李春，趙常益，張子昌，李婷，馬康智，倪立勇，曲棟，楊震曉，文波

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

噴砂工藝作為一種表面粗化處理技術(shù)，其工作原理是利用高壓空氣攜帶一定粒度的砂粒，高速噴射到工件表面，使工件表面的雜質(zhì)及氧化皮去除，同時使工件表面粗化，一方面凈化表面，另一方面提高基體與涂層的結(jié)合強度[1-3]。噴砂工藝已成為熱噴涂涂層制備前處理的必要工序，也逐漸應(yīng)用于結(jié)合力要求較高的有機涂層涂覆前處理工序[4-8]。

已經(jīng)有大量的學(xué)者研究了噴砂工藝對基體表面粗糙度和涂層結(jié)合強度的影響。基體表面粗糙程度對涂層與基體的結(jié)合強度有很大的影響[9-11]。對于等離子噴涂涂層而言，表面粗糙度應(yīng)該存在一個最佳范圍，并不是表面粗糙度越大，涂層與基體的結(jié)合越好[9,12]。對于有機涂層而言，噴砂處理后試樣粗糙度數(shù)值越大，水性涂裝涂層附著力越高，耐腐蝕性能越好[13-15]，橡膠層與鋁合金基體的結(jié)合力則在一個較為合適的粗糙度值時具有最好的結(jié)合強度[16]。

也有部分學(xué)者研究了薄壁件表面噴砂過程中的變形規(guī)律和控制方法[17-25]。噴砂表面強化改變了內(nèi)應(yīng)力分布狀況，使構(gòu)件發(fā)生變形，但這種變形在自然時效后出現(xiàn)了回彈，通過熱處理可以改善工件的變形情況[22]。此外，根據(jù)鋁合金薄壁零件的形狀預(yù)先制作一個與其結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的仿形工裝，抵在薄壁區(qū)背部，也可以有效降低薄壁件的形變量[17,20]。但以上方法存在的問題是工藝較為復(fù)雜，成本較高，且熱處理對材料本身性能的影響較大，對工件尺寸的限制較為嚴格，延長了生產(chǎn)周期，因此不利于大規(guī)模應(yīng)用。另外，熱噴涂涂層和有機涂層會面臨局部破壞的情形，需要對涂層進行修補，多次噴砂的影響尚且缺乏深刻認識。因此，本文對鋁合金薄壁件不同噴砂工藝后表面狀態(tài)、顯微結(jié)構(gòu)、變形情況以及涂層結(jié)合強度的變化進行了深入研究。

1 實驗方法和材料

1.1 原料及噴砂設(shè)備

鋁合金薄壁件選用6061 鋁合金試片，尺寸為50 mm ×50 mm×2 mm。HXP-F 型循環(huán)式回收噴砂系統(tǒng)用于鋁合金表面噴砂，噴砂壓力為0.3～0.5 MPa。砂粒選用鄭州白鴿集團棕剛玉砂，粒度有24 目和60 目兩種規(guī)格。

1.2 顯微性能表征

采用TIME3200 型表面粗糙度測試儀測試噴砂后試片的表面粗糙度。Leica 6M 型金相顯微鏡用于觀測涂層的顯微形貌，VHX-700FC 型體式顯微鏡用于觀測噴砂后表面的3D 形貌。采用Zeiss G500 場發(fā)射掃描電鏡觀察噴砂后表面精細結(jié)構(gòu)。

質(zhì)量采用Sartorius BSA224S 分析天平測量，精度為0.1 mg。為了測量試片噴砂后的變形程度，將百分表（成量川牌百分表，量程0～10 mm，精度0.01 mm）垂直固定在已校準的金屬平臺上。如圖1 所示，將一塊平板平分為16 個方格，噴砂后朝上放置在金屬平臺上，測試25 個節(jié)點的高度。

圖1 鋁合金試片噴砂面測高選點示意圖Fig. 1 Schematic diagram of selected points on sandblasting surface of Al-alloy for height measurement

