電弧噴涂及熱處理對耐候鋼殘余應(yīng)力變化影響研究

李方，倪寶成，董洪達(dá)，方孝鐘

電弧噴涂及熱處理對耐候鋼殘余應(yīng)力變化影響研究

李方，倪寶成，董洪達(dá)，方孝鐘

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京210031）

電弧噴涂技術(shù)已經(jīng)成為表面處理的重要手段，在電弧噴涂過程中噴砂和噴涂都會在基體上產(chǎn)生殘余應(yīng)力的影響。使用曲率法對電弧噴涂鋁涂層的機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架耐候鋼基體殘余應(yīng)力的變化進(jìn)行了測試和分析。結(jié)果表明電弧噴涂引起的基體殘余應(yīng)力較小，噴砂工藝引起的基體殘余應(yīng)力占85%，噴砂處理引起的殘余應(yīng)力不容忽視。經(jīng)過600℃下4小時的熱處理后，基體內(nèi)表面的殘余應(yīng)力比總殘余應(yīng)力下降55%.

電弧噴涂；熱處理；殘余應(yīng)力；耐候鋼

電弧噴涂技術(shù)可快速地在大面積基體表面沉積性能優(yōu)良的涂層，已成為材料表面防護(hù)與強(qiáng)化的重要手段，也是再制造的重要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域[1]。在電弧噴涂過程中，由于電弧噴涂工藝涉及高溫、大溫變或高升溫速率等以及材料熱物理性能差異的存在，涂層必然存在殘余應(yīng)力[2-5]。殘余應(yīng)力的存在不僅直接影響涂層的自身結(jié)合強(qiáng)度以及涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，還直接影響到工件的工作狀況與疲勞壽命，有時還可能導(dǎo)致涂層裂紋，甚至涂層脫落失效。

目前，關(guān)于電弧噴涂殘余應(yīng)力的研究重點(diǎn)集中在涂層的殘余應(yīng)力的測試與研究。沈陽工業(yè)大學(xué)的張忠禮等[6，7]使用4Cr13馬氏體不銹鋼作為噴涂材料，分析了試件處于180～390℃溫度范圍條件下涂層的應(yīng)力分布狀況。當(dāng)沉積涂層溫度保持在大約260℃時，室溫下的涂層有最小的殘余應(yīng)力，高于此溫度獲得拉應(yīng)力涂層，低于此溫度涂層處于壓應(yīng)力狀態(tài)。裝甲兵工程學(xué)院陳永雄等[8]采用X射線殘余應(yīng)力測量了不同路徑下制備的82 B高碳鋼涂層的表面殘余應(yīng)力分布。環(huán)形噴涂路徑制備的涂層的殘余應(yīng)力分布最均勻，最大應(yīng)力值最低。平行對稱路徑的情況最差。哈焊所王志平等[9]利用改進(jìn)的Almen試驗(yàn)方法對熱噴涂涂層的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試與分析。首次提出了熱噴涂涂層應(yīng)變滯后于溫度或外加應(yīng)力這種現(xiàn)象的物理模型，證明了熱噴涂涂層的殘余應(yīng)力與涂層的厚度是線性關(guān)系，并且無論涂層的殘余應(yīng)力是壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力，都隨涂層厚度的增加而增大。

然而，對于電弧噴涂涂層基底殘余應(yīng)力的測試和研究相關(guān)報道較少?；讱堄鄳?yīng)力大小不但關(guān)系到涂層的結(jié)合力，還關(guān)系到試件的安裝精度和變形。中科院力學(xué)所黃晨光等[10]利用計算機(jī)模擬涂層沉積過程的涂層孔隙率、溫度梯度等因素對于涂層和基底內(nèi)殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基底的熱膨脹系數(shù)大于涂層的熱膨脹系數(shù)時，驟冷應(yīng)力和冷卻應(yīng)力對殘余應(yīng)力的影響相反。集美大學(xué)的李延平等[11]研究了熱噴涂涂層和基體中殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因并發(fā)展建立了相應(yīng)的理論模型。首次分析了沉積過程中，基體/涂層因噴射沖擊（即噴涂粒子高速撞擊基體及形成的涂層表面）而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以及因基體/涂層熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

