超音速電弧噴涂Zn—Al—Si—RE涂層制備及性能研究

紀(jì)興華+++尚翠霞+++孫召瑞+++陳文

摘 要：利用超音速噴涂設(shè)備，在Q345鋼樣板上噴涂Zn-Al-Si-RE涂層。通過(guò)正交試驗(yàn)法確定合理噴涂工藝參數(shù)，研究了Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示：Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度在Si含量為9%時(shí)達(dá)到34.9 MPa，結(jié)合強(qiáng)度隨Si含量的增加先增大后減小。

關(guān)鍵詞：超音速電弧噴涂；Zn-Al-Si-RE涂層；工藝參數(shù)

海洋環(huán)境是各種自然環(huán)境中最嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境之一。水陸兩棲裝備在工作時(shí)不僅要有良好的抗腐蝕能力，還要承受海水、流沙對(duì)表面的沖刷，必須提高防護(hù)層的耐磨性，因此要求防護(hù)層與基體具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。電弧噴涂具有長(zhǎng)效防腐和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為海洋環(huán)境下防腐最具競(jìng)爭(zhēng)力的方法之一，粉芯絲材的出現(xiàn)大大擴(kuò)展了電弧噴涂的應(yīng)用范圍[1]。目前電弧噴涂在海洋環(huán)境下的應(yīng)用研究主要集中在固定鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)移動(dòng)兩棲裝備的防腐研究較少。

Zn、Al及Zn-Al二元合金涂層已被證明是海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)的有效方法之一[2-4]， Zn-Al二元合金涂層是電化學(xué)防護(hù)和化學(xué)遮斷防護(hù)體系的結(jié)合，不僅具有Zn涂層對(duì)鋼鐵基體有效的陰極保護(hù)作用同時(shí)因涂層中含有足夠的Al能夠形成完整的Al2O3保護(hù)膜，Zn-Al二元合金涂層是在純Zn、純Al防護(hù)基礎(chǔ)上發(fā)展出的防腐效果更好的系統(tǒng)。但是Zn-Al二元合金所形成的涂層為"偽合金"涂層，涂層的結(jié)合力偏低，同時(shí)由于鋁的相對(duì)硬度較高，所形成的空隙率較大，Zn-Al二元合金涂層不能很好的滿足水陸兩棲裝備長(zhǎng)效防腐的要求。基于Si元素在鋁合金中所起作用與鋁稀土涂層在海洋防腐中的腐蝕行為[5]，如Si元素可改善流動(dòng)性[6]、結(jié)晶過(guò)程幾乎不收縮、Al-Si合金具有良好的抗腐蝕性等，本文通過(guò)添加稀土元素對(duì)Zn-Al-Si三元合金進(jìn)行變質(zhì)處理，研究Si元素對(duì)合金涂層與基體結(jié)合力的影響，為開(kāi)發(fā)高性能的Zn-Al-Si-RE防腐涂層奠定理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所選用的基體材料為Q345鋼，為了研究Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的影響，本實(shí)驗(yàn)首先制備了Zn-Al-Si-RE合金絲，成分配比如表1所示，Zn與Al的質(zhì)量比為7：3，稀土元素成分含Nd、La和Pr。

表1 Zn-Al-Si-RE合金絲成分

為了保證噴涂質(zhì)量及噴涂工藝參數(shù)的一致性，以第三組材料采用正交試驗(yàn)確定噴涂工藝參數(shù)，即噴涂電壓、噴涂電流、噴涂距離和霧化氣壓。

采用高速電弧噴涂槍和XDP-5型電弧噴涂系統(tǒng)制備涂層。噴涂前將基體放入噴砂箱進(jìn)行噴砂處理，噴砂材料為24目剛玉砂，空氣壓力為0.5Mpa。噴砂后首先用壓縮氣體將基體表層砂粒清除，然后用丙酮徹底清洗，使其表面達(dá)Sa3級(jí)，在各因素的不同水平值下進(jìn)行噴涂操作，各因素的水平值如表2所示，通過(guò)控制送絲速度噴涂制備厚度約120μm的Zn-Al-Si-RE涂層。

