噴砂工藝對CB2 鐵素體耐熱鋼表面粗糙度和夾砂率的影響

王云普，袁小虎，李定駿，唐春梅，袁衛(wèi)鋒，賴建平，余家欣

（1.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽 621000；2.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，德陽 618000；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引 言

透平葉片是燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的核心部件之一，其工作環(huán)境具有高溫、高壓和熱腐蝕的特點(diǎn)。而熱噴涂技術(shù)可快速地在葉片表面大面積沉積性能優(yōu)良的涂層，顯著提高燃機(jī)葉片的耐高溫、耐磨損和抗氧化等性能[1]。涂層與基體之間良好的界面結(jié)合強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)燃機(jī)葉片可靠性服役的先決條件，而噴砂預(yù)處理工藝又是影響熱噴涂涂層與基材界面結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵工藝。噴砂處理可以粗化基材表面，為熱噴涂涂層提供更多的機(jī)械“錨”咬合點(diǎn)，大大提高涂層與基材界面的結(jié)合強(qiáng)度。

國內(nèi)外學(xué)者對噴砂預(yù)處理工藝做了大量的相關(guān)研究。Wang 等[2]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)粗糙度隨噴砂壓力的增大而增加，涂層與基材的界面結(jié)合強(qiáng)度也隨之增加，這一結(jié)果和張等人[3]的研究結(jié)果一致。Begg 等[4]研究了噴槍位移速度對不同基材表面粗糙度的影響，Mellali 等[5]探討了等離子噴涂前噴砂工藝對不同基體材料（鋁合金、鑄鐵、高強(qiáng)度鋼）表面粗糙度和砂粒殘留的影響，研究發(fā)現(xiàn)：(1)并不是噴砂壓力越大，涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度越高。過高的噴砂壓力會導(dǎo)致砂粒鑲嵌在基體表面，降低界面結(jié)合強(qiáng)度；(2)噴砂表面殘留砂粒的含量與基材特性有關(guān)，基材的硬度較低或噴砂的壓力過大都會導(dǎo)致基材表面夾砂率的提高。上述研究可知，噴砂處理工藝是一個多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，基材的種類對噴砂質(zhì)量具有重要的影響。CB2 耐熱鋼是一種鐵素體耐熱鋼，與奧氏體耐熱鋼相比，鐵素體系耐熱鋼具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、低的膨脹系數(shù)、良好的抗晶間腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕性能以及較低的生產(chǎn)成本，是汽輪機(jī)葉片用鋼的首選鋼種[13]，但是現(xiàn)有研究很少涉及透平動葉片用鐵素體耐熱鋼的噴砂工藝研究。影響工件表面質(zhì)量的因素眾多，表面粗糙度是反映噴砂質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，表面粗糙度影響熔滴粒子的沉積形態(tài)、沉積速度等，每種噴涂工藝、基體材料都應(yīng)具有特定的、合適的表面粗糙度范圍[6]。有研究表明，夾砂率（砂粒的殘留）與噴砂角度有密切關(guān)聯(lián)，當(dāng)噴砂角度為90°時(shí)，表面粗糙度較大，但是夾砂率也非常高[7,8]。并且，表面粗糙度對涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度影響很大，表面粗糙度間接影響到涂層的質(zhì)量[9]。目前所做的研究中，大部分都是針對不同的噴砂參數(shù)（噴砂角度、噴砂壓力、噴砂距離、流量等），噴槍走向?qū)娚肮ぜ砻尜|(zhì)量影響的研究較少。實(shí)際上噴槍走向會影響到砂粒與基材接觸時(shí)的瞬時(shí)速度，從而間接影響到噴砂后基材的表面粗糙度和夾砂率。

