热喷涂中表面预处理的技术现状与发展
李辉，栗卓新，魏琪
热 喷 涂 技 术2009 年 12 月
摘 要：论述了热喷涂中表面预处理方法的国内外研究现状及其进展，分析了这些方法的基本原理、工艺特点以及各自存在的问题，并展望了预处理技术的发展趋势。
关键词：热喷涂；表面预处理
热喷涂技术已在航空航天、交通运输、石油化工、机械建筑等领域得到越来越多的应用，涂层与基体结合的可靠性也成为工业界所关注的焦点问题之一。在大多数情况下，热喷涂涂层与基体之间以机械咬合、物理连接的方式进行结合，其结合强度与热喷涂前基材的表面状态紧密相关，因此表面预处理是热喷涂技术中最为重要的工序之一。本文就近年来热喷涂中预处理的技术现状及研究进展进行了概述，并简单讨论了未来的发展趋势。
1 表面预处理
热喷涂前，选择合适的表面预处理方法时需要考虑基材的形状和厚度、原始表面状态、现场施工条件以及对涂层结合强度的要求等因素。对金属基材的预处理一般包括净化处理和粗化处理两个环节，净化处理是指去除工件待喷涂表面的油污、氧化物、油漆及其他污物，目前在热喷涂预处理中使用的净化处理方法主要是化学除油、蒸汽除油、蒸汽吹洗、酸洗以及超声波清洗等方法。而粗化处理则是通过处理使净化的基体形成粗糙的表面，与喷涂颗粒形成更多的“抛锚”咬合点，促进喷涂涂层与基体的紧密结合，常用的粗化处理有喷砂、机加工、点拉毛、喷干冰等方法。其中，喷砂是目前热喷涂行业中最为常见，也是应用最广泛的表面预处理方法。
1.1 喷砂预处理
喷砂预处理是利用压缩空气携带并加速磨粒使其撞击基材表面，通过颗粒的冲蚀作用粗化基材表面。喷砂处理后的表面状况既受到砂粒特性（包括形状、硬度、质量、成分、种类等），又受到喷砂工艺规范等因素（如喷砂距离、角度、喷砂压力等）的影响[1]。
国内外一些研究者就喷砂颗粒特性、工艺参数对表面粗糙度及热喷涂涂层结合强度的影响开展了许多系统的研究[1-5]。许多研究者[2-5]结果都表明喷砂介质的尺寸、喷砂压力与喷砂距离是影响涂层与基材之间结合强度的最主要因素。喷砂颗粒越粗大，基材表面粗糙度越高，涂层结合强度也随之提高，其原因在于当喷砂粒子过大时，撞击基材表面的速度将减小，喷砂粒子切削基材的深度也随之减小，表面粗糙度降低[2]。
对喷砂工艺参数的研究较多地集中在喷砂距离、喷砂角度、喷砂压力等方面。一些研究发现随着喷砂距离的增大，表面粗糙度和涂层结合强度呈现先增大后减小的趋势[2-3]，这是因为当喷砂距离过小时，砂粒得不到充分的加速，对基体的冲刷作用弱，基材表面粗糙度小，而当喷砂距离过大时，砂粒到达基体时的速度减小，对基体的冲刷作用又减弱，并出现明显的漏喷现象，处理后基体的粗糙度变小，涂层结合强度降低。Wigen 的研究认为这个距离变化的临界值在 250 mm 左右[6]。喷砂气压对涂层结合强度的影响也表现出类似的规律，随着喷砂压力的不断增加，涂层结合强度逐渐增大，但当喷砂压力达到一定的值后，进一步提高压力对涂层结合强度的影响效果不明显。一些研究发现，随着喷砂角度的增大，基材表面粗糙度逐步升高[2-5]，但是对于铝合金来说，当喷砂角度超过 60（o）后基材表面的粗糙度变化很小[2]。Amada[7]等人的研究结果表明当喷砂角度为 75（o）时，涂层的结合强度最高，其原因可能在喷砂角度过大时会导致嵌入基体的砂粒增多[5]，弱化涂层的结合强度。对于喷砂处理后的基材表面粗糙度与涂层结合强度的关系，有两点发现值得关注，第一点：对于一定尺寸分布的粉末，过大或者过小的基体粗糙度往往都不利于涂层的结合，比如，对于喷涂平均粒度 30 微米的 Al2O3粉末，表面平均粗糙度（Ra）在 5～6 μm 时涂层结合最佳[1-2]。第二点：通常表征表面粗糙程度的 Ra 并不能很好地描述喷砂粗化后的表面形貌特征，Wang[8]，Fukanuma[9]，Bahbou[10]等人基于热喷涂粒子与基材咬合的物理模型，分别提出了一些描述表面起伏形貌的特征参数。此外，Amada[7]等人引入了分形的概念来对表面形貌进行描述，所提炼的表面形貌参数与涂层结合强度直接线性关系，但另外一些研究结果[5]并不支持这种规律。