表2 正交試驗(yàn)各因素水平值

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9796-88對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。采用拉伸試驗(yàn)法，將試樣固定在電子萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上，緩慢拉伸，根據(jù)拉斷時(shí)載荷的大小計(jì)算結(jié)合強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 Zn-Al-Si-RE涂層噴涂工藝參數(shù)的確定

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示（數(shù)值為相同工藝參數(shù)下三組試驗(yàn)的平均值），由試驗(yàn)參數(shù)極差值比較可知：霧化氣壓對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響最大。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖1所示為結(jié)合強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果的水平趨勢(shì)圖。如圖1（d）所示：霧化氣壓越大，涂層結(jié)合強(qiáng)度越高，這是因?yàn)殪F化粒子的顆粒度隨霧化氣壓的增大而減小，同時(shí)高的速度使霧化粒子嵌入孔隙中，所得涂層的致密度較好，結(jié)合強(qiáng)度較高。噴涂電壓對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律是先增大后減小，如圖1（a）所示：當(dāng)噴涂電壓為30V時(shí)，由于噴涂粒子融化不充分導(dǎo)致其表面張力較大，粒子間不能夠緊密結(jié)合，涂層結(jié)合強(qiáng)度較低；隨著噴涂電壓的增大，電弧溫度升高，熔融粒子的變形及結(jié)合能力得到提高，結(jié)合強(qiáng)度增大；當(dāng)噴涂電壓較大時(shí)，材料燒蝕及氧化嚴(yán)重，孔隙率較大，結(jié)合強(qiáng)度降低。圖1（b）所示為涂層結(jié)合強(qiáng)度隨噴涂電流變化的變化趨勢(shì)，噴涂電流越大，電弧溫度越高，噴涂熔融材料的流動(dòng)性越好，粒子的霧化及結(jié)合越好。如圖1（c）所示，當(dāng)噴涂距離增大時(shí)，涂層結(jié)合強(qiáng)度降低。噴涂粒子的飛行速度在離開(kāi)噴嘴后先加速一段距離后快速減速，速度越快粒子之間的結(jié)合越緊密，涂層結(jié)合強(qiáng)度越高。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果確定噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電壓32V、噴涂電流180A、噴涂距離150mm、霧化氣壓0.6MPa。

（a） （b）

（c） （d）

圖1 結(jié)合強(qiáng)度水平趨勢(shì)圖

2.2 結(jié)果分析

在噴涂電壓32V、電流180A、距離150mm、霧化氣壓0.6MPa的噴涂條件下按表1絲材成分分別對(duì)Q345鋼板進(jìn)行噴涂，Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖2所示。當(dāng)Si的含量為9%時(shí)，所得Zn-Al-Si-RE涂層的結(jié)合強(qiáng)度最大，為34.9MPa，Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響總體變化趨勢(shì)為隨Si含量的增加結(jié)合強(qiáng)度先增加后減小。

Al-Si合金具有良好的耐磨性、耐蝕性、流動(dòng)性，但是初晶硅晶粒粗大，形成的截面結(jié)合強(qiáng)度不高。加入稀土元素對(duì)Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，得到細(xì)化初晶硅，界面孔隙率降低，結(jié)合強(qiáng)度升高。當(dāng)粉芯材料中硅含量較低時(shí)，熔體流動(dòng)性較差，在相同的霧化氣壓下得到的噴涂顆粒較粗，孔隙率較高，結(jié)合強(qiáng)度低。隨著硅含量的增大，熔體流動(dòng)性得到改善，間隙得到很好的填充，噴涂涂層致密度提高。但是當(dāng)硅含量較高時(shí)，初晶硅的細(xì)化不完全，粗大初晶硅不均勻的分布于涂層截面，降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。因此Zn-Al-Si-RE粉芯材料中材料的配比應(yīng)控制在合適的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用超音速電弧噴涂可以制備力學(xué)性能良好的Zn-Al-Si-RE涂層，通過(guò)正交試驗(yàn)確定噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓32V、噴涂電流180A、噴涂距離150mm、霧化氣壓0.6MPa。Si含量為9%時(shí)制備的Zn-Al-Si-RE涂結(jié)合強(qiáng)度最大，達(dá)到34.9MPa；Si含量的增加，Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度先增加后減小。

