风沙对钢结构涂层的冲蚀磨损性能研究

郝贠洪 ，段国龙，任 莹，冯玉江，宿 廷，杨风利，张宏杰

（1.内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.中国电力科学研究院，北京 100055）

内蒙古中西部地区是中国沙尘暴的多发区［1］，该地区的桥梁、通信塔和输电塔架等钢结构体系的表面涂层受风沙冲蚀严重，使钢结构表面外露锈蚀，造成钢结构体系的耐久性和安全性下降，给国民经济造成了巨大损失.

冲蚀磨损是造成材料损失和设备破坏的一个重要原因［2－5］，目前关于风沙的冲蚀磨损研究主要集中在仿生功能表面［6－8］的抗冲蚀磨损，对于工程材料的冲蚀磨损研究则主要集中于含沙水流对水工混凝土材料的冲蚀磨损［9－11］，而有关风沙环境（气固两相流）下工程结构材料的冲蚀磨损性能研究还不够深入，可查阅的资料也较少［12－15］.本文针对内蒙古中西部地区的风沙环境特征，采用气流挟沙喷射法［16］，模拟风沙环境下钢结构涂层的冲蚀过程，分析不同风沙冲蚀参数作用下涂层的冲蚀磨损变化规律，并利用扫描电镜观测其冲蚀失效表面，分析其失效机理；分析涂层在潜伏期、加速期和稳定期这3个冲蚀阶段的历时和特征.研究结果可为钢结构涂层的设计、应用和防护提供依据.

1 试验部分

1.1 钢结构涂层制备

涂层材料为奔腾铁红醇酸防锈漆（底漆）和晨虹白色磁漆（面漆）.采用BSTAIR 型空气压缩机和K－3型喷漆枪进行喷涂.基体试样为普通碳素钢薄钢板，尺寸为40mm×40mm×1mm，在喷涂前打磨除锈并用丙酮棉签擦洗干净.涂层喷涂按照GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》中“钢结构涂装工程”工艺要求进行，喷2道防锈漆（厚约400μm）和3道面漆（厚约600μm），涂层平均厚度为1 000μm.

1.2 性能试验

（1）涂层硬度按照ISO 15184—1998《色漆和清漆 使用铅笔测定漆膜硬度》进行测定.（2）涂层柔韧性按照GB／T 1731—1993《漆膜柔韧性测定法》，采用柔韧性测定仪进行测定.（3）涂层与基材的结合强度采用GB／T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》，在电子万能拉力机上进行测定，对5个试样进行5次测量，结果取平均值.（4）涂层摩擦系数按照GB 10006—1988《塑料薄膜和薄片摩擦系数测定方法》，在摩擦系数测试仪上进行测定，法向力为（1.96±0.02）N，两试样表面以（100±10）mm／min的速度相对移动.（5）涂层的耐磨性按照ISO 77842—1997《色漆和清漆—耐磨耗测定—第二部分：旋转研磨橡皮轮法》，采用Taber试验仪进行测定，测量参数为：转盘转速60r／min，采用CS17 型橡胶砂轮，加压负荷为7.5N.（6）采用气流挟沙喷射法模拟风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损，试验装置见图1；所用沙粒取自内蒙古中西部地区鄂尔多斯高原北部的库布其沙漠，粒径主要为0.05～0.25mm，沙粒形状近似圆形或椭圆形；风沙流的冲蚀速度V 为13，16，18，20，23，26和30m／s，冲蚀角度α为15°，30°，45°，60°，75°和90°，冲蚀浓度用下沙率M 来表征，由低浓度到高浓度分别设定为90，150，240，300，360和460g／min；采用冲蚀质量损失及冲蚀率来评定涂层的冲蚀磨损程度，利用OHAUS－EP214C 精密分析天平（精度为0.1mg）确定其质量损失S，冲蚀率为质量损失（mg）与冲蚀用沙量（g）之比，用ε表示.

图1 冲蚀装置原理图Fig.1 Principle diagram of the erosion device

2 结果与讨论

2.1 涂层的力学性能与磨损性能

涂层的力学性能与磨损性能见表1.由表1 可见，涂层的柔韧性较好；涂层与基材的平均结合强度较低，只有2.3MPa，这主要是由于涂层与钢结构基材之间的热膨胀系数失配造成的.一般而言，有机材料的热膨胀系数高于金属材料10倍以上.漆膜属于软质涂层，铅笔硬度为B，硬度较低，剪切强度较低，因而其摩擦系数较低，只有0.37～0.42，粒子冲击时易造成切削破坏.涂层磨损的Taber指数为81.9×10－3mg／r，高于HG／T 3831—2006《喷涂聚脲防护材料》的规定（≤80×10－3mg／r），说明其磨损率较大，耐磨性较差.