研究了多次噴砂后鋁合金薄壁件的狀態(tài)變化，為了保證每次的噴砂效果一致，噴砂前在表面噴藍色漆，待干燥后繼續(xù)噴砂至無色漆殘留，即完成一次噴砂。每次噴砂后記錄試片的質(zhì)量和厚度變化。

1.3 結(jié)合力測試

在Φ20 mm ×8 mm 的6061 鋁合金試片上采用9M 等離子噴涂系統(tǒng)噴涂熱障涂層。首先在鋁合金試片上采用60 目棕剛玉砂噴砂1 次、5 次和15 次，噴砂壓力為0.4 MPa，隨后噴涂鎳鉻鋁釔金屬粘接層，噴涂功率為39 kW，涂層厚度為100～140 μm，最后噴涂YSZ 涂層，噴涂功率為42.5 kW，涂層厚度為200～250 μm。參照GB/T 8642-2002 標準測試涂層的結(jié)合強度。

在6061 鋁合金試片(50×50×2mm3)上涂覆丙烯酸聚氨酯有機涂層。同樣地，采用60 目棕剛玉砂噴砂1 次、5 次和15 次，隨后涂覆0.05 mm 厚的丙烯酸聚氨酯層，待固化后，參照GB/T 9286-2021 標準測試涂層附著力。

2 結(jié)果與討論

2.1 一次噴砂的影響

圖2 是鋁合金薄板噴砂后的宏觀照片，從圖中可以明顯地看出，采用60 目棕剛玉砂得到的金屬表面更為細致，而24 目棕剛玉砂噴砂后表面較為粗糙，金屬光澤更為明顯。對于同一種砂粒，改變噴砂壓力，鋁板表面粗糙程度目視無明顯差異。另一方面，60 目棕剛玉砂壓力在0.5 MPa 時，鋁試片出現(xiàn)了輕微的變形，而24 目棕剛玉砂在壓力0.3 MPa 時，已經(jīng)觀察到變形，且隨著壓力的增加，變形程度更為明顯。

圖2 鋁基材表面噴砂后照片：(a), (b), (c) 60 目；(d), (e), (f) 24 目Fig. 2 Photos of Al-alloy surface after sandblasting: (a), (b), (c) 60-mesh; (d), (e), (f) 24-mesh

觀察了鋁基材表面0.4 MPa 噴砂后的形貌，圖3 是24 目和60 目棕剛玉砂噴砂后的SEM 圖像。噴砂后鋁合金表面呈現(xiàn)出明顯的粗糙結(jié)構(gòu)，凹陷和尖角狀凸起均勻分布在試樣表面。噴砂過程中，高速砂礫沖蝕鋁合金表面，使其不同位置發(fā)生塑性變形，被沖擊的位置形成凹坑，其周圍區(qū)域被擠壓，形成不規(guī)則形狀的凸起。由于棕剛玉砂剛性較大，鋁合金模量較低，噴砂過程中不易發(fā)生棕剛玉砂的沖擊破碎，也不易發(fā)生棕剛玉砂粘結(jié)包埋在塑性變形表面，造成基體污染。

圖3 鋁基材表面0.4 MPa 噴砂后SEM 圖像：(a), (b)60 目；(c), (d)24 目Fig. 3 SEM image of Al-alloy surface after 0.4 MPa sandblasting: (a), (b) 60-mesh; (c), (d) 24-mesh

