摘 要:
近年来，高速电弧喷涂以其优异的性能得到广泛的应用。为提升其喷涂涂层与基体的结合强度，研究人员主要专注于新的喷涂材料的研究。文中分析高速电弧喷涂操作工艺并提出，改进喷涂预处理工艺，同样对提升涂层与基体的结合强度有较大的影响，并通过试验，得到了优化的预处理工艺参数。
关键词: 高速电弧喷涂; 预处理; 结合强度
现代工业的发展需要机械设备在高参数( 高温、高压、高速度) 和恶劣的工况条件下能稳定运行，因此对设备材料的性能提出了高要求。然而，采用高性能的材料来制造整体设备及部件显然不经济。因此，研究材料的表面处理技术以获得表面防护和强化就具有非常重大的技术和经济意义。
近年来，高速电弧喷涂以其涂层结合强度高、耗能少、成本低等优点，在生产实际中得到了广泛应用［1，2］。为了提高涂层与基体的结合强度，研究人员主要专注于喷涂材料的研究，提出了应用多种材料作为打底及喷涂材料［3 －7］。本文则将研究重点放在喷涂工艺，尤其是预处理工艺上，探究最佳的预处理工艺。
1 高速电弧喷涂简介
1． 1 喷涂技术原理
高速电弧喷涂，是一种利用电弧，将丝状的金属喷涂材料加热熔融，并利用高速气流雾化，使喷涂材料的融滴以一定速度喷向经过预处理的部件表面，依靠喷涂材料的物理变化与化学反应，与部件表面形成结合层的工艺方法［8］。
喷涂时，两根丝状金属喷涂材料通过送丝装置送进喷枪中分别接正负电极的两个导电嘴内。压缩空气将正负电极接触时熔化的金属雾化，喷向零件表面形成连续涂层，如图1所示。
1． 2 喷涂工艺流程
高速电弧喷涂基本工艺流程为: 工件表面预处理、喷涂打底层和工作层以及喷涂层后处理。在三个流程中，喷涂前的预处理工序十分重要，它直接影响着修复质量。预处理工艺包括以下三步［12］:( 1) 表面清洗
表面制备的第一道工序是待喷涂表面及相邻区域除油、去污、除锈等清洗工作。表面清洗使基材表面达到设计要求的清洁度。实际操作中，可采用溶剂或清洗液等化学方法进行清洗。需要清除的污染物包括表面的油脂、油渍、旧涂层、氧化皮、铁锈、焊渣及其他污染物等。
( 2) 表面预加工
表面预加工是指利用车削、磨削等机械加工工艺，去除有害表层。对于旧品的表面预加工是为了除去工件表面的各种损伤( 如疲劳层、腐蚀层、表面硬化层等) ，修正不均匀的磨损表面。表面预加工可以预留一定的喷涂层厚度，预加工量则由设计的涂层厚度决定。
( 3) 表面粗化
表面粗化以压缩空气射流或高速旋转叶轮的离心力为动力，将硬质磨料加速后喷射到基体表面，去除基体表面的氧化皮、铁锈、旧漆层及其他污染物或附着物的一种工艺。表面粗化可以使工件产生表面压应力，提高工件表面的活性，增大喷涂层的接触面积，有助于提升工件的抗疲劳性能。
喷涂完毕后，为了填补或消除涂层固有的缺陷，改善涂层性能，从而得到尺寸更为精确的涂层，应对涂层进行后续加工处理，即为涂层后处理。常见的涂层后处理主要有: 封孔处理、重熔处理、强化处理和扩散处理等。
2 喷砂预处理工艺
喷砂是表面粗化最常用的工艺技术，该技术以压缩空气为动力，形成高速喷射束将喷料喷到需要处理的工件表面，使工件的外表面形状发生变化。磨料对工件表面的冲击和切削作用使得工件表面获得一定的清洁度和粗糙度，改善了工件表面的机械性能，增加了工件表面和涂层之间的附着力，提升了涂膜的耐久性，有利于涂料的流平和装饰［9］。喷砂可以去除工件表面氧化膜，使基体显露出“新鲜金属”，使表面得以粗化。表面粗化以后，增大了工件表面的活性和增大喷涂层的接触面积［10］，使工件产生表面压应力，增强了工件的抗疲劳性能。
常用的喷砂材料有多角铸铁砂、刚玉砂、石英砂。本次试验采用棕刚玉砂，试验操作如图 2 所示。实际操作中，常简单地用眼睛观察来判断喷砂后工件的表面粗糙度是否合格。实际操作中普遍认为，在较强的光线照射下，从各个角度观察喷砂面，如果没有明显的反射亮斑，则认为喷砂后工件的表面粗糙度是合格的。
喷砂工艺中可能的影响因素有: 砂的目数、喷砂压力、喷砂距离、喷砂时间、喷砂角度。根据实际经验，并节省成本，排除喷砂时间( 一般两分钟) 和喷砂角度( 75°左右) 这两个次要因素实验。所以选定砂的目数、喷砂压力、喷砂距离这三个主要因素进行分析。