基于此，本文系統(tǒng)研究了噴砂工藝（噴槍走向和噴砂角度）對鐵素體耐熱鋼表面粗糙度和夾砂率的影響，基于裂紋擴(kuò)展理論與微切削理論揭示了噴槍走向和噴砂角度對CB2 基材表面粗糙度及夾砂率的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料采用新型鐵素體耐熱鋼CB2[10],其化學(xué)成分見表1，試樣規(guī)格50 mm×60 mm×5 mm。噴砂實(shí)驗(yàn)采用國產(chǎn)開信精工自動化精控噴砂系統(tǒng)，采用630 μm～800 μm 粒徑白剛玉砂粒進(jìn)行噴砂，噴砂參數(shù)見表2。

表1 CB2 鋼的化學(xué)成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of the CB2 steel(wt.%)

表2 噴砂參數(shù)Table 2 Sandblasting parameters

1.2 分析方法

噴砂后樣品表面粗糙度采用便攜式表面粗糙度儀（Mitutoyo SJ-210、日本，三豐），每個表面粗糙度數(shù)值代表9 次測量的平均值；樣品表面形貌采用LEXT OLS5000 3D 激光顯微鏡（LEXT OLS5000 3D、日本，奧林巴斯）表征。噴砂實(shí)驗(yàn)樣品的夾砂率是指經(jīng)噴砂處理后嵌入基材表面的砂粒，采用帶有能譜儀的掃描電子顯微鏡(SEM)對噴砂后工件表面的夾砂率進(jìn)行判定，通過SEM的背散射圖像結(jié)合能譜圖像確定砂粒的分布，利用圖像分析軟件（灰度法）測算砂粒的表面積占比獲得夾砂率數(shù)值。經(jīng)EDS 分析發(fā)現(xiàn)灰度圖像中深色區(qū)為Al2O3夾砂，淺色區(qū)為基材表面。

基于裂紋擴(kuò)展理論與微切削理論對噴槍走向和噴砂角度對粗糙度及夾砂率的影響規(guī)律進(jìn)行分析。單個粒子去除材料的機(jī)理按噴砂角度主要分為兩類，一類為裂紋擴(kuò)展理論，當(dāng)粒子以大角度(大于75°)沖擊材料表面，使表面發(fā)生碎裂，使材料脫落的方式；另一類為微切削理論，當(dāng)砂粒以小角度(小于75°)沖擊材料表面，粒子尖端對材料表面進(jìn)行剪切作用去除材料的方式[11]。圖1 為兩種去除機(jī)理的原理圖。

圖1 去除機(jī)理的原理圖：(a)為裂紋擴(kuò)展模型，(b)為微切削模型[12]Fig.1 Schematic diagram of removal mechanism: (a) crack-propagation model; (b) micro-cutting model[12]

2 結(jié)果與討論

2.1 噴槍走向和噴砂角度對粗糙度的影響

圖2 為不同噴槍走向下砂粒速度與噴槍位移速度的分解圖，其中θ 為噴砂角度，υ1、υ2為噴槍位移速度（υ1=υ2=0.8 m/s，υ1為噴槍垂直走向位移速度、υ2為水平走向位移速度），由Member[13]著作中噴砂壓力與砂粒速度的關(guān)系得出在噴砂壓力0.3 MPa 時(shí)砂粒速度υ砂約為50 m/s，υt為砂粒速度相對于基材表面的切向速度，υn為砂粒速度相對于基材表面的法向速度。在噴槍水平走向下，υ砂 始終與υ2垂直，υ2對υ砂的法向分量和切向分量沒有影響，故噴槍垂直走向下的切向合速度始終比水平走向大0.8 m/s。

圖2 不同噴槍走向速度分解示意圖Fig.2 Schematic diagram illustrating the vertical and horizontal movement of blast gun and the resolution of the sandblasting velocity