表1 涂层的力学和磨损性能Table 1 Mechanical and wear properties of the coating

2.2 风沙流冲蚀速度对涂层冲蚀磨损的影响

图2是在冲蚀角度α为45°和90°，下沙率M 为150g／min，时间t为12min的条件下，涂层冲蚀率ε与风沙冲蚀速度V 的变化关系曲线.由图2 可知，涂层冲蚀率随着冲蚀速度的增大而增加.这是由于当冲蚀速度增加时，相应的动能也增加，沙粒对材料表面所做的功增多，从而能克服涂层分子间的结合力，使更多的分子结构被破坏所致.

图2 冲蚀率ε与冲蚀速度V 的关系Fig.2 Relationship between erosion rate and erosion speed

此外，根据冲蚀率随冲蚀速度的变化趋势可知，45°时冲蚀过程出现了低速冲蚀和高速冲蚀这2个变化阶段：当V＜16m／s时，属于低速冲蚀阶段，此时沙粒的能量不高，与涂层表面碰撞后，沙粒速度的水平分量很小，不可能在材料表面留下长的切削痕迹和犁沟，磨损量较少；当V≥16m／s时，属于高速冲蚀阶段，此时沙粒速度高，能量大，能在涂层表面上划过较长距离，这一过程持续进行，使得涂层表面初始产生的变形凸起被推平，材料损失相对较多.冲蚀角度为90°时，由于沙粒速度不存在水平分量，因此不能明显区分低速和高速阶段.

图2中冲蚀率ε与冲蚀速度V 近似存在指数关系：

经曲线拟合可知，式中的系数K≈2.167 3×10－5～20.539 1×10－5，n≈2.10～2.26.K 和n 均与磨粒、被冲蚀材料和冲蚀角等因素有关.根据Finnie等对大多数具有延展性材料的研究结果表明，指数n 为2.0～3.0.说明本次试验结果符合延展性材料的规律，本涂层属于延展性材料.

2.3 风沙流冲蚀角度对涂层冲蚀磨损的影响

图3是在下沙率M 分别为90，150，240g／min，冲蚀速度V 为20m／s，冲蚀时间t为12min的条件下，涂层的冲蚀质量损失S 与冲蚀角度α 的变化关系曲线.由图3可知，在α＝45°时涂层的冲蚀质量损失最大，α＝90°时涂层的冲蚀质量损失最小.典型的塑性材料最大冲蚀质量损失出现在15°～30°处，典型的脆性材料最大冲蚀质量损失出现在接近90°处.钢结构涂层的最大冲蚀质量损失出现在45°左右，说明钢结构涂层既未表现出典型脆性材料的冲蚀磨损特征，也未表现出典型塑性材料的冲蚀磨损特征，而表现出了从脆性材料向塑性材料过渡的特征.

图3 冲蚀质量损失S 与冲蚀角度α 的关系Fig.3 Relationship between erosion mass loss and erosion angle

图4是α为15°，45°，75°，90°时涂层冲蚀磨损的SEM 形貌.由图4可知，在低冲角时，涂层失效表面产生波纹状或顺风沙方向的犁沟状沟痕，划痕长且方向性明显，同时划痕周围伴有微裂纹，微裂纹扩展产生微破坏区，部分材料从表面剥离留下清晰的剥落坑，造成了涂层的破坏.因此在低冲角时，冲蚀破坏以微切削作用为主.当α＝75°时，涂层表面因切削产生的沟痕已不明显，而划痕则短而深，这是由于沙粒的切削作用逐渐转变为凿削，涂层表面有凿削坑和裂纹扩展与交叉而产生断裂的痕迹.当α＝90°时，涂层表面出现蜂窝状冲蚀楔入坑，坑周围有材料被挤压突出，材料的破坏方式以沙粒对涂层的挤压凿削作用为主.综上可知，低冲角时材料的破坏方式以微切削作用为主，决定材料耐冲蚀性能的主要因素是其硬度；在高冲角时，材料破坏方式以挤压凿削作用为主，决定材料耐冲蚀性能的主要因素是其柔韧性；涂层因硬度低而柔韧性较好，因此其在低冲角时的冲蚀质量损失要大于高冲角时的冲蚀质量损失.