參考文獻(xiàn)

[1]陳永雄，劉燕，梁秀兵，等.電弧噴涂Zn-Al-Mg-RE粉芯絲材及其涂層的制備[J].材料工程，2009，（3）：65-68.

[2]Yang C，Li B S，Ren M X. Studies of microstructures made of Zn-Al alloys using microcasting[J]， International of advanced Manufacturing Technology，2010，46（1-4）：173-178.

[3]劉奎仁，朱琦，馬鵬程，等.電弧噴涂法制備Zn-Al-Mg-RE-Si非平衡組織涂層及其性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（3）：498-501.

[4]Lin B L，Lu X Y，Li L. Corrosion behaviors of arc spraying single and double layer coating in simulated Dagang soil solution[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2009，19（6）：1556-1561.

[5]劉毅，魏世丞，王玉江，等.鋁稀土涂層在海洋防腐中的腐蝕行為[J].材料導(dǎo)報(bào)，2010，24（12）：59-61.

[6]陳強(qiáng).合金加工流變學(xué)及其應(yīng)用[M].北京，冶金工業(yè)出版社，2012.

第一作者簡(jiǎn)介：紀(jì)興華，男，1982年出生，講師，萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院。endprint

摘 要：利用超音速噴涂設(shè)備，在Q345鋼樣板上噴涂Zn-Al-Si-RE涂層。通過(guò)正交試驗(yàn)法確定合理噴涂工藝參數(shù)，研究了Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示：Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度在Si含量為9%時(shí)達(dá)到34.9 MPa，結(jié)合強(qiáng)度隨Si含量的增加先增大后減小。

關(guān)鍵詞：超音速電弧噴涂；Zn-Al-Si-RE涂層；工藝參數(shù)

海洋環(huán)境是各種自然環(huán)境中最嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境之一。水陸兩棲裝備在工作時(shí)不僅要有良好的抗腐蝕能力，還要承受海水、流沙對(duì)表面的沖刷，必須提高防護(hù)層的耐磨性，因此要求防護(hù)層與基體具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。電弧噴涂具有長(zhǎng)效防腐和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為海洋環(huán)境下防腐最具競(jìng)爭(zhēng)力的方法之一，粉芯絲材的出現(xiàn)大大擴(kuò)展了電弧噴涂的應(yīng)用范圍[1]。目前電弧噴涂在海洋環(huán)境下的應(yīng)用研究主要集中在固定鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)移動(dòng)兩棲裝備的防腐研究較少。

Zn、Al及Zn-Al二元合金涂層已被證明是海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)的有效方法之一[2-4]， Zn-Al二元合金涂層是電化學(xué)防護(hù)和化學(xué)遮斷防護(hù)體系的結(jié)合，不僅具有Zn涂層對(duì)鋼鐵基體有效的陰極保護(hù)作用同時(shí)因涂層中含有足夠的Al能夠形成完整的Al2O3保護(hù)膜，Zn-Al二元合金涂層是在純Zn、純Al防護(hù)基礎(chǔ)上發(fā)展出的防腐效果更好的系統(tǒng)。但是Zn-Al二元合金所形成的涂層為"偽合金"涂層，涂層的結(jié)合力偏低，同時(shí)由于鋁的相對(duì)硬度較高，所形成的空隙率較大，Zn-Al二元合金涂層不能很好的滿足水陸兩棲裝備長(zhǎng)效防腐的要求。基于Si元素在鋁合金中所起作用與鋁稀土涂層在海洋防腐中的腐蝕行為[5]，如Si元素可改善流動(dòng)性[6]、結(jié)晶過(guò)程幾乎不收縮、Al-Si合金具有良好的抗腐蝕性等，本文通過(guò)添加稀土元素對(duì)Zn-Al-Si三元合金進(jìn)行變質(zhì)處理，研究Si元素對(duì)合金涂層與基體結(jié)合力的影響，為開(kāi)發(fā)高性能的Zn-Al-Si-RE防腐涂層奠定理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所選用的基體材料為Q345鋼，為了研究Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的影響，本實(shí)驗(yàn)首先制備了Zn-Al-Si-RE合金絲，成分配比如表1所示，Zn與Al的質(zhì)量比為7：3，稀土元素成分含Nd、La和Pr。

