超音速电弧喷涂Zn—Al—Si—RE涂层制备及性能研究

纪兴华+++尚翠霞+++孙召瑞+++陈文

摘 要：利用超音速喷涂设备，在Q345钢样板上喷涂Zn-Al-Si-RE涂层。通过正交试验法确定合理喷涂工艺参数，研究了Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响。结果显示：Zn-Al-Si-RE涂层结合强度在Si含量为9%时达到34.9 MPa，结合强度随Si含量的增加先增大后减小。

关键词：超音速电弧喷涂；Zn-Al-Si-RE涂层；工艺参数

海洋环境是各种自然环境中最严重的腐蚀环境之一。水陆两栖装备在工作时不仅要有良好的抗腐蚀能力，还要承受海水、流沙对表面的冲刷，必须提高防护层的耐磨性，因此要求防护层与基体具有较高的结合强度。电弧喷涂具有长效防腐和经济性优势，现已成为海洋环境下防腐最具竞争力的方法之一，粉芯丝材的出现大大扩展了电弧喷涂的应用范围[1]。目前电弧喷涂在海洋环境下的应用研究主要集中在固定钢结构，对移动两栖装备的防腐研究较少。

Zn、Al及Zn-Al二元合金涂层已被证明是海洋环境下钢结构腐蚀防护的有效方法之一[2-4]， Zn-Al二元合金涂层是电化学防护和化学遮断防护体系的结合，不仅具有Zn涂层对钢铁基体有效的阴极保护作用同时因涂层中含有足够的Al能够形成完整的Al2O3保护膜，Zn-Al二元合金涂层是在纯Zn、纯Al防护基础上发展出的防腐效果更好的系统。但是Zn-Al二元合金所形成的涂层为"伪合金"涂层，涂层的结合力偏低，同时由于铝的相对硬度较高，所形成的空隙率较大，Zn-Al二元合金涂层不能很好的满足水陆两栖装备长效防腐的要求。基于Si元素在铝合金中所起作用与铝稀土涂层在海洋防腐中的腐蚀行为[5]，如Si元素可改善流动性[6]、结晶过程几乎不收缩、Al-Si合金具有良好的抗腐蚀性等，本文通过添加稀土元素对Zn-Al-Si三元合金进行变质处理，研究Si元素对合金涂层与基体结合力的影响，为开发高性能的Zn-Al-Si-RE防腐涂层奠定理论与应用基础。

1 实验

实验所选用的基体材料为Q345钢，为了研究Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层与基体结合强度的影响，本实验首先制备了Zn-Al-Si-RE合金丝，成分配比如表1所示，Zn与Al的质量比为7：3，稀土元素成分含Nd、La和Pr。

表1 Zn-Al-Si-RE合金丝成分

为了保证喷涂质量及喷涂工艺参数的一致性，以第三组材料采用正交试验确定喷涂工艺参数，即喷涂电压、喷涂电流、喷涂距离和雾化气压。

采用高速电弧喷涂枪和XDP-5型电弧喷涂系统制备涂层。喷涂前将基体放入喷砂箱进行喷砂处理，喷砂材料为24目刚玉砂，空气压力为0.5Mpa。喷砂后首先用压缩气体将基体表层砂粒清除，然后用丙酮彻底清洗，使其表面达Sa3级，在各因素的不同水平值下进行喷涂操作，各因素的水平值如表2所示，通过控制送丝速度喷涂制备厚度约120μm的Zn-Al-Si-RE涂层。

表2 正交试验各因素水平值

依据国家标准GB9796-88对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度进行测定。采用拉伸试验法，将试样固定在电子万能材料拉伸试验机上，缓慢拉伸，根据拉断时载荷的大小计算结合强度。

2 结果与分析

2.1 Zn-Al-Si-RE涂层喷涂工艺参数的确定

正交试验结果如表3所示（数值为相同工艺参数下三组试验的平均值），由试验参数极差值比较可知：雾化气压对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响最大。