通过控制喷砂操作时所用砂的目数、喷砂压力和喷砂距离可以得到基体不同的粗糙度值。选择目数分别为 16、24、30 目; 进气压力设置为 0． 5 MPa、0． 6 MPa、0． 7 MPa; 喷砂距离为 80 －100 mm、100 －120 mm、120 －150 mm。喷砂操作工艺参数和喷砂后得到的表面粗糙度数据如表 1 所示。
3 涂层结合强度的测量
3． 1 拉伸试验操作
为了研究不同粗糙度对结合强度的影响，在对喷涂试块的设计上，我们采用表 2 所示的方法。选取 3 个粗糙度区间，每个区间有 1 － 2 个试块进行喷涂，然后进行拉伸试验，以展示粗糙度对结合强度的影响。
喷涂前的打底层是为了缓和基体到涂层性能上的急剧变化。底层材料通常用的是镍铝合金丝或镍铝复合丝。高速电弧喷涂工作层的材料为铝合金丝。参考技术已成熟的文献获得，并且也考虑留有一定的喷涂以后的加工余量，比如磨加工。
此次拉伸试验在上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院力学实验中心的 ZDM 型万能材料试验机上完成。涂层的拉伸实验需要胶水有较高的粘结强度( 要求: 50－ 60MPa) ，上海合成树脂研究所的 E － 7 胶水抗拉强度能达到 50MPa 以上，测试效果可达到试验的预期要求。试验效果的好坏不仅跟胶水本身性能、基体原始粗糙度有关，涂胶的操作方法也会对试验效果产生很大的影响。表 3 是 E －7 胶水涂胶的具体步骤。
涂层的结合强度根据 GB/T 8642 － 2002 进行。试验步骤如下:
( 1) 对试样 A 进行预处理及高速电弧喷涂操作;
( 2) 试样 B 是与试样 A尺寸相同的未喷涂试件，对 B的端面进行喷砂粗化处理;
( 3) 在试样 A 的涂层面和B 的粗化端面上，各涂一层薄而均匀的 E －7 粘合剂，然后让A、B 轴心重合充分粘合直到固化;
( 4) 固化好的试件装上夹具，在 ZDM 型液压万能试验机上进行拉伸试验。
将喷涂试块与未喷涂试块对心粘结，如图 5、图 6 所示测定涂层与基体的结合强度。对拉伸后的试验观察其断口形貌，完全由基体与涂层界面处脱落者视为有效［11］。实验数据如表 5 所示，涂层断裂面情况如图 7 所示。
3． 2 试验分析
通过试块断开的情况来分析涂层的抗拉强度。试块中涉及到:基体、粘结底层、中间层、工作层，如图 5 所示。拉伸过程会主要出现以下几种情况:
( 1) 基体和过渡层断开，说明基体表面粗糙度不够，实际结合强度为所得值;
( 2) 中间层本身断开，说明基体与涂层结合强度和胶水抗拉强度均大于涂层抗拉强度，实际结合强度为所得值;
( 3) 工作涂层本身断开，说明基体与涂层结合强度和胶水抗拉强度均大于涂层抗拉强度，实际结合强度为所得值;
( 4) 胶水层断开，说明胶水本身的抗拉强度不够，实际结合强度比所得值要大。从拉伸断开的情况可以看出: 涂层试块全是涂层本身断开，说明涂层本身的抗拉强度最大值为: 30． 6 MPa。
4 结 论
通过拉伸实验得出: 高速电弧涂层是涂层本身断开，测得的数据为涂层真实的抗拉强度。4 号试块试验得到最大的拉伸强度30． 6 MPa。所以本研究中，喷砂预处理后得到的最佳表面粗糙度值范围应该为 Ｒz: 65 －80。由表 1 预处理时不同的喷砂预处理操作工艺，结合拉伸试验结论，可以得到:
( 1) 改进喷涂材料不是提升涂层结合强度的唯一途径，优化预处理工艺同样对提升涂层结合强度有较大的影响。
( 2) 在喷砂试验设备允许的条件下，进气压力要尽可能接近设备允许的最大值。本试验中，在喷砂环节采用 0． 7MPa 的设备最大进气压力，得到的拉伸效果最佳。
( 3) 喷砂时，应尽量采取目数小的砂，且喷砂距离在100 － 120 mm 之间时，得到的拉伸效果最佳。
( 4) 喷砂预处理得到的粗糙度在 Ｒz65 － 80 区间时，涂层的拉伸强度最大。Ｒz65 － 80 区间为中间粗糙度区间，说明并非基体粗糙度越高，结合强度就越大。
参考文献略
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