表1 Zn-Al-Si-RE合金絲成分

為了保證噴涂質(zhì)量及噴涂工藝參數(shù)的一致性，以第三組材料采用正交試驗(yàn)確定噴涂工藝參數(shù)，即噴涂電壓、噴涂電流、噴涂距離和霧化氣壓。

采用高速電弧噴涂槍和XDP-5型電弧噴涂系統(tǒng)制備涂層。噴涂前將基體放入噴砂箱進(jìn)行噴砂處理，噴砂材料為24目剛玉砂，空氣壓力為0.5Mpa。噴砂后首先用壓縮氣體將基體表層砂粒清除，然后用丙酮徹底清洗，使其表面達(dá)Sa3級(jí)，在各因素的不同水平值下進(jìn)行噴涂操作，各因素的水平值如表2所示，通過(guò)控制送絲速度噴涂制備厚度約120μm的Zn-Al-Si-RE涂層。

表2 正交試驗(yàn)各因素水平值

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9796-88對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。采用拉伸試驗(yàn)法，將試樣固定在電子萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上，緩慢拉伸，根據(jù)拉斷時(shí)載荷的大小計(jì)算結(jié)合強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 Zn-Al-Si-RE涂層噴涂工藝參數(shù)的確定

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示（數(shù)值為相同工藝參數(shù)下三組試驗(yàn)的平均值），由試驗(yàn)參數(shù)極差值比較可知：霧化氣壓對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響最大。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖1所示為結(jié)合強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果的水平趨勢(shì)圖。如圖1（d）所示：霧化氣壓越大，涂層結(jié)合強(qiáng)度越高，這是因?yàn)殪F化粒子的顆粒度隨霧化氣壓的增大而減小，同時(shí)高的速度使霧化粒子嵌入孔隙中，所得涂層的致密度較好，結(jié)合強(qiáng)度較高。噴涂電壓對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律是先增大后減小，如圖1（a）所示：當(dāng)噴涂電壓為30V時(shí)，由于噴涂粒子融化不充分導(dǎo)致其表面張力較大，粒子間不能夠緊密結(jié)合，涂層結(jié)合強(qiáng)度較低；隨著噴涂電壓的增大，電弧溫度升高，熔融粒子的變形及結(jié)合能力得到提高，結(jié)合強(qiáng)度增大；當(dāng)噴涂電壓較大時(shí)，材料燒蝕及氧化嚴(yán)重，孔隙率較大，結(jié)合強(qiáng)度降低。圖1（b）所示為涂層結(jié)合強(qiáng)度隨噴涂電流變化的變化趨勢(shì)，噴涂電流越大，電弧溫度越高，噴涂熔融材料的流動(dòng)性越好，粒子的霧化及結(jié)合越好。如圖1（c）所示，當(dāng)噴涂距離增大時(shí)，涂層結(jié)合強(qiáng)度降低。噴涂粒子的飛行速度在離開(kāi)噴嘴后先加速一段距離后快速減速，速度越快粒子之間的結(jié)合越緊密，涂層結(jié)合強(qiáng)度越高。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果確定噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電壓32V、噴涂電流180A、噴涂距離150mm、霧化氣壓0.6MPa。