砂粒的法向速度

砂粒的切向速度

垂直走向下的切向合速度

水平走向下的切向合速度

圖3 為不同噴砂走向條件下表面粗糙度隨噴砂角度的變化。噴砂角度在15°到90°之間水平走向的表面粗糙度始終大于垂直走向，隨噴砂角度增加兩者的差值逐漸減小。噴砂角度從15°增加至90°表面粗糙度先增加后減小，在75°時(shí)表面粗糙度最大，水平走向表面粗糙度為10.13 μm，垂直走向表面粗糙度為11.12 μm?；谖⑶邢骼碚?，砂粒的法向速度決定切削深度，切向速度決定切削力的大小，切削力隨切削深度增加而增加[14,15]。法向速度增加，切削深度增加，達(dá)到相同切削效果所需的切向速度增大。如圖4 為砂粒切向合速度與法向速度隨噴砂角度的變化，隨噴砂角度增加法向速度υn遞增，切向速度υt遞減，切向合速度υt1始終比υt2大0.8 m/s。噴槍垂直走向的切削力始終大于水平走向，故噴槍垂直走向粗糙度始終大于水平走向；切削深度隨法向速度的增加而增加，切削深度增加削弱了切向速度的切削作用，故不同走向表面粗糙度的差值隨噴砂角度增加逐漸減小。

圖3 噴槍走向和噴砂角度對粗糙度的影響Fig.3 Surface roughness under different moving gun's direction and sandblasting angle

圖4 不同方向的速率與噴砂角度的變化關(guān)系Fig.4 The variation of velocity with different directions versus sandblasting angle

噴砂角度決定砂粒與基材接觸時(shí)的受力狀況，噴砂角度在15°到75°之間表面粗糙度遞增，可以用微切削理論解釋，隨噴砂角度增加切削深度增加，表面粗糙度增加；噴砂角度大于75°時(shí)適用裂紋擴(kuò)展模型，砂粒沖擊基材表面使其發(fā)生塑性形變并產(chǎn)生細(xì)小的裂紋從而去除基材，相比于微切削理論，由于不存在切削作用，砂粒去除基材需要更大的法向速度，故在75°到90°之間，表面粗糙度有一定程度的下降。

在不同噴砂角度下的基材表面形貌圖可以進(jìn)一步驗(yàn)證表面粗糙度的變化。圖5 為三個典型噴砂角度下基材表面形貌圖，可以看出表面形貌起伏程度隨噴砂角度增大而增大，在15°時(shí)，基材存在大量未被切削的原始表面，并且切削深度小，故相應(yīng)的表面粗糙度較低；在75°時(shí)，基材原始表面被全部切除，切削坑較深，表面形貌起伏大，故表面粗糙度大。

圖5 不同噴砂角度下的表面形貌：(a) 15°三維形貌；(b) 45°三維形貌；(c) 75°三維形貌；(d) 15°真實(shí)形貌；(e) 45°真實(shí)形貌；(f) 75°真實(shí)形貌Fig.5 Surface morphology characterized of three-dimension at different sandblasting angles:(a) 15° 3D morphologies; (b) 45°3D morphology; (c) 75° 3D morphology; (d) 15° true morphology; (e) 45° true morphology; (f)75° true morphology

2.2 噴槍走向和噴砂角度對夾砂率的影響

圖6 為不同噴砂角度的夾砂率變化趨勢，不同噴槍走向的夾砂率均隨噴砂角度的增加而增加。當(dāng)噴砂角度小于75°時(shí)，噴槍水平走向夾砂率明顯大于垂直走向的夾砂率，并且夾砂率的差值隨噴砂角度增大而減小。這是由砂粒切向速度不同造成的，在微切削模型下，切向速度越大切削力越大，砂粒脫離基材表面的趨勢越大，不同噴槍走向下法向速度相同，垂直走向的切向速度更大，砂粒脫離基材表面的趨勢更大；在75°到90°之間，不同走向的夾砂率變化曲線接近重合，其原因是在裂紋擴(kuò)展模型中，砂粒對基材的作用只與砂粒的法向速度有關(guān)，不同噴槍走向下砂粒的法向速度相等，砂粒嵌入基材的趨勢一致。