測量了1 次噴砂前后鋁合金薄板的質(zhì)量、厚度和表面粗糙度。初步比較可以發(fā)現(xiàn)，噴砂前后，鋁板質(zhì)量無明顯變化，厚度出現(xiàn)了輕微增大，表面粗糙度則明顯增大。具體而言，噴砂后試樣厚度由原來的～2.0 mm 增大到2.026～2.045 mm，厚度增長26～45 μm。從表面SEM 圖像可以看出，砂粒并沒有在試片表面殘留，由于試片質(zhì)量變化不明顯，可以推斷出一次噴砂僅導(dǎo)致鋁合金表面塑性變形，而不會發(fā)生局部組織從基材表面沖蝕剝離。那么，表面粗糙度的增加必然會造成基體表觀厚度的增加。未噴砂前基體表面粗糙度Ra 值為0.35 μm 左右，根據(jù)表面粗糙度等級(ISO 1302-2002)劃分，為N 5 級，即微見加工痕跡。噴砂后基體表面粗糙度Ra 值達到4.747～11.49 μm，介于N 8～N 10，為半光面或粗糙面。對于等離子噴涂或有機涂層涂覆，顯然N 8～N 10 的粗糙度已能夠保證較好的結(jié)合強度。

從表1 的結(jié)果來看，24 目和60 目砂粒噴砂的結(jié)果差異比較明顯。盡管噴砂前后二者所造成的質(zhì)量變化可以忽略不計，但是從涂層厚度的比較而言，顯然同樣條件下24 目砂粒能造成更顯著的厚度和表面粗糙度增加，表明更大粒徑的棕剛玉砂能為基體表面帶來更好的粗化效果。這一統(tǒng)計結(jié)果與圖3 的SEM 圖像吻合，更明顯的凹陷和凸起預(yù)示表面粗糙度更大，表觀厚度的增大也更為顯著。就表面粗糙度而言，60 目砂在壓力較大的條件下(0.5 MPa)，對表面的粗化效果依然弱于24 目砂在壓力較低(0.3 MPa)的情況。由此可見，砂粒粒度對鋁合金基體表面粗化作用起到?jīng)Q定性作用。

表1 噴砂前后試片狀態(tài)Table 1 Surface state of Al-alloy before and after sandblasting

對比不同壓力下噴砂的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加，涂層的表觀厚度和表面粗糙度逐漸增加。24 目砂在0.3 MPa 下噴砂后鋁板粗糙度為8.925 μm，0.5 MPa 下增加至11.49 μm，粗糙度等級由N 9 增加到N 10，60 目噴砂則從N 8 增加到N 9（粗糙度由4.747 μm 增加到6.253 μm）?？梢钥闯?，在砂粒粒度一定的條件下，噴砂壓力的改變對鋁合金基體表面粗化的影響相對較小。

對于薄壁件，當單側(cè)噴砂時，砂子沖擊會對表面產(chǎn)生壓應(yīng)力作用[26]?；w厚度較小時，厚度方向形成較大的應(yīng)力梯度，將造成工件噴砂面中心位置出現(xiàn)向上鼓的情形。測量了噴砂1 次后樣品不同點位（圖1）的高度，來表征鋁合金薄壁件的變形情況。結(jié)果如圖4 所示。60 目砂在噴砂壓力0.3～0.5 MPa 條件下，基體不同位置處的厚度均較為均勻，極差在0.2 mm 以內(nèi)，可以認為變形量很低，噴砂壓力對薄板變形的影響有限。而對于24 目砂，可以明顯地觀察到中心位置的高度高于四角。0.3 MPa 條件下，中心位置比四角高出約0.6 mm 的高度，當壓力增加到0.5 MPa 后，其中心位置相較四角的變形量達到0.8 mm，高度梯度更明顯，試片中形成的殘余壓應(yīng)力水平愈加顯著。顯然，對于薄壁件，應(yīng)加強對砂粒粒度的控制，來降低噴砂過程中工件的變形。

圖4 鋁基材表面噴砂后高度分布云圖：(a) 60 目，0.3 MPa 壓力；(b) 60 目，0.4 MPa 壓力；(c) 60 目，0.5 MPa 壓力；(d) 24 目，0.3 MPa 壓力；(e) 24 目，0.4 MPa 壓力；(f) 24 目，0.5 MPa 壓力Fig. 4 Contour plots of Al-alloy surface after sandblasting: (a) 60-mesh, 0.3 MPa; (b) 60-mesh, 0.4 MPa;(c) 60-mesh, 0.5MPa; (d) 24-mesh, 0.3 MPa; (e) 24-mesh, 0.4 MPa; (f) 24-mesh, 0.5 MPa;