表3 试验结果

图1所示为结合强度正交试验结果的水平趋势图。如图1（d）所示：雾化气压越大，涂层结合强度越高，这是因为雾化粒子的颗粒度随雾化气压的增大而减小，同时高的速度使雾化粒子嵌入孔隙中，所得涂层的致密度较好，结合强度较高。喷涂电压对涂层结合强度的影响规律是先增大后减小，如图1（a）所示：当喷涂电压为30V时，由于喷涂粒子融化不充分导致其表面张力较大，粒子间不能够紧密结合，涂层结合强度较低；随着喷涂电压的增大，电弧温度升高，熔融粒子的变形及结合能力得到提高，结合强度增大；当喷涂电压较大时，材料烧蚀及氧化严重，孔隙率较大，结合强度降低。图1（b）所示为涂层结合强度随喷涂电流变化的变化趋势，喷涂电流越大，电弧温度越高，喷涂熔融材料的流动性越好，粒子的雾化及结合越好。如图1（c）所示，当喷涂距离增大时，涂层结合强度降低。喷涂粒子的飞行速度在离开喷嘴后先加速一段距离后快速减速，速度越快粒子之间的结合越紧密，涂层结合强度越高。根据正交试验结果确定喷涂工艺参数为：喷涂电压32V、喷涂电流180A、喷涂距离150mm、雾化气压0.6MPa。

（a） （b）

（c） （d）

图1 结合强度水平趋势图

2.2 结果分析

在喷涂电压32V、电流180A、距离150mm、雾化气压0.6MPa的喷涂条件下按表1丝材成分分别对Q345钢板进行喷涂，Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响如图2所示。当Si的含量为9%时，所得Zn-Al-Si-RE涂层的结合强度最大，为34.9MPa，Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响总体变化趋势为随Si含量的增加结合强度先增加后减小。

Al-Si合金具有良好的耐磨性、耐蚀性、流动性，但是初晶硅晶粒粗大，形成的截面结合强度不高。加入稀土元素对Al-Si合金进行变质处理，得到细化初晶硅，界面孔隙率降低，结合强度升高。当粉芯材料中硅含量较低时，熔体流动性较差，在相同的雾化气压下得到的喷涂颗粒较粗，孔隙率较高，结合强度低。随着硅含量的增大，熔体流动性得到改善，间隙得到很好的填充，喷涂涂层致密度提高。但是当硅含量较高时，初晶硅的细化不完全，粗大初晶硅不均匀的分布于涂层截面，降低涂层与基体的结合强度。因此Zn-Al-Si-RE粉芯材料中材料的配比应控制在合适的范围之内。

3 结束语

采用超音速电弧喷涂可以制备力学性能良好的Zn-Al-Si-RE涂层，通过正交试验确定喷涂工艺参数为喷涂电压32V、喷涂电流180A、喷涂距离150mm、雾化气压0.6MPa。Si含量为9%时制备的Zn-Al-Si-RE涂结合强度最大，达到34.9MPa；Si含量的增加，Zn-Al-Si-RE涂层结合强度先增加后减小。

参考文献

[1]陈永雄，刘燕，梁秀兵，等.电弧喷涂Zn-Al-Mg-RE粉芯丝材及其涂层的制备[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]刘奎仁，朱琦，马鹏程，等.电弧喷涂法制备Zn-Al-Mg-RE-Si非平衡组织涂层及其性能研究[J].稀有金属材料与工程，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]刘毅，魏世丞，王玉江，等.铝稀土涂层在海洋防腐中的腐蚀行为[J].材料导报，2010，24（12）：59-61.

[6]陈强.合金加工流变学及其应用[M].北京，冶金工业出版社，2012.

第一作者简介：纪兴华，男，1982年出生，讲师，莱芜职业技术学院。endprint

摘 要：利用超音速喷涂设备，在Q345钢样板上喷涂Zn-Al-Si-RE涂层。通过正交试验法确定合理喷涂工艺参数，研究了Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响。结果显示：Zn-Al-Si-RE涂层结合强度在Si含量为9%时达到34.9 MPa，结合强度随Si含量的增加先增大后减小。

关键词：超音速电弧喷涂；Zn-Al-Si-RE涂层；工艺参数

海洋环境是各种自然环境中最严重的腐蚀环境之一。水陆两栖装备在工作时不仅要有良好的抗腐蚀能力，还要承受海水、流沙对表面的冲刷，必须提高防护层的耐磨性，因此要求防护层与基体具有较高的结合强度。电弧喷涂具有长效防腐和经济性优势，现已成为海洋环境下防腐最具竞争力的方法之一，粉芯丝材的出现大大扩展了电弧喷涂的应用范围[1]。目前电弧喷涂在海洋环境下的应用研究主要集中在固定钢结构，对移动两栖装备的防腐研究较少。