圖6 噴槍走向和噴砂角度對夾砂率的影響Fig.6 Effect of blast gun direction and sandblasting angle on the fraction of grit residue

夾砂率隨噴砂角度的增加而遞增，在噴砂角度為90°時(shí)達(dá)到最大為25%。噴砂角度越大，砂粒的法向速度越大，砂粒的法向分力越大，嵌入基材的砂粒越多，故夾砂率增大。試樣表面的砂粒分布情況可以反應(yīng)出不同噴砂角度下，試樣表面夾砂率變化的真實(shí)情況，如圖7 為具有代表性的噴砂角度下的試樣SEM 圖像：噴砂角度為15°時(shí)，砂粒的切向速度最大，法向速度最小，砂粒切削深度小，砂粒嵌入少，夾砂率處于較低水平；噴砂角度45°時(shí)，水平分力等于垂直分力；噴砂角度為75°時(shí)砂粒的切向速度小，法向速度大，表面形貌起伏變大，切削深度增大，砂粒嵌入基體較深，夾砂率處于較高水平。

圖7 不同噴砂角度下夾砂率SEM 圖像：(a) 15°二次電子模式圖像(SE)；(b) 45°SE 圖像；(c) 75°SE 圖像；(d) 15°背散射電子模式圖像(BSE)；(e) 45°BSE 圖像；(f) 75°BSE 圖像；(g) 15°LAS X 處理后圖像；(h) 45°LAS X 處理后圖像；(i)75°LAS X 處理后圖像Fig.7 The fraction of grit residue under different sandblasting angles characterized by SEM: (a) 15° secondary electron mode image(SE); (b) 45° SE image; (c) 75° SE image; (d) 15° backscatter mode image (BSE); (e) 45° BSE image; (f) 75° BSE image; (g) 15°image after LAS X processing; (h) 45° image after LAS X processing; (i) 75° image after LAS X processing

結(jié)果符合相關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)論：在90°垂直噴砂時(shí)，砂粒的法向速度最大，砂粒與基材接觸時(shí)受到的力最大，砂粒嵌入基材深，故基材表面粗糙度和夾砂率高[16]。在噴砂角度為15°時(shí)，砂粒的速度方向與基體表面夾角較小，兩者接觸時(shí)受力較小，大部分砂粒直接被基體表面彈飛，砂粒切削作用較小，故較小噴砂角度下，基材的表面粗糙度和夾砂率處于較低水平。

3 結(jié) 論

對新型鐵素體耐熱鋼(CB2)基材進(jìn)行了不同角度、不同噴槍移動方向的噴砂實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1) 噴槍垂直走向的表面粗糙度粗糙度明顯高于水平走向的表面粗糙度，表面粗糙度的差值隨噴砂角度增加逐漸減?。浑S噴砂角度的增加表面粗糙度先增加后減小，在75°時(shí)最大噴槍垂直走向粗糙度為10.13 μm，水平走向粗糙度11.12 μm。

(2) 噴槍水平走向的夾砂率始終大于噴槍垂直走向，夾砂率的差值隨噴砂角度增加逐漸減??；夾砂率隨噴砂角度的增加遞增，在90°時(shí)最大噴槍垂直走向?yàn)?5.56%，水平走向夾砂率為

25.33%。

(3) 基于對噴砂角度、噴槍走向?qū)B2 表面粗糙度和夾砂率的影響規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)在45°到75°之間表面粗糙度處于較高水平且夾砂率適中，噴槍垂直走向?qū)Ρ砻娲植诙群蛫A砂率有影響。在自動化噴砂工藝中為保證表面粗糙度和夾砂率的可控性，可考慮選擇噴槍水平走向進(jìn)行噴砂作業(yè)，噴砂角度控制在45°到75°之間，以獲得較高的表面粗糙度且使夾砂率盡可能的降低。