2.2 多次噴砂的影響

針對產(chǎn)品面臨多次修復(fù)或表面污垢多次去除的應(yīng)用需求，需要多次噴砂處理?？疾炝虽X合金薄壁件多次噴砂對表面狀態(tài)、顯微結(jié)構(gòu)以及涂層結(jié)合力的影響。

2.2.1 表面狀態(tài)

圖5 是鋁基材表面多次噴砂后質(zhì)量和厚度變化曲線?？傮w而言，隨著噴砂次數(shù)從1 次增加到15 次，鋁板厚度先增大，后逐漸降低，在第1 次噴砂后獲得最大的厚度。鋁合金試板質(zhì)量在第1次噴砂時無明顯變化，此后增加噴砂次數(shù)，試板質(zhì)量顯著降低。

圖5 鋁基材表面噴砂后質(zhì)量和厚度變化曲線：(a) 60 目，質(zhì)量變化；(b) 60 目，厚度變化；(c) 24 目，質(zhì)量變化；(d) 24 目，厚度變化Fig. 5 Curves of quality and thickness change of Al-alloy plates after sandblasting: (a) 60-mesh, quality change;(b) 60-mesh, thickness change; (c) 24-mesh, quality change; (d) 24-mesh, thickness change

從第一次噴砂起，鋁合金試樣的質(zhì)量和厚度隨著噴砂次數(shù)的增加呈現(xiàn)線性減小的趨勢。并且，砂粒尺寸越大，噴砂壓力越大，試樣的減厚和減重速度越快。60 目、0.3 MPa 條件下噴砂15 次后基體減重、減薄量分別為0.6334 g 和0.045 mm，但24 目、0.5 MPa 條件下噴砂15 次后基體減重、減薄量分別達到1.4000 g 和0.142 mm。

噴砂過程中砂粒均勻沖蝕在基體表面，可以認為試板的質(zhì)量減少是均勻減薄的結(jié)果。因此，引入基體當量減厚參數(shù)(de)，其定義為基體質(zhì)量在規(guī)定面積內(nèi)減少的均勻厚度，計算方法如公式(1)所示：

式中，mn,m0,ρ,A分別代表第n次噴砂后的試樣質(zhì)量，試樣噴砂前的質(zhì)量，6061 鋁合金的密度，試板的面積。本研究中ρ=2750 kg·m-3,A=0.25 mm2。

基體的實際減厚(dn)由基體原始厚度減去n次噴砂后的試樣厚度得出。可以發(fā)現(xiàn)，從第1 次噴砂起，基體實際減厚和當量減厚均隨著噴砂次數(shù)的增加線性增加。計算了二者的差值(de-dn)，結(jié)果如圖6 所示。de-dn反映了噴砂過程中基體表面噴砂區(qū)的后退情況，若de-dn變化不大，則噴砂過程中已噴砂粗糙層不斷后退，噴砂區(qū)以下部分被不斷噴砂，結(jié)果來看噴砂區(qū)厚度（可視為最高點與最低點的高度差）保持不變，表面狀態(tài)變化不大；若de-dn逐漸降低，則噴砂過程中已噴砂粗糙層后退量較大，噴砂區(qū)以下部分被再次噴砂的厚度相對較小，結(jié)果來看噴砂區(qū)厚度逐漸減薄，粗糙度會有所降低；反之亦然。有趣的是，鋁合金基板在60 目砂多次噴砂后，de-dn逐漸增大，表明其表面粗化程度在不斷增加。而24 目砂多次噴砂后，de-dn小幅度降低，15 次噴砂后減小約25 μm，說明其表面粗化程度略微減弱。

