杜永軍 高建廣
(東北石油大學機械科學與工程學院)
電弧噴涂是將金屬或合金絲制成熔化電極,由電動機驅動,在噴槍口相交產生短路而引發電弧熔化,借助壓縮空氣霧化成顆粒并高速噴向經過預處理的工件表面,形成涂層[1]。電弧噴涂鋁涂層因具有優良的防腐性能(鋁對于鋼鐵是陽極性材料),而被廣泛應用于防腐涂層,已有大量的研究表明,鋁涂層是較為有效、經濟的防護方法[2~5]。結合強度和孔隙率是影響電弧噴涂涂層性能的主要影響因素,涂層結合強度過低會導致涂層未達到理論腐蝕壽命而過早脫落,涂層孔隙率過高也會造成腐蝕介質擴散到基體/腐蝕介質的界面上參與反應,加速涂層的失效。筆者在不同的噴涂條件下制備鋁涂層,利用電子萬能試驗機和稱重法分別測試了涂層的結合強度和孔隙率,研究了噴涂工藝參數對涂層性能的影響。
實驗材料:涂層材料為石家莊新日鋅業有限公司生產的鋁絲材,純度在99.8%以上;基體材料為N80套管鋼,尺寸規格為50mm×25mm×2mm。
主要設備儀器: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(上海新業噴涂機械有限公司),CSS-44100電子萬能試驗機,電子天平(北京多利斯儀器系統有限公司),日立S-3400N掃描電子顯微鏡(日立高新技術國際貿易有限公司)。
噴涂工藝:空氣壓力0.5MPa,噴涂電流120A,噴涂時間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,采用電子萬能試驗機測試涂層與基體的結合強度,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。
2.1試件表面粗糙度對結合強度的影響
圖1所示為試件表面粗糙度對結合強度的影響。隨著表面粗糙度的增加,涂層與基體之間的結合強度先增大后減小。當表面粗糙度在55~65μm之間時,結合強度最大,為22.1MPa。當試件表面粗糙度過大時,鋁涂層具有較大的厚度分布范圍,此時波峰部位涂層過薄,厚度要小于臨界厚度,造成涂層的提前失效;當表面粗糙度過低時,降低了涂層與基體之間的結合力,涂層容易脫落。
圖1 試件表面粗糙度對結合強度的影響
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,當噴涂電壓為38V時,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合強度和孔隙率的影響。由圖3可知,隨著噴涂電壓的增大,涂層與基體的結合強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合力較差,導致鋁涂層與基體之間的結合強度較低,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,顆粒動能過小,在未到達基體表面時顆粒已冷卻固化,以粉末狀態撞擊機體表面,導致涂層與基體之間的結合強度較低,但此時霧化顆粒較細,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合強度和孔隙率的影響
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,當噴涂距離為120mm時,涂層表面較為平整且孔隙較少。圖5所示為噴涂距離和結合強度、孔隙率之間的關系曲線。由圖5可知,隨著噴涂距離的增大,涂層與基體的結合強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溫度過高,造成涂層內部過熱,冷卻后涂層內應力過大,使涂層結合強度較低;噴涂距離過遠,霧化顆粒在飛行過程中熱量損失過多,造成顆粒到達基體表面時溫度過低,增加了顆粒表面張力,流動性變差,撞擊后不能與基體表面較好地接觸,同時,噴涂距離過遠,顆粒動能降低,導致涂層與基體結合強度下降??紫堵试龃蟮脑蛑饕谟趪娡烤嚯x的增大,霧化顆粒的熱能降低,從而導致顆粒的流動性下降,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合強度和孔隙率的影響
3.1試件表面粗糙度對涂層與基體的結合強度的影響較大,表面粗糙度為55~65μm時鋁涂層與基體之間的結合強度最大。
3.2隨著噴涂電壓和噴涂距離的逐漸增大,鋁涂層與基體的結合強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系,與噴涂距離呈正比關系。
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。
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