綜上所述，對于電弧噴涂涂層基底殘余應(yīng)力的測試及分析較少，特別是涂層厚熱處理對基底殘余應(yīng)力的影響未見相關(guān)報道。本文使用曲率法對噴砂和電弧噴涂鋁的P335-NL1耐候鋼機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架基體殘余應(yīng)力的變化進(jìn)行了測試和分析，在此基礎(chǔ)上，對600℃10 h熱處理的基體殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試，并于熱處理前試樣殘余應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

電弧噴涂鋁P355-NL1耐候鋼試樣規(guī)格為400 mm×80mm×4mm，見圖1.首先在耐候鋼表面進(jìn)行噴砂處理，之后進(jìn)行噴涂工藝。噴砂材料為細(xì)長圓形的鋼粒（φ2mm×3mm），作為噴砂材料（見圖2），電弧噴涂鋁涂層使用直徑2mm的L1純鋁焊絲，純度99.5%.

圖2 細(xì)長圓形的鋼粒噴砂材料

1.2 噴涂和噴砂工藝

噴砂使用的壓縮空氣壓力為0.6～0.7 MPa，噴槍槍口直徑φ8mm，噴嘴到基體鋼材表面距離150～200 mm，噴射方向與基體鋼材表面法線夾角以15°～30°，噴涂時間約0.5～1 min，噴涂后的試樣形貌如圖3所示。

圖3 噴砂后的試樣表面形貌

電弧噴涂鋁使用的設(shè)備LSARC400電弧融射機(jī)，額定功率18.8 kW，空載電壓21～45 V，負(fù)載率60%.電弧噴涂使用的噴涂電流150～180 A，噴涂電壓30～35 V，霧化空氣壓力0.6～0.7 MPa，噴涂距離150 ～200 mm，噴涂時間30～60 s，噴涂角度70°～80°.表面鋁噴涂層厚度為160～200μm.

對噴涂的試樣進(jìn)行600℃10 h熱處理，熱處理時升溫速率10℃/min，降溫速率控制在5℃/min.

1.3 曲率法殘余應(yīng)力測試

噴砂顆?；蛘呷廴诮饘俚胃咚贈_擊到基體上時，涂層和基體之間由于力學(xué)和熱物理性能的差異產(chǎn)生二維界面應(yīng)力，使基體產(chǎn)生微小的彎曲（見圖4），根據(jù)幾何學(xué)和力學(xué)原理推斷出基體的曲率變化和殘余應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，曲率半徑k和基底材料殘余應(yīng)力σ的計算公式分別為：

其中，E為基體材料的彈性模量；k是基體的曲率半徑；δ為試樣彎曲高度；L為試樣的水平投影長度；ts為基體的厚度。

圖4 曲率法測試基底殘余應(yīng)力試件示意圖

2 結(jié)果與分析

將耐候鋼鋼板試樣按照工藝要求進(jìn)行噴砂表面處理，測試噴砂后鋼板的曲率，進(jìn)行電弧噴涂處理表面，測試噴涂后鋼板的曲率?；w材料為P335-NL1耐候鋼，其彈性模量E=210 GPa.根據(jù)式（1）和式（2），計算出殘余應(yīng)力。試樣涂層的厚度分別為160 μm和190μm，鋼板在噴砂后和噴涂后的殘余應(yīng)力變化結(jié)果見表1.

表1 鋼板殘余應(yīng)力在噴涂過程中的變化

噴砂后在鋼板表面沿著軸線長度方向的殘余應(yīng)力達(dá)到46 MPa，噴涂后的平均殘余應(yīng)力達(dá)到54 MPa.電弧噴涂引起的基體殘余應(yīng)力的變化只有8～9 MPa，約占總殘余應(yīng)力的15%，說明電弧噴涂在基體引起的殘余應(yīng)力不大。噴砂引起的殘余應(yīng)力約占基體表面總殘余應(yīng)力的85%，噴砂是引起鋼板殘余應(yīng)力的主要因素。噴砂工藝是引起基底材料的殘余應(yīng)力主要原因。