圖6 鋁基材噴砂后當量厚度與測量厚度的差值隨噴砂次數(shù)的變化：(a)60 目；(b)24 目Fig. 6 Difference between equivalent thickness and measured thickness of Al-alloy after sandblasting for increased times:(a) 60-mesh; (b) 24-mesh

2.2.2 顯微結(jié)構(gòu)

采用體式顯微鏡觀測了鋁合金基體在60 目砂，0.4 MPa 壓力下噴砂前后的表面狀態(tài)變化，結(jié)果如圖7 所示，噴砂之前，基體表面非常光滑，表面無明顯凸起或凹陷。噴砂一次后，表面開始出現(xiàn)局部凹陷和凸起，但凹陷和凸起過渡區(qū)域比較平緩。當噴砂次數(shù)達到5 次和15 次時，除了表面粗糙度加大、最低處與最高處的極差相較1 次噴砂明顯增大外，也出現(xiàn)多處尖角凸起和錐形凹陷，表明局部區(qū)域疊加沖蝕作用強烈。

圖7 鋁基材表面60 目0.4 MPa 噴砂前后表面三維光鏡照片：(a)未噴砂；(b)噴砂1 次；(c)噴砂5 次；(d)噴砂15 次Fig. 7 3D optical images of Al-alloy surface after 60-mesh 0.4 MPa sandblasting:(a) no sandblasting; (b) 1 time, (c) 5 times; (d) 15 times

采用表面粗糙度儀進行測試，定量統(tǒng)計了鋁合金試片在60 目0.4MPa 噴砂前后表面粗糙度的變化，結(jié)果如表2 所示。噴砂前表面粗糙度Ra 僅有0.35 μm，1 次噴砂后Ra 值已經(jīng)達到5.44 μm，Rz 也比噴砂前高一個數(shù)量級。進一步增加噴砂次數(shù)至5 次，Ra 和Rz 值均略微增加，這一結(jié)果與噴砂后de-dn的變化趨勢吻合。進一步增加噴砂次數(shù)，粗糙度變化不顯著，表明噴砂條件一定的情況下，增加噴砂次數(shù)，對表面狀態(tài)和粗糙度的影響可以忽略。

表2 噴砂不同次數(shù)后試片表面粗糙度Table 2 Surface roughness of Al-alloy surface after different times of sandblasting

2.2.3 抗拉結(jié)合強度

金屬材料涂覆涂層后若出現(xiàn)損傷，常用的方式是將損傷區(qū)域的涂層去除，再噴砂處理，重新噴涂涂層。研究多次噴砂對涂層和基體結(jié)合強度的影響，具有重要的工程應(yīng)用價值。本研究分別采用等離子噴涂的方式在60 目砂0.4 MPa 多次噴砂鋁合金基體上制備YSZ/NiCrAlY 熱障涂層體系和丙烯酸聚氨酯層，探究噴砂對熱噴涂無機涂層和有機涂料層兩種最典型應(yīng)用的影響。

熱噴涂過程會釋放大量熱量，為了保證測試數(shù)據(jù)的準確性，選擇了Φ20×8 mm 的鋁合金試樣作為基體，避免高溫變形，制備出表面平整的涂層體系。每種條件制備五組抗拉結(jié)合強度樣品，對測試結(jié)果取平均值，結(jié)果如表3 所示。1 次噴砂和5 次噴砂后的涂層結(jié)合強度均大于23 MPa，表現(xiàn)出良好的結(jié)合力，且二者之間差異較低，可以看出噴砂1 次已經(jīng)可以達到較好的界面結(jié)合，通過增加噴砂次數(shù)或延長噴砂時間顯然無效。在一些工況下，去除破壞區(qū)域后重復(fù)噴砂，也能達到初次噴砂的效果。當噴砂次數(shù)達到15 次以后，結(jié)合強度降低，僅有17.28 MPa，盡管從前面的結(jié)果來看，其表面粗糙度更高。可能的原因是多次噴砂后，試片邊緣位置出現(xiàn)了較多的損耗，導(dǎo)致試片中心位置略微突起，使得結(jié)合強度測試結(jié)果偏低。因此，從實際應(yīng)用的角度來說，噴砂次數(shù)超過5 次以后，除了需要關(guān)注其涂層表面粗糙度塑性變形，還需要關(guān)注不同位置的噴砂損耗，保持表面狀態(tài)的一致性。

