摘要：為了探明噴砂工藝對鋁合金薄壁件表面粗糙度、 基體變形以及涂層結合強度的影響， 在 2 mm 厚的 6061鋁合金薄壁件表面采用 24 目和 60 目棕剛玉砂噴砂處理。噴砂壓力選擇 0.3~0.5 MPa， 噴砂次數(shù) 1~15 次， 測試噴砂前后厚度、 質量和表面粗糙度的變化， 并分別采用掃描電鏡、 光學體式顯微鏡觀察噴砂后表面形貌。在不同噴砂次數(shù)的鋁合金表面噴涂 YSZ 熱障涂層或涂覆丙烯酸聚氨酯涂層， 采用拉伸法和劃格法測試涂層的粘結強度。結果表明， 1 次噴砂后， 鋁合金基體的表面粗糙度 (Ra) 由 0.35 μm 提高至 4.747~11.49 μm， 厚度也略微增加， 質量變化不明顯， 24 目噴砂會造成基體表面明顯變形。鋁合金薄壁件多次噴砂后質量和厚度線性降低， 隨著砂粒粒徑和噴砂壓力的提高， 質量和厚度的降低速率提高。鋁合金 1 次、 5 次和 15 次噴砂后， 其表面 YSZ 熱噴涂涂層結合強度分別為 23.53 MPa、 24.80 MPa 和 17.28 MPa， 有機涂層的附著力均達到 0 級。砂粒過大會造成鋁合金薄壁件變形。影響噴砂表面粗化效果的主要因素是砂粒粒度， 噴砂壓力的影響較小。多次噴砂對表面粗糙度和涂層結合強度的影響不顯著， 但會造成基體厚度的減少和表面狀態(tài)不均勻。
噴砂工藝作為一種表面粗化處理技術，其工作原理是利用高壓空氣攜帶一定粒度的砂粒，高速噴射到工件表面， 使工件表面的雜質及氧化皮去除，同時使工件表面粗化， 一方面凈化表面，另一方面提高基體與涂層的結合強度 。噴砂工藝已成為熱噴涂涂層制備前處理的必要工序， 也逐漸應用于結合力要求較高的有機涂層涂覆前處理工序 。
已經有大量的學者研究了噴砂工藝對基體表面粗糙度和涂層結合強度的影響。基體表面粗糙程度對涂層與基體的結合強