（a） （b）

（c） （d）

圖1 結(jié)合強(qiáng)度水平趨勢(shì)圖

2.2 結(jié)果分析

在噴涂電壓32V、電流180A、距離150mm、霧化氣壓0.6MPa的噴涂條件下按表1絲材成分分別對(duì)Q345鋼板進(jìn)行噴涂，Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖2所示。當(dāng)Si的含量為9%時(shí)，所得Zn-Al-Si-RE涂層的結(jié)合強(qiáng)度最大，為34.9MPa，Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響總體變化趨勢(shì)為隨Si含量的增加結(jié)合強(qiáng)度先增加后減小。

Al-Si合金具有良好的耐磨性、耐蝕性、流動(dòng)性，但是初晶硅晶粒粗大，形成的截面結(jié)合強(qiáng)度不高。加入稀土元素對(duì)Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，得到細(xì)化初晶硅，界面孔隙率降低，結(jié)合強(qiáng)度升高。當(dāng)粉芯材料中硅含量較低時(shí)，熔體流動(dòng)性較差，在相同的霧化氣壓下得到的噴涂顆粒較粗，孔隙率較高，結(jié)合強(qiáng)度低。隨著硅含量的增大，熔體流動(dòng)性得到改善，間隙得到很好的填充，噴涂涂層致密度提高。但是當(dāng)硅含量較高時(shí)，初晶硅的細(xì)化不完全，粗大初晶硅不均勻的分布于涂層截面，降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。因此Zn-Al-Si-RE粉芯材料中材料的配比應(yīng)控制在合適的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用超音速電弧噴涂可以制備力學(xué)性能良好的Zn-Al-Si-RE涂層，通過(guò)正交試驗(yàn)確定噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓32V、噴涂電流180A、噴涂距離150mm、霧化氣壓0.6MPa。Si含量為9%時(shí)制備的Zn-Al-Si-RE涂結(jié)合強(qiáng)度最大，達(dá)到34.9MPa；Si含量的增加，Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度先增加后減小。

參考文獻(xiàn)

[1]陳永雄，劉燕，梁秀兵，等.電弧噴涂Zn-Al-Mg-RE粉芯絲材及其涂層的制備[J].材料工程，2009，（3）：65-68.

[2]Yang C，Li B S，Ren M X. Studies of microstructures made of Zn-Al alloys using microcasting[J]， International of advanced Manufacturing Technology，2010，46（1-4）：173-178.

[3]劉奎仁，朱琦，馬鵬程，等.電弧噴涂法制備Zn-Al-Mg-RE-Si非平衡組織涂層及其性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（3）：498-501.

[4]Lin B L，Lu X Y，Li L. Corrosion behaviors of arc spraying single and double layer coating in simulated Dagang soil solution[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2009，19（6）：1556-1561.

[5]劉毅，魏世丞，王玉江，等.鋁稀土涂層在海洋防腐中的腐蝕行為[J].材料導(dǎo)報(bào)，2010，24（12）：59-61.

[6]陳強(qiáng).合金加工流變學(xué)及其應(yīng)用[M].北京，冶金工業(yè)出版社，2012.

第一作者簡(jiǎn)介：紀(jì)興華，男，1982年出生，講師，萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院。endprint

摘 要：利用超音速噴涂設(shè)備，在Q345鋼樣板上噴涂Zn-Al-Si-RE涂層。通過(guò)正交試驗(yàn)法確定合理噴涂工藝參數(shù)，研究了Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示：Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度在Si含量為9%時(shí)達(dá)到34.9 MPa，結(jié)合強(qiáng)度隨Si含量的增加先增大后減小。

關(guān)鍵詞：超音速電弧噴涂；Zn-Al-Si-RE涂層；工藝參數(shù)