Zn、Al及Zn-Al二元合金涂层已被证明是海洋环境下钢结构腐蚀防护的有效方法之一[2-4]， Zn-Al二元合金涂层是电化学防护和化学遮断防护体系的结合，不仅具有Zn涂层对钢铁基体有效的阴极保护作用同时因涂层中含有足够的Al能够形成完整的Al2O3保护膜，Zn-Al二元合金涂层是在纯Zn、纯Al防护基础上发展出的防腐效果更好的系统。但是Zn-Al二元合金所形成的涂层为"伪合金"涂层，涂层的结合力偏低，同时由于铝的相对硬度较高，所形成的空隙率较大，Zn-Al二元合金涂层不能很好的满足水陆两栖装备长效防腐的要求。基于Si元素在铝合金中所起作用与铝稀土涂层在海洋防腐中的腐蚀行为[5]，如Si元素可改善流动性[6]、结晶过程几乎不收缩、Al-Si合金具有良好的抗腐蚀性等，本文通过添加稀土元素对Zn-Al-Si三元合金进行变质处理，研究Si元素对合金涂层与基体结合力的影响，为开发高性能的Zn-Al-Si-RE防腐涂层奠定理论与应用基础。

1 实验

实验所选用的基体材料为Q345钢，为了研究Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层与基体结合强度的影响，本实验首先制备了Zn-Al-Si-RE合金丝，成分配比如表1所示，Zn与Al的质量比为7：3，稀土元素成分含Nd、La和Pr。

表1 Zn-Al-Si-RE合金丝成分

为了保证喷涂质量及喷涂工艺参数的一致性，以第三组材料采用正交试验确定喷涂工艺参数，即喷涂电压、喷涂电流、喷涂距离和雾化气压。

采用高速电弧喷涂枪和XDP-5型电弧喷涂系统制备涂层。喷涂前将基体放入喷砂箱进行喷砂处理，喷砂材料为24目刚玉砂，空气压力为0.5Mpa。喷砂后首先用压缩气体将基体表层砂粒清除，然后用丙酮彻底清洗，使其表面达Sa3级，在各因素的不同水平值下进行喷涂操作，各因素的水平值如表2所示，通过控制送丝速度喷涂制备厚度约120μm的Zn-Al-Si-RE涂层。

表2 正交试验各因素水平值

依据国家标准GB9796-88对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度进行测定。采用拉伸试验法，将试样固定在电子万能材料拉伸试验机上，缓慢拉伸，根据拉断时载荷的大小计算结合强度。

2 结果与分析

2.1 Zn-Al-Si-RE涂层喷涂工艺参数的确定

正交试验结果如表3所示（数值为相同工艺参数下三组试验的平均值），由试验参数极差值比较可知：雾化气压对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响最大。

表3 试验结果

图1所示为结合强度正交试验结果的水平趋势图。如图1（d）所示：雾化气压越大，涂层结合强度越高，这是因为雾化粒子的颗粒度随雾化气压的增大而减小，同时高的速度使雾化粒子嵌入孔隙中，所得涂层的致密度较好，结合强度较高。喷涂电压对涂层结合强度的影响规律是先增大后减小，如图1（a）所示：当喷涂电压为30V时，由于喷涂粒子融化不充分导致其表面张力较大，粒子间不能够紧密结合，涂层结合强度较低；随着喷涂电压的增大，电弧温度升高，熔融粒子的变形及结合能力得到提高，结合强度增大；当喷涂电压较大时，材料烧蚀及氧化严重，孔隙率较大，结合强度降低。图1（b）所示为涂层结合强度随喷涂电流变化的变化趋势，喷涂电流越大，电弧温度越高，喷涂熔融材料的流动性越好，粒子的雾化及结合越好。如图1（c）所示，当喷涂距离增大时，涂层结合强度降低。喷涂粒子的飞行速度在离开喷嘴后先加速一段距离后快速减速，速度越快粒子之间的结合越紧密，涂层结合强度越高。根据正交试验结果确定喷涂工艺参数为：喷涂电压32V、喷涂电流180A、喷涂距离150mm、雾化气压0.6MPa。

（a） （b）

（c） （d）

图1 结合强度水平趋势图

2.2 结果分析

在喷涂电压32V、电流180A、距离150mm、雾化气压0.6MPa的喷涂条件下按表1丝材成分分别对Q345钢板进行喷涂，Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响如图2所示。当Si的含量为9%时，所得Zn-Al-Si-RE涂层的结合强度最大，为34.9MPa，Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响总体变化趋势为随Si含量的增加结合强度先增加后减小。

Al-Si合金具有良好的耐磨性、耐蚀性、流动性，但是初晶硅晶粒粗大，形成的截面结合强度不高。加入稀土元素对Al-Si合金进行变质处理，得到细化初晶硅，界面孔隙率降低，结合强度升高。当粉芯材料中硅含量较低时，熔体流动性较差，在相同的雾化气压下得到的喷涂颗粒较粗，孔隙率较高，结合强度低。随着硅含量的增大，熔体流动性得到改善，间隙得到很好的填充，喷涂涂层致密度提高。但是当硅含量较高时，初晶硅的细化不完全，粗大初晶硅不均匀的分布于涂层截面，降低涂层与基体的结合强度。因此Zn-Al-Si-RE粉芯材料中材料的配比应控制在合适的范围之内。

