热喷涂基体表面前处理技术的研究进展_杨震晓

第２５卷 第２期 ２０１２ 年 ４ 月
中 国 表 面 工 程
ＣＨＩＮＡ ＳＵＲＦＡＣＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－９２８９．２０１２．０２．００２
Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ ２０１２
热喷涂基体表面前处理技术的研究进展＊
杨 震 晓１，２，刘 敏２，邓 春 明２，邓 畅 光２，车 晓 舟１
国内外学者 对 ［７－１０］ 热喷涂的前处理 工 艺 做 了
ห้องสมุดไป่ตู้
大量的相关研究，研 究 发 现 喷 砂 距 离、喷 砂 角 度、 喷砂压力以及砂粒的大小是影响热喷涂涂层与 基体之间结合强度的最主要的几个因素。通过 提高喷砂压力及砂粒粒径可提高涂层的结合强 度，但会导致 砂 粒 镶 嵌 在 基 体 表 面，因 此 喷 砂 压 力和砂粒粒径要设定在合适范围。在喷砂压力 和角度一定 的 情 况 下，随 着 喷 砂 距 离 的 增 大，涂 层与基体的结合强度 逐 渐 升 高，但 当 喷 砂 距 离 达 到一定值后，进 一 步 增 大 距 离，则 出 现 涂 层 结 合 强度降低的现象。这 是 因 为 喷 砂 距 离 过 大 时，砂 粒撞击到基体的动能 减 小，对 基 体 冲 击 作 用 减 少 从而导致表面粗糙度降低所致 。 ［８］
网 络 出 版 日 期 ：２０１２－０３－１３ １０：１４；网 络 出 版 地 址 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．３９０５．ＴＧ．２０１２０３１３．１０１４．００１．ｈｔｍｌ 引文格式：杨震晓，刘敏，邓春明，等．热喷涂基体表面前处理技术的研究进展 ［Ｊ］．中国表面工程，２０１２，２５（２）：８－１４．
文中概述 了 热 喷 涂 基 体 喷 砂 表 面 前 处 理 技 术的工艺特点，同时结 合 课 题 组 的 工 作 分 析 了 喷 砂对高温合金单晶材料和超高强钢疲劳性能的 影响，探讨了喷砂工艺 质 量 控 制 及 热 喷 涂 中 的 免 喷砂工艺。 同 时 介 绍 了 近 年 来 在 热 喷 涂 基 体 表 面前处理方面的研究 热 点，并 阐 述 了 这 些 方 法 的 基 本 原 理 、特 点 及 应 用 情 况 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ；ｇｒｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ；ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｊｅｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｒｏｕｇｈｉｎｇ；ｌａｓｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ
０ 引 言
热喷涂技 术 可 快 速 地 在 大 面 积 基 体 表 面 沉 积性能优良的涂层，已 成 为 材 料 表 面 防 护 与 强 化 的重要手段，也是再 制 造 的 重 要 技 术 之 一。 其 具 体应用包括 材 料 表 面 性 能 的 改 善 （耐 磨、耐 蚀 和 隔热等）、失 效 零 件 的 功 能 恢 复 及 几 何 尺 寸 的 修
ＹＡＮＧ Ｚｈｅｎ－ｘｉａｏ １，２，ＬＩＵ Ｍｉｎ ２，ＤＥＮＧ Ｃｈｕｎ－ｍｉｎｇ２，ＤＥＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｇｕａｎｇ２，ＣＨＥ Ｘｉａｏ－ｚｈｏｕ１ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０； ２．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｏｎ－ｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６５１）
（１．华南理工大学 材料科学与工程学院，广州 ５１０６４０；２．广州有色金属研究院，广州 ５１０６５１）
摘 要：热 喷 涂 涂 层 与 基 体 机 械 咬 合 的 结 合 机 理 决 定 了 基 体 表 面 前 处 理 是 热 喷 涂 涂 层 中 非 常 重 要 的 处
理 工 艺 。 文 中 概 述 了 当 前 广 泛 应 用 的 喷 砂 处 理 的 工 艺 特 点 ，指 出 砂 粒 易 在 基 体 表 面 镶 嵌 和 对 基 体 造 成 损 伤 是 喷 砂 工 艺 的 主 要 缺 点 ，讨 论 了 喷 砂 对 高 温 合 金 单 晶 材 料 和 超 高 强 钢 疲 劳 性 能 的 影 响 ，研 究 了 软 质 基 体 表 面 超 音 速 火 焰 喷 涂 ＷＣ 涂 层 的 免 喷 砂 工 艺 。 同 时 介 绍 了 近 年 来 其 他 热 喷 涂 基 体 表 面 前 处 理 方 面 的 研 究 热 点 ，包 括 高 压 水 射 流 处 理 技 术 、机 械 粗 化 技 术 以 及 激 光 表 面 前 处 理 ，并 重 点 阐 述 了 其 基 本 原 理 、特 点 及 应 用情况。