海洋環(huán)境是各種自然環(huán)境中最嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境之一。水陸兩棲裝備在工作時(shí)不僅要有良好的抗腐蝕能力，還要承受海水、流沙對(duì)表面的沖刷，必須提高防護(hù)層的耐磨性，因此要求防護(hù)層與基體具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。電弧噴涂具有長(zhǎng)效防腐和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為海洋環(huán)境下防腐最具競(jìng)爭(zhēng)力的方法之一，粉芯絲材的出現(xiàn)大大擴(kuò)展了電弧噴涂的應(yīng)用范圍[1]。目前電弧噴涂在海洋環(huán)境下的應(yīng)用研究主要集中在固定鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)移動(dòng)兩棲裝備的防腐研究較少。

Zn、Al及Zn-Al二元合金涂層已被證明是海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)的有效方法之一[2-4]， Zn-Al二元合金涂層是電化學(xué)防護(hù)和化學(xué)遮斷防護(hù)體系的結(jié)合，不僅具有Zn涂層對(duì)鋼鐵基體有效的陰極保護(hù)作用同時(shí)因涂層中含有足夠的Al能夠形成完整的Al2O3保護(hù)膜，Zn-Al二元合金涂層是在純Zn、純Al防護(hù)基礎(chǔ)上發(fā)展出的防腐效果更好的系統(tǒng)。但是Zn-Al二元合金所形成的涂層為"偽合金"涂層，涂層的結(jié)合力偏低，同時(shí)由于鋁的相對(duì)硬度較高，所形成的空隙率較大，Zn-Al二元合金涂層不能很好的滿足水陸兩棲裝備長(zhǎng)效防腐的要求。基于Si元素在鋁合金中所起作用與鋁稀土涂層在海洋防腐中的腐蝕行為[5]，如Si元素可改善流動(dòng)性[6]、結(jié)晶過(guò)程幾乎不收縮、Al-Si合金具有良好的抗腐蝕性等，本文通過(guò)添加稀土元素對(duì)Zn-Al-Si三元合金進(jìn)行變質(zhì)處理，研究Si元素對(duì)合金涂層與基體結(jié)合力的影響，為開(kāi)發(fā)高性能的Zn-Al-Si-RE防腐涂層奠定理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所選用的基體材料為Q345鋼，為了研究Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的影響，本實(shí)驗(yàn)首先制備了Zn-Al-Si-RE合金絲，成分配比如表1所示，Zn與Al的質(zhì)量比為7：3，稀土元素成分含Nd、La和Pr。

表1 Zn-Al-Si-RE合金絲成分

為了保證噴涂質(zhì)量及噴涂工藝參數(shù)的一致性，以第三組材料采用正交試驗(yàn)確定噴涂工藝參數(shù)，即噴涂電壓、噴涂電流、噴涂距離和霧化氣壓。

采用高速電弧噴涂槍和XDP-5型電弧噴涂系統(tǒng)制備涂層。噴涂前將基體放入噴砂箱進(jìn)行噴砂處理，噴砂材料為24目剛玉砂，空氣壓力為0.5Mpa。噴砂后首先用壓縮氣體將基體表層砂粒清除，然后用丙酮徹底清洗，使其表面達(dá)Sa3級(jí)，在各因素的不同水平值下進(jìn)行噴涂操作，各因素的水平值如表2所示，通過(guò)控制送絲速度噴涂制備厚度約120μm的Zn-Al-Si-RE涂層。

表2 正交試驗(yàn)各因素水平值

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9796-88對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。采用拉伸試驗(yàn)法，將試樣固定在電子萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上，緩慢拉伸，根據(jù)拉斷時(shí)載荷的大小計(jì)算結(jié)合強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 Zn-Al-Si-RE涂層噴涂工藝參數(shù)的確定