3 结束语

采用超音速电弧喷涂可以制备力学性能良好的Zn-Al-Si-RE涂层，通过正交试验确定喷涂工艺参数为喷涂电压32V、喷涂电流180A、喷涂距离150mm、雾化气压0.6MPa。Si含量为9%时制备的Zn-Al-Si-RE涂结合强度最大，达到34.9MPa；Si含量的增加，Zn-Al-Si-RE涂层结合强度先增加后减小。

参考文献

[1]陈永雄，刘燕，梁秀兵，等.电弧喷涂Zn-Al-Mg-RE粉芯丝材及其涂层的制备[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]刘奎仁，朱琦，马鹏程，等.电弧喷涂法制备Zn-Al-Mg-RE-Si非平衡组织涂层及其性能研究[J].稀有金属材料与工程，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]刘毅，魏世丞，王玉江，等.铝稀土涂层在海洋防腐中的腐蚀行为[J].材料导报，2010，24（12）：59-61.

[6]陈强.合金加工流变学及其应用[M].北京，冶金工业出版社，2012.

第一作者简介：纪兴华，男，1982年出生，讲师，莱芜职业技术学院。endprint

摘 要：利用超音速喷涂设备，在Q345钢样板上喷涂Zn-Al-Si-RE涂层。通过正交试验法确定合理喷涂工艺参数，研究了Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响。结果显示：Zn-Al-Si-RE涂层结合强度在Si含量为9%时达到34.9 MPa，结合强度随Si含量的增加先增大后减小。

关键词：超音速电弧喷涂；Zn-Al-Si-RE涂层；工艺参数

海洋环境是各种自然环境中最严重的腐蚀环境之一。水陆两栖装备在工作时不仅要有良好的抗腐蚀能力，还要承受海水、流沙对表面的冲刷，必须提高防护层的耐磨性，因此要求防护层与基体具有较高的结合强度。电弧喷涂具有长效防腐和经济性优势，现已成为海洋环境下防腐最具竞争力的方法之一，粉芯丝材的出现大大扩展了电弧喷涂的应用范围[1]。目前电弧喷涂在海洋环境下的应用研究主要集中在固定钢结构，对移动两栖装备的防腐研究较少。

Zn、Al及Zn-Al二元合金涂层已被证明是海洋环境下钢结构腐蚀防护的有效方法之一[2-4]， Zn-Al二元合金涂层是电化学防护和化学遮断防护体系的结合，不仅具有Zn涂层对钢铁基体有效的阴极保护作用同时因涂层中含有足够的Al能够形成完整的Al2O3保护膜，Zn-Al二元合金涂层是在纯Zn、纯Al防护基础上发展出的防腐效果更好的系统。但是Zn-Al二元合金所形成的涂层为"伪合金"涂层，涂层的结合力偏低，同时由于铝的相对硬度较高，所形成的空隙率较大，Zn-Al二元合金涂层不能很好的满足水陆两栖装备长效防腐的要求。基于Si元素在铝合金中所起作用与铝稀土涂层在海洋防腐中的腐蚀行为[5]，如Si元素可改善流动性[6]、结晶过程几乎不收缩、Al-Si合金具有良好的抗腐蚀性等，本文通过添加稀土元素对Zn-Al-Si三元合金进行变质处理，研究Si元素对合金涂层与基体结合力的影响，为开发高性能的Zn-Al-Si-RE防腐涂层奠定理论与应用基础。

1 实验

实验所选用的基体材料为Q345钢，为了研究Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层与基体结合强度的影响，本实验首先制备了Zn-Al-Si-RE合金丝，成分配比如表1所示，Zn与Al的质量比为7：3，稀土元素成分含Nd、La和Pr。

表1 Zn-Al-Si-RE合金丝成分

为了保证喷涂质量及喷涂工艺参数的一致性，以第三组材料采用正交试验确定喷涂工艺参数，即喷涂电压、喷涂电流、喷涂距离和雾化气压。

采用高速电弧喷涂枪和XDP-5型电弧喷涂系统制备涂层。喷涂前将基体放入喷砂箱进行喷砂处理，喷砂材料为24目刚玉砂，空气压力为0.5Mpa。喷砂后首先用压缩气体将基体表层砂粒清除，然后用丙酮彻底清洗，使其表面达Sa3级，在各因素的不同水平值下进行喷涂操作，各因素的水平值如表2所示，通过控制送丝速度喷涂制备厚度约120μm的Zn-Al-Si-RE涂层。