喷砂预处理操作简单，适用性广，因此长时间来在工业界得到了广泛的应用，然而喷砂预处理也存在一些不足。喷砂过程会产生相当大的粉尘和噪声污染，必须使用专门的防护措施。而且，对于铝合金等塑性较好的基材，喷砂时砂粒容易嵌入基体，难于去除，在界面会形成夹杂缺陷，严重影响涂层的结合质量。在喷涂小工件和薄壁零件时候，喷砂产生的残余应力也会造成工件变形。同时，砂粒的回收和喷砂前后的清理过程也加重了技术处理的成本。
1.2 宏观机械加工和电拉毛
机加工包括剪切、切槽和车制螺纹等方法，对待喷涂表面直接进行粗化预处理。Bobzin[11]在汽车气缸的内壁喷涂前直接采用机加工方法进行处理，涂层结合强度高并且工艺简单。对于一些需要较厚涂层或载荷较苛刻的情况，也可采用机加工与喷砂复合的方法。
电拉毛是通过金属电极在工件上划擦时产生瞬间大电流后熔粘形成粗糙表面的预处理方法，这种方法尤其适用局部喷涂时的粗化。但是，电拉毛处理后表面形成残余拉应力，且零件表面在电弧作用下会生成很多小的放电痕，这样会降低工件的疲劳强度，不适合在高应力负荷的零件上使用。
1.3 化学处理
采用化学腐蚀进行表面活化同样也是一种表面预处理方法[12]，采用稀释硫酸、硝酸、盐酸或它们的混合物，可以用来活化绝大多数金属和合金，但作为一种湿处理方法，它需要特殊设备，对环境影响较大，因此在工业界应用较少，随着环保要求越来越严格，这种方法也很难得到进一步的应用。
1.4 水喷射预处理
由于喷砂过程存在的嵌入粒子以及喷砂清理等问题，Taylor[13]等人尝试用高压水作为介质，对基材表面进行粗化处理。水在高压作用下撞击、浸蚀基材，使得基材表面形成一定的粗糙度。Knapp和 Taylor[14]别 在 两 种 超 合 金 （ Inconel718 和Mar-M509）上对喷砂和喷水处理进行了比较，研究结果显示喷水处理后制备 MCrAlY 涂层的结合强度在 70～80 MPa，而喷砂处理后喷涂涂层的结合强度只有 46～78 MPa，而喷水处理后的基材表面平均粗糙度要小一些，而且表面高低起伏的分布更为均匀。喷水处理还被用于处理铝合金气缸内壁，处理后喷涂涂层结合强度也明显高于喷砂处理[15]。分析认为喷水处理得到的无夹杂的界面以及这种均匀细小的表面形貌是高结合强度的主要原因。喷水预处理可以完全避免喷砂带来的界面夹杂的现象，但这种技术需要高压设备，目前仅仅报道用于铝合金、镍基合金等材质较软的基材上，一些情况下也发现了由于参数选择不当时出现基材局部的损伤[14]。
1.5 喷干冰预处理
20 世纪 80 年代，在部分工业界出现了用喷干冰颗粒对基材进行预处理的技术，这种技术以低温固态的干冰小球作为介质，以高压气流携带撞击并粗化基材表面。Elbing[16-17]等人对喷干冰预处理的工艺和机理开展了较多的研究，干冰进行表面清理的机理主要基于热、机械以及膨胀作用三方面。-78.5 ℃的干冰对表面具有冷却作用，从而使基材表面所附着的杂质、氧化层，收缩变脆并形成裂纹，由于这些杂质的热膨胀系数与基材不同，因此在干冰的作用下形成部分剥落。而且当干冰粒子撞击后进入污垢的裂缝后随即气化，其体积瞬间膨胀，使得局部产生极大的冲击力，从而很容易地将污垢去除。由于干冰粒子与其他固体喷砂粒子相比硬度很低，因此可以通过调整参数对不同的材料进行清理，并可以达到在完全清除表面污物的情况下对基材表面不造成损伤。喷干冰处理中最重要的参数有喷射角度、送粒子速度、喷嘴和基材表面距离、喷射压强和干冰的质量流量。干冰小球自身的特征也是影响工艺的重要参数，如密度、硬度、表面光洁度、形状、CO2含量以及小球尺寸等。