在電弧噴涂表面處理過程中，對基體材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力主要包括噴砂引起的殘余應(yīng)力和電弧噴涂引起的殘余應(yīng)力。噴砂引起的基體材料殘余應(yīng)力是一個復(fù)雜的過程，取決于砂粒的粒徑、噴砂壓力以及基體的楊氏模量等因素，最大的殘余應(yīng)力產(chǎn)生在距離基體表面幾百微米的塑性區(qū)域。噴砂使基體表面產(chǎn)生了從外部至內(nèi)部的壓應(yīng)力梯度，一般認(rèn)為噴砂在基體材料上形成壓縮的殘余應(yīng)力。但是根據(jù)彈塑性理論，除了厚度方向存在壓縮殘余應(yīng)力外，實(shí)際還存在其余兩個方向的殘余應(yīng)力，從而引起基體向噴砂表面的翹曲。噴涂后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使鋼板向噴砂表面彎曲變形繼續(xù)增加，說明噴砂與噴涂產(chǎn)生的具有殘余應(yīng)力疊加的增強(qiáng)效應(yīng)。這種翹曲如果過大，不僅會影響噴涂層的形狀尺寸，還會影響涂層的疲勞壽命。因此，需要對噴砂和噴涂鋁涂層后的試樣進(jìn)行消應(yīng)力熱處理試驗(yàn)。

在電弧噴涂鋁涂層完成后，對試樣在600℃條件下進(jìn)行10 h的熱處理，同樣利用曲率法對其測試的殘余應(yīng)力如表2所示。鋼板噴涂完成后經(jīng)過600℃10 h的高溫?zé)崽幚砗螅摪鍍?nèi)表面的殘余應(yīng)力從噴涂后的平均值54 MPa下降到平均值24.5 MPa，下降幅度達(dá)到總殘余應(yīng)力的55%，可見消應(yīng)力熱處理可有效降低電弧噴涂基體表面殘余應(yīng)力的大小。

表2 鋼板殘余應(yīng)力在退火處理后的變化

電弧噴涂后的P355-NL1耐候鋼經(jīng)過熱處理后，表面殘余應(yīng)力顯著降低。金屬的殘余應(yīng)力從微觀機(jī)理上來分析，是由于位錯在晶粒中的不均勻分布所造成的，晶格畸變比較大。當(dāng)進(jìn)行熱處理時，溫度達(dá)到一定程度，導(dǎo)致原子的活性增加，擴(kuò)散加劇，為位錯的移動、消失提供了能量，從而促進(jìn)了位錯的運(yùn)動和聚集，使位錯數(shù)量下降并趨于均勻分布，降低了殘余應(yīng)力大小[11]。從宏觀上來講，整體熱處理使電弧噴涂鋁涂層的耐候鋼試樣受熱均勻，整體上自由變形程度增加，從而使試樣的變形撓度顯助降低，從而使整個試樣的殘余應(yīng)力降低。

3 結(jié)束語

在電弧噴涂過程中，噴砂和噴涂都會在電弧噴涂基體上產(chǎn)生殘余應(yīng)力，噴砂引起的殘余應(yīng)力不僅僅有垂直于表面的壓縮殘余應(yīng)力，而且由于橫向變形效應(yīng)，還存在著平行于表面的拉伸殘余應(yīng)力，使得基底材料會向噴砂的表面產(chǎn)生彎曲變形。噴砂引起的平行于表面的拉伸殘余應(yīng)力和噴涂產(chǎn)生的殘余應(yīng)力具有疊加的增強(qiáng)效應(yīng)。電弧噴涂過程中，基體殘余應(yīng)力的變化結(jié)果說明電弧噴涂引起的基體殘余應(yīng)力較小，噴砂工藝引起的基體殘余應(yīng)力占主要部分，噴涂前表面噴砂處理引起的殘余應(yīng)力不可忽視。電弧噴涂后進(jìn)行的熱處理可有效降低電弧噴涂引起的基體殘余應(yīng)力。

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Study on Effect of Arc praying and Heat Treatment on the Residual Stress Change of Weathering Resistant Steel

LI Fang，NI Bao－cheng，DONG Hong-da，F(xiàn)ANG Xiao-zhong
（CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210031，China）

The arc spraying has become an important means of surface treatment.In arc spraying，blasting and spraying should be generally performed;these operations will produce residual stress on the substrate.The residual stress changes of substrate during arc spraying were tested and analyzed using curvature method.The results show that the residual stress caused by arc spraying is smaller，and the residual stress of weathering resistant steel caused by the blasting is 85%.The residual stress caused by blasting can not be ignored.The residual stress in the surface of substrate reduces about55%of the total residual stress after heat treatment.

arc spraying；heat treatment；residual stress；weathering resistant steel

TG174.442

A

1672-545X（2017）02-0089-03

2016-11-21

李方（1987-），男，江西南昌人，本科，工程師，研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)向架的表面處理技術(shù)。