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示（數(shù)值為相同工藝參數(shù)下三組試驗(yàn)的平均值），由試驗(yàn)參數(shù)極差值比較可知：霧化氣壓對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響最大。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖1所示為結(jié)合強(qiáng)度正交試驗(yàn)結(jié)果的水平趨勢(shì)圖。如圖1（d）所示：霧化氣壓越大，涂層結(jié)合強(qiáng)度越高，這是因?yàn)殪F化粒子的顆粒度隨霧化氣壓的增大而減小，同時(shí)高的速度使霧化粒子嵌入孔隙中，所得涂層的致密度較好，結(jié)合強(qiáng)度較高。噴涂電壓對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律是先增大后減小，如圖1（a）所示：當(dāng)噴涂電壓為30V時(shí)，由于噴涂粒子融化不充分導(dǎo)致其表面張力較大，粒子間不能夠緊密結(jié)合，涂層結(jié)合強(qiáng)度較低；隨著噴涂電壓的增大，電弧溫度升高，熔融粒子的變形及結(jié)合能力得到提高，結(jié)合強(qiáng)度增大；當(dāng)噴涂電壓較大時(shí)，材料燒蝕及氧化嚴(yán)重，孔隙率較大，結(jié)合強(qiáng)度降低。圖1（b）所示為涂層結(jié)合強(qiáng)度隨噴涂電流變化的變化趨勢(shì)，噴涂電流越大，電弧溫度越高，噴涂熔融材料的流動(dòng)性越好，粒子的霧化及結(jié)合越好。如圖1（c）所示，當(dāng)噴涂距離增大時(shí)，涂層結(jié)合強(qiáng)度降低。噴涂粒子的飛行速度在離開(kāi)噴嘴后先加速一段距離后快速減速，速度越快粒子之間的結(jié)合越緊密，涂層結(jié)合強(qiáng)度越高。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果確定噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電壓32V、噴涂電流180A、噴涂距離150mm、霧化氣壓0.6MPa。

（a） （b）

（c） （d）

圖1 結(jié)合強(qiáng)度水平趨勢(shì)圖

2.2 結(jié)果分析

在噴涂電壓32V、電流180A、距離150mm、霧化氣壓0.6MPa的噴涂條件下按表1絲材成分分別對(duì)Q345鋼板進(jìn)行噴涂，Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖2所示。當(dāng)Si的含量為9%時(shí)，所得Zn-Al-Si-RE涂層的結(jié)合強(qiáng)度最大，為34.9MPa，Si含量對(duì)Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響總體變化趨勢(shì)為隨Si含量的增加結(jié)合強(qiáng)度先增加后減小。

Al-Si合金具有良好的耐磨性、耐蝕性、流動(dòng)性，但是初晶硅晶粒粗大，形成的截面結(jié)合強(qiáng)度不高。加入稀土元素對(duì)Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，得到細(xì)化初晶硅，界面孔隙率降低，結(jié)合強(qiáng)度升高。當(dāng)粉芯材料中硅含量較低時(shí)，熔體流動(dòng)性較差，在相同的霧化氣壓下得到的噴涂顆粒較粗，孔隙率較高，結(jié)合強(qiáng)度低。隨著硅含量的增大，熔體流動(dòng)性得到改善，間隙得到很好的填充，噴涂涂層致密度提高。但是當(dāng)硅含量較高時(shí)，初晶硅的細(xì)化不完全，粗大初晶硅不均勻的分布于涂層截面，降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。因此Zn-Al-Si-RE粉芯材料中材料的配比應(yīng)控制在合適的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用超音速電弧噴涂可以制備力學(xué)性能良好的Zn-Al-Si-RE涂層，通過(guò)正交試驗(yàn)確定噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓32V、噴涂電流180A、噴涂距離150mm、霧化氣壓0.6MPa。Si含量為9%時(shí)制備的Zn-Al-Si-RE涂結(jié)合強(qiáng)度最大，達(dá)到34.9MPa；Si含量的增加，Zn-Al-Si-RE涂層結(jié)合強(qiáng)度先增加后減小。

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第一作者簡(jiǎn)介：紀(jì)興華，男，1982年出生，講師，萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院。endprint