复，可节省能 源 和 避 免 材 料 的 浪 费，从 而 广 泛 应 用于航空航 天、机 械 制 造、石 油 化 工 以 及 核 电 站 等军工、民 用 工 业 领 域 。 ［１－４］ 随 着 热 喷 涂 涂 层 应 用领域的拓 展，尤 其 在 恶 劣 工 况 下 的 应 用 需 求， 对涂层的质量提出了 更 高 的 要 求，包 括 涂 层 的 致 密度、与基体的结合 强 度 等。 热 喷 涂 的 工 艺 特 点 决定了涂层与基体的结合机理主要为机械咬合，
关 键 词 ：热 喷 涂 ；表 面 前 处 理 ；喷 砂 ；高 压 水 射 流 处 理 ；机 械 粗 化 ；激 光 表 面 前 处 理 ；研 究 现 状 中图分类号：ＴＧ１７４．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－９２８９（２０１２）０２－０００８－０７
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐｒａｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ
第２期
杨 震 晓 ，等 ：热 喷 涂 基 体 表 面 前 处 理 技 术 的 研 究 进 展
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因此基体表面前处理对热喷涂涂层的结合强度 有着重要的影响。
表面前处理有很 多 种 方 法，在 选 择 表 面 前 处 理方法时主要考虑基 体 的 形 状 和 厚 度、表 面 原 始 状态以 及 涂 层 与 基 体 结 合 强 度 的 要 求 等 因 素。 表面前 处 理 主 要 分 为 净 化 和 粗 化 处 理 两 种 。 ［５］ 净化处理是指去除待 喷 涂 工 件 表 面 的 氧 化 物、油 渍和其他污 染 物，主 要 包 括 试 剂 腐 蚀 （酸 洗）、除 油（化学除油和蒸汽除 油）、磷 化 或 钝 化 以 及 超 声 波清洗等。 粗 化 处 理 是 指 通 过 处 理 使 净 化 处 理 后的基体表面粗糙化，为 热 喷 涂 涂 层 在 基 体 表 面 提供更多的“抛锚”咬 合 点，从 而 改 善 涂 层 与 基 体 的结合强度。传统的表面粗化处理工艺主要有喷 砂处理、化 学 粗 化 等，近 年 来 高 压 水 射 流 处 理 技 术 、机 械 粗 化 技 术 、激 光 表 面 前 处 理 成 为 热 喷 涂 表 面前处理 的 研 究 热 点。喷 砂 因 工 艺 简 单，适 宜 大 面积工件表 面 的 粗 化，仍 是 热 喷 涂 最 常 用 的 表 面 前处理方法。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｗａｓ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｇｒｉｔ ｂｌａｓ－ ｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍａｉｎ ｄｒａｗｂａｃｋｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｇｒｉｔ ｅｍｂｅｄｍｅｎｔ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｇｒｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｏｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｎｄ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｒｅｅ ｇｒｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＨＶＯＦ ＷＣ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｏｆｔ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｏｔｈｅｒ ｐｒｅｔｒｅａｔ－ ｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｊｅｔ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ ｔｏ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．
１ 喷 砂 表 面 前 处 理 技 术
１．１ 喷 砂 处 理 工 艺 喷砂处理是指一 定 粒 径 的 氧 化 铝、氧 化 硅 等
硬质砂粒在压缩空气的作用下由喷嘴高速喷射 到工件表面，通过砂粒 的 撞 击 和 冲 刷 作 用 来 粗 化 工件表面。 喷 砂 处 理 过 的 表 面 显 微 状 态 受 砂 粒 特性（包括 砂 粒 的 形 状、硬 度、质 量、成 分 和 种 类 等）、基 体 材 料 特 性 以 及 喷 砂 工 艺 参 数 （喷 砂 压 力、角 度、距 离）的 影 响。 喷 砂 处 理 过 程 中，喷 射 到基体表面的砂粒的能量主要消耗在切削基体 表 面 材 料 和 使 表 面 材 料 发 生 塑 性 变 形 等 方 面 。 ［６］ 喷砂处理的优点是工 艺 简 单、效 率 高、成 本 低，特 别适用于 大 面 积 工 件 的 表 面 粗 化 处 理。 它 的 缺 点是砂粒易残留在基体 表 面 （尤 其 较 软 的 基 体）， 而且喷砂会改变基体 表 面 的 应 力，进 而 影 响 基 体 材料的力学性能。