表2 正交试验各因素水平值

依据国家标准GB9796-88对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度进行测定。采用拉伸试验法，将试样固定在电子万能材料拉伸试验机上，缓慢拉伸，根据拉断时载荷的大小计算结合强度。

2 结果与分析

2.1 Zn-Al-Si-RE涂层喷涂工艺参数的确定

正交试验结果如表3所示（数值为相同工艺参数下三组试验的平均值），由试验参数极差值比较可知：雾化气压对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响最大。

表3 试验结果

图1所示为结合强度正交试验结果的水平趋势图。如图1（d）所示：雾化气压越大，涂层结合强度越高，这是因为雾化粒子的颗粒度随雾化气压的增大而减小，同时高的速度使雾化粒子嵌入孔隙中，所得涂层的致密度较好，结合强度较高。喷涂电压对涂层结合强度的影响规律是先增大后减小，如图1（a）所示：当喷涂电压为30V时，由于喷涂粒子融化不充分导致其表面张力较大，粒子间不能够紧密结合，涂层结合强度较低；随着喷涂电压的增大，电弧温度升高，熔融粒子的变形及结合能力得到提高，结合强度增大；当喷涂电压较大时，材料烧蚀及氧化严重，孔隙率较大，结合强度降低。图1（b）所示为涂层结合强度随喷涂电流变化的变化趋势，喷涂电流越大，电弧温度越高，喷涂熔融材料的流动性越好，粒子的雾化及结合越好。如图1（c）所示，当喷涂距离增大时，涂层结合强度降低。喷涂粒子的飞行速度在离开喷嘴后先加速一段距离后快速减速，速度越快粒子之间的结合越紧密，涂层结合强度越高。根据正交试验结果确定喷涂工艺参数为：喷涂电压32V、喷涂电流180A、喷涂距离150mm、雾化气压0.6MPa。

（a） （b）

（c） （d）

图1 结合强度水平趋势图

2.2 结果分析

在喷涂电压32V、电流180A、距离150mm、雾化气压0.6MPa的喷涂条件下按表1丝材成分分别对Q345钢板进行喷涂，Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响如图2所示。当Si的含量为9%时，所得Zn-Al-Si-RE涂层的结合强度最大，为34.9MPa，Si含量对Zn-Al-Si-RE涂层结合强度的影响总体变化趋势为随Si含量的增加结合强度先增加后减小。

Al-Si合金具有良好的耐磨性、耐蚀性、流动性，但是初晶硅晶粒粗大，形成的截面结合强度不高。加入稀土元素对Al-Si合金进行变质处理，得到细化初晶硅，界面孔隙率降低，结合强度升高。当粉芯材料中硅含量较低时，熔体流动性较差，在相同的雾化气压下得到的喷涂颗粒较粗，孔隙率较高，结合强度低。随着硅含量的增大，熔体流动性得到改善，间隙得到很好的填充，喷涂涂层致密度提高。但是当硅含量较高时，初晶硅的细化不完全，粗大初晶硅不均匀的分布于涂层截面，降低涂层与基体的结合强度。因此Zn-Al-Si-RE粉芯材料中材料的配比应控制在合适的范围之内。

3 结束语

采用超音速电弧喷涂可以制备力学性能良好的Zn-Al-Si-RE涂层，通过正交试验确定喷涂工艺参数为喷涂电压32V、喷涂电流180A、喷涂距离150mm、雾化气压0.6MPa。Si含量为9%时制备的Zn-Al-Si-RE涂结合强度最大，达到34.9MPa；Si含量的增加，Zn-Al-Si-RE涂层结合强度先增加后减小。

参考文献

[1]陈永雄，刘燕，梁秀兵，等.电弧喷涂Zn-Al-Mg-RE粉芯丝材及其涂层的制备[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]刘奎仁，朱琦，马鹏程，等.电弧喷涂法制备Zn-Al-Mg-RE-Si非平衡组织涂层及其性能研究[J].稀有金属材料与工程，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]刘毅，魏世丞，王玉江，等.铝稀土涂层在海洋防腐中的腐蚀行为[J].材料导报，2010，24（12）：59-61.

[6]陈强.合金加工流变学及其应用[M].北京，冶金工业出版社，2012.

第一作者简介：纪兴华，男，1982年出生，讲师，莱芜职业技术学院。endprint