表3 噴砂不同次數(shù)后等離子噴涂YSZ 涂層結(jié)合強度Table 3 Bonding strength of APS YSZ coating after different times of sandblasting

對60 目砂0.4 MPa 多次噴砂的鋁合金薄板表面涂覆約0.05 mm 厚的丙烯酸聚氨酯有機涂層，干燥固化1 天后，采用劃格法測試其在鋁合金表面的附著力，結(jié)果如圖8 所示。從圖中可以清晰地看出，噴砂1 次、5 次和15 次后，涂層在切割邊緣完全平滑，無一格脫落，即附著力達到0 級，主要是噴砂增大了表面粗糙度[27]。因此，鋁合金薄壁件多次噴砂都能取得較好的附著力，能夠滿足應(yīng)用需求。

圖8 鋁合金基體60 目0.4 MPa 噴砂有機涂層附著力測試表面狀態(tài)：(a) 噴砂1 次；(b) 噴砂5 次；(c) 噴砂15 次Fig. 8 Adhesion test results of organic coating on Al-alloy surface after 60-mesh 0.4 MPa sandblasting:(a) 1 time; (b) 5 times; (c) 15 times

綜上所述，對于鋁合金薄壁件，若表面狀態(tài)良好，應(yīng)優(yōu)先選擇60 目砂粒噴砂，壓力在0.3～0.5 MPa 范圍內(nèi)均可，降低變形風險。涂層修復(fù)等條件下需多次噴砂時，其粗糙度和結(jié)合強度不會發(fā)生明顯變化，但會造成基體厚度和質(zhì)量的降低，同時應(yīng)確保表面狀態(tài)的一致性。若表面狀態(tài)較差，可以選擇24 目砂粒噴砂，獲得較高的表面粗化效率。

與此同時，對于其它楊氏模量較低、塑性較好的金屬材料，如鎂合金、鈦合金等薄壁件，本研究結(jié)果對實際生產(chǎn)作業(yè)能夠起到很好的指導(dǎo)借鑒作用。對于楊氏模量較高的金屬材料，如不銹鋼或高溫合金薄壁件，需進一步探究噴砂工藝的影響。

3 結(jié)論

本文研究了噴砂工藝對鋁合金薄壁件表面狀態(tài)、顯微結(jié)構(gòu)、變形情況以及噴涂涂層結(jié)合力的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1) 1 次噴砂后，鋁合金基體的表面粗糙度明顯提升（粗糙度等級從N 5 級提升至N 8～N 10），厚度也略微增加，質(zhì)量變化不明顯，24 目噴砂會造成基體表面明顯變形。影響噴砂表面粗化效果的主要因素是砂粒粒度，噴砂壓力的影響較小。

(2) 鋁合金薄壁件多次噴砂后質(zhì)量和厚度線性降低，影響降低速率的主要因素也是砂粒粒度，噴砂壓力為次要因素。60 目砂多次噴砂使表面粗化層的厚度增大，24 目砂多次噴砂則會減薄表面粗化層。

(3) 鋁合金1 次噴砂，其表面YSZ 熱噴涂涂層結(jié)合強度已高達23 MPa 以上，增加噴砂次數(shù)對結(jié)合強度的影響不大，但15 次噴砂后表面狀態(tài)的一致性難以保持，會降低結(jié)合強度。對于有機涂層而言，1 次或多次噴砂均能保持較高的附著力，結(jié)合力等級達到0 級。