电弧喷涂工艺参数对套管壁铝涂层性能的影响

2014-05-29杜永军高建广

化工机械 2014年2期

杜永军高建广

(东北石油大学机械科学与工程学院)

电弧喷涂是将金属或合金丝制成熔化电极，由电动机驱动，在喷枪口相交产生短路而引发电弧熔化，借助压缩空气雾化成颗粒并高速喷向经过预处理的工件表面，形成涂层[1]。电弧喷涂铝涂层因具有优良的防腐性能(铝对于钢铁是阳极性材料)，而被广泛应用于防腐涂层，已有大量的研究表明，铝涂层是较为有效、经济的防护方法[2～5]。结合强度和孔隙率是影响电弧喷涂涂层性能的主要影响因素，涂层结合强度过低会导致涂层未达到理论腐蚀寿命而过早脱落，涂层孔隙率过高也会造成腐蚀介质扩散到基体/腐蚀介质的界面上参与反应，加速涂层的失效。笔者在不同的喷涂条件下制备铝涂层，利用电子万能试验机和称重法分别测试了涂层的结合强度和孔隙率，研究了喷涂工艺参数对涂层性能的影响。

1 实验简介

实验材料：涂层材料为石家庄新日锌业有限公司生产的铝丝材，纯度在99.8%以上；基体材料为N80套管钢，尺寸规格为50mm×25mm×2mm。

主要设备仪器：SQ-9J光切法显微镜(北京宇艾奇电子科技有限公司)，ZPG-400B电弧喷涂机(上海新业喷涂机械有限公司)，CSS-44100电子万能试验机，电子天平(北京多利斯仪器系统有限公司)，日立S-3400N扫描电子显微镜(日立高新技术国际贸易有限公司)。

喷涂工艺：空气压力0.5MPa，喷涂电流120A，喷涂时间30s，涂层厚度约为300μm。

工艺流程：表面粗化处理→碱性除油→表面喷涂→涂层加工与后处理。

使用光切法显微镜测试粗化后试件表面的粗糙度，采用电子万能试验机测试涂层与基体的结合强度，采用称重法测定铝涂层的孔隙率，并使用扫描电子显微镜观察不同喷涂工艺条件下涂层的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1试件表面粗糙度对结合强度的影响

图1所示为试件表面粗糙度对结合强度的影响。随着表面粗糙度的增加，涂层与基体之间的结合强度先增大后减小。当表面粗糙度在55～65μm之间时，结合强度最大，为22.1MPa。当试件表面粗糙度过大时，铝涂层具有较大的厚度分布范围，此时波峰部位涂层过薄，厚度要小于临界厚度，造成涂层的提前失效；当表面粗糙度过低时，降低了涂层与基体之间的结合力，涂层容易脱落。

图1 试件表面粗糙度对结合强度的影响

2.2喷涂电压对涂层性能的影响

图2为不同喷涂电压下所得铝涂层表面的SEM照片。从图2可以看出，当喷涂电压为38V时，涂层表面较为平整且孔隙较少。图3所示为喷涂电压对铝涂层结合强度和孔隙率的影响。由图3可知，随着喷涂电压的增大，涂层与基体的结合强度呈先增大后减小的趋势，涂层的孔隙率略微降低。原因是喷涂电压较小，电弧的温度过低，铝丝材融化不充分，雾化空气的雾化效果差，造成雾化颗粒与基体表面结合力较差，导致铝涂层与基体之间的结合强度较低，孔隙率较大；喷涂电压过大，电弧的温度过高，铝丝材融化虽然充分，但在雾化空气的作用下，造成颗粒过细，颗粒动能过小，在未到达基体表面时颗粒已冷却固化，以粉末状态撞击机体表面，导致涂层与基体之间的结合强度较低，但此时雾化颗粒较细，孔隙率较小。

图2 不同喷涂电压下铝涂层的SEM图

图3 喷涂电压对铝涂层结合强度和孔隙率的影响

2.3喷涂距离对涂层性能的影响

图4为不同喷涂距离下所得的铝涂层表面的SEM照片。从图4可以看出，当喷涂距离为120mm时，涂层表面较为平整且孔隙较少。图5所示为喷涂距离和结合强度、孔隙率之间的关系曲线。由图5可知，随着喷涂距离的增大，涂层与基体的结合强度呈先增大后减小的趋势，涂层的孔隙率略微增大。原因是喷涂距离过短，雾化颗粒接触基体表面时温度过高，造成涂层内部过热，冷却后涂层内应力过大，使涂层结合强度较低；喷涂距离过远，雾化颗粒在飞行过程中热量损失过多，造成颗粒到达基体表面时温度过低，增加了颗粒表面张力，流动性变差，撞击后不能与基体表面较好地接触，同时，喷涂距离过远，颗粒动能降低，导致涂层与基体结合强度下降。孔隙率增大的原因主要在于喷涂距离的增大，雾化颗粒的热能降低，从而导致颗粒的流动性下降，使孔隙率略微增大。