電弧噴涂工藝參數對套管壁鋁涂層性能的影響

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。

1 實驗簡介

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 結果與討論

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。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 結論

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。

[1] 錢苗根，姚壽山，張少宗.現代表面技術[M].北京：機械工業出版社，2002：136.

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

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