這3個指標對產(chǎn)品的質(zhì)量影響最大。

在進行試驗的進程中，對于涂層的結(jié)合強度，筆者通過電子萬能拉伸試驗機計算獲得；對于鋁涂層的孔隙率，通過稱重法測量獲得，并觀察表面形貌；對于涂層的硬度，選用標準的洛氏硬度機測量獲得。

3 正交試驗設置

3.1設置因素水平

在實際生產(chǎn)中，影響涂層質(zhì)量的因素有很多，從工藝參數(shù)的角度上來講，分別選取噴涂電壓(A)、噴涂電流(B)、噴涂距離(C)和噴涂氣壓(D)4個對試驗目標影響最大的工藝參數(shù)作為影響因素。各參數(shù)的取值范圍根據(jù)材料供應商提供的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗來制定出正交試驗的水平數(shù)據(jù)(表1)。

表1 鋁涂層工藝正交試驗水平數(shù)據(jù)

3.2制定正交試驗表

由于筆者計劃的正交試驗為4因素3水平，故選取的正交表為L9(34)的正交表來進行試驗安排設計，L為正交的代號，9為需要電弧噴涂的試驗次數(shù)，3為根據(jù)需要安排的水平數(shù)，4為因素的個數(shù)。

3.3試驗數(shù)據(jù)處理

在實際分析中，由于每個試驗目標對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度不同，所代表的物理意義也不一樣，因此不能直接進行評價。筆者采用加權(quán)綜合評分法進行評價，確定各項指標的權(quán)重，計算綜合加權(quán)評分值，計算式如下：

(1)

(2)

式中 (pM)k——第k項指標中的最大值；

(pm)k——第k項指標中的最小值；

(pi)k——第i號試驗中第k項考察指標觀測值；

Wk——權(quán)重因子系數(shù)。

筆者以鋁合金作為基材進行噴涂試驗，為了使評價結(jié)果更加合理，對Wk的取值一定要慎重，根據(jù)式(1)、(2)所示加權(quán)綜合評分法，分別取權(quán)重為W1=0.55、W2=0.35和W3=0.10。從而得到最終的評價函數(shù)為：

(3)

通過上述測量方法對鋁涂層進行試驗測量，記錄每次試驗的涂層結(jié)合強度、孔隙率和涂層硬度的試驗數(shù)據(jù)，分析結(jié)果見表2。

表2 L9(34)正交試驗表

對試驗結(jié)果進行正交極差分析，以便得到更加詳細的數(shù)值結(jié)果，進一步分析各因素條件對各指標的影響趨勢，得到綜合評價法的極差分析表(表3)。

表3 正交結(jié)果分析表

在此通過試驗正交分析，從而獲得各個因素對相關指標的影響程度，進行極差和均值的相關分析，來判斷綜合指標對因素的依賴程度。依賴程度越高，表明該因素越關鍵；依賴程度越低，表明該因素不是關鍵因素。將水平均值以圖形形式表示(圖2)。

圖2 水平因素趨勢圖

3.4試驗結(jié)果分析

通過正交試驗法，得到上述試驗結(jié)果，由表3可以看出，噴涂氣壓的綜合評分均值的差值最大，對綜合指標的影響最大，是主要因素；而噴涂電流的綜合評分均值的差值最小，對綜合指標的影響最小，是次要因素。從而得到因素的重要程度排序為：因素D>因素A>因素C>因素B。從圖3可以看出，綜合評分均值越高，對綜合指標的影響越大，從而得到的工藝方案越好，最優(yōu)的因素水平組合方案為A2B2C1D3，即在用鋁合金作為基材進行電弧噴涂時，選擇噴涂電壓為31V、噴涂電流為170A、噴涂距離為145mm和噴涂氣壓為0.83MPa是最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

4 結(jié)束語

筆者通過大量的試驗研究，從能表征涂層質(zhì)量的3個指標(結(jié)合強度、孔隙率、涂層硬度)出發(fā)，得到相關試驗數(shù)據(jù)，從而評判噴涂電壓、噴涂電流、噴涂距離和噴涂氣壓4個工藝參數(shù)對涂層質(zhì)量的影響程度。由于多項指標不能單純的線性疊加，故采用綜合評價法來考察各個因素對涂層質(zhì)量的影響。然后利用正交試驗分析法，對試驗結(jié)果進行極差和方差分析，從而得到各因素對綜合指標的影響程度，優(yōu)化了電弧噴涂工藝。通過較少的試驗組合得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合方案，極大地減少試驗成本。以鋁合金作為基材進行噴涂，還得出增加噴涂氣壓可以降低涂層的孔隙率和增加涂層的結(jié)合強度的結(jié)論。因此在微熔滴進行霧化時，要保證足夠的空氣氣壓，但要注意的是，噴涂氣壓不宜過大，否則可能破壞涂層。在其他條件一定時，隨著噴涂電壓的增加，鋁涂層的結(jié)合強度先是增加，然后又有所下降。

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