2.4 风沙浓度对涂层冲蚀磨损的影响

风沙浓度用下沙率M（g／min）来表示，图5 是在不同的冲蚀角度下，当冲蚀速度V 为23m／s，时间t为12min时，涂层的冲蚀质量损失S 与下沙率M 的关系曲线.由图5可知，在不同冲蚀角度下，随着下沙率的增大，冲蚀质量损失先升后降，在M ＝300g／min时达到最大值.原因主要是随着下沙率增大，沙粒冲击涂层的动能增大，某一时刻冲击涂层表面的沙粒数量增多，涂层材料被反复切削、挤压和凿削的次数增多，因而材料损失量也增多；当M ≥300g／min时，冲蚀质量损失呈下降趋势，这是由于当冲蚀沙粒增至一定数量时，沙粒间的相互碰撞以及回弹沙粒会使沙粒冲击涂层的动能大大削弱，造成冲蚀质量损失下降.

图4 冲蚀角度不同时的涂层冲蚀磨损表面SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of erosion surface of the coating at different erosion angles

图5 冲蚀质量损失S 与下沙率M 的关系Fig.5 Relationship between erosion mass loss and sand－dose

2.5 冲蚀时间对涂层冲蚀磨损的影响

图6 是冲蚀速度V 为26m／s，下沙率M 为300g／min，冲蚀角度α为45°，90°的条件下，对涂层每隔5s进行一次称重所得的涂层累积质量损失L与时间t的关系图.由图6可知，涂层的累积质量损失随时间大致呈线性增长趋势，低冲角下线性增长的趋势明显快于高冲角下的线性增长趋势，即低冲角下的涂层累积质量损失要大于高冲角下的涂层累积质量损失.

图6 涂层累积质量损失L 与时间t的关系Fig.6 Relationship between cumulative mass loss and erosion time

图7为涂层冲蚀率ε随时间t的变化关系图.由图7可知，涂层的冲蚀过程存在明显的潜伏期、加速期和稳定期.冲蚀角度为45°时，冲蚀时间0～25s为潜伏期，25～100s为加速期，100s之后进入稳定期；冲蚀角度为90°时，冲蚀时间0～50s为潜伏期，50～170s为加速期，170s之后进入稳定期.潜伏期内，45°时冲蚀率为0，但是在90°时出现冲蚀率为负值的情况，这主要是由于入射的沙粒嵌入涂层，导致涂层增重，从而产生负值，而增重的大小与冲击角度有关，一般低冲角下嵌入增重的趋势明显小于高冲角时，本文中45°时没有产生嵌入增重的现象.另外，同等冲蚀条件下，低冲角时的潜伏期和加速期历时要小于高冲角时的潜伏期和加速期历时.

图7 涂层冲蚀率ε与时间t的关系Fig.7 Relationship between erosion rate and erosion time

冲蚀磨损在上述3个阶段的冲蚀机理为：（1）潜伏期，为冲蚀的初始阶段，低冲角时冲蚀率为0，涂层只发生弹塑性变形，表面留下细微的划痕；高冲角时由于沙粒嵌入涂层，冲蚀率可能出现负数的情况，涂层发生弹塑性变形，表面产生细微的冲蚀坑.无论是低冲角还是高冲角，在划痕或冲蚀坑的附近都伴有微裂纹产生及其疲劳扩展，但无材料损失.（2）加速期，冲蚀率不断上升，涂层不断吸收冲击能量导致塑性耗尽，此时低冲角下的微切削作用和高冲角下的挤压凿削作用所造成的材料损失占主导地位，前者会形成较深的犁沟状沟痕，后者则形成较深较大的冲蚀坑；沟痕和冲蚀坑附近的微裂纹迅速扩展交叉，以致断裂剥落，形成剥落坑，造成材料损失.（3）稳定期，此阶段内涂层表面已被完全破坏，在凹凸不平的表面上较难造成有效的微切削和凿削.此时的涂层损失主要是微裂纹的产生和发展所导致的疲劳破坏.

3 结论

（1）钢结构涂层的柔韧性较好，与基材的结合强度较低；硬度较低，摩擦系数较低，耐磨性较差.

（2）钢结构涂层在冲蚀角度为45°时的冲蚀质量损失最大，90°时的冲蚀质量损失最小，冲蚀率随风沙流速度的增加近似呈指数增长.在冲蚀角度为45°时，存在低速和高速两个冲蚀阶段.

（3）涂层冲蚀机理为：低冲角时，材料破坏方式以微切削作用为主，决定材料耐冲蚀性能的主要因素是其硬度；在高冲角时，材料破坏方式以挤压凿削作用为主，决定材料耐冲击性能的主要因素是其柔韧性.

（4）高风沙浓度时钢结构涂层的冲蚀质量损失受冲蚀沙粒间的相互碰撞以及回弹沙粒的影响较大.

（5）钢结构涂层的累积质量损失随时间延长大致呈线性增长趋势，涂层的冲蚀过程存在明显的潜伏期、加速期和稳定期.

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