采用喷干冰预处理不会在基材表面留下固体残余物，这正是喷干冰预处理的优势，同时干冰不易造成被清理表面的损伤，因此该技术尤其适用于精密零部件的表面清理，但该技术噪声较大，全套设备须在密闭环境下操作，不易进行全自动处理，因此距离推广应用还有一定距离。
1.6 激光预处理
在上述的表面预处理方法中，大部分方法与常规表面喷砂一样，主要通过提高基材表面的粗糙度来增加涂层的机械结合，但是粗糙界面处的尖端凸起容易产生应力集中，会降低涂层和构件的疲劳性能。因此，研究界和工业界也在不断探索新的表面预处理手段以促进喷涂涂层与金属基体的物理结合和冶金结合。
近二十年来，激光表面清理技术（laser cleaning）在工业界得到了较快的发展和应用[18]。这种技术一般采用高功率密度、短脉冲激光对材料表面进行处理，可有效去除表面污染物，同时具有易于自动化处理，对材料损伤小，过程环保的优势。
法国LERMPS实验室和Sulzer Metco公司联合开发了 激 光 表 面 预 处 理 同 步 热 喷 涂 的 专 有 技 术（PROTAL），减少了传统喷砂预处理的弊端，可实现制备热喷涂涂层的一步实现[19]。研究结果表明这种方法在平坦基材表面可获得与常规喷砂处理接近或相当的结合强度，因此在工业界受到相当程度的关注。
激光清理主要采用可以有效清除表面存在的各类的污染物，并活化基体表面，有利于改善基体和喷涂材料的物理结合，但是这一工艺设备成本高，且工艺操作空间小，参数选择不当时容易造成表面的损伤和再氧化，影响涂层的性能。从应用的角度来看，尽管对激光清理的作用机理有了一定的认识，但是在具体场合下激光清理参数的选择上还依赖于经验判断，发展还不够成熟。
1.7 钎剂预处理
20 世纪 90 年代，研究者尝试将钎焊用钎剂引入到热喷涂前的表面预处理中，1996 年美国 O.Popoola 等人申请了在热喷涂前预涂钎剂作为表面预处理的专利[20]。据报道，福特公司将这项技术应用于铝合金气缸内壁上铁基耐磨涂层的制备上[15]。研究表明，配合高熔点喷涂材料，在铝合金表面预置氟铝酸钾混盐钎剂能有效提高涂层的结合强度[21-22]，但是对于预涂钎剂对热喷涂涂层结合的作用机制还不甚清楚，大致认为钎剂是利用喷涂熔化的高温熔滴在基材上扁平铺展的传热实现活化去膜作用的，在这一过程中，溶滴温度、基体温度及界面热阻起主要的影响作用[22]。但是，上述机理还缺乏实证，有待于进一步深入的研究。
2 结论
伴随着热喷涂涂层结合机理认识的逐渐深入，研究人员对表面预处理的认识也越来越深入。由于热喷涂涂层以机械结合和物理结合为主，通过表面处理获得清洁、高活性的基体表面对于物理结合是至关重要的，而为了提高涂层与基体的机械结合，采用喷砂、喷水、喷干冰等方法对基材进行处理以得到与热喷涂扁平颗粒匹配的粗糙表面是必要的。
热喷涂界在对传统的喷砂处理进行改进和优化的同时，一些新型的、更环保的表面预处理技术也逐渐在行业中得到应用和发展，但在实际热喷涂工业生产中，需要综合考虑基材的形状和厚度、原始表面状态、现场施工条件、对涂层结合强度的要求以及成本和环境污染等因素来进行合适的表面预处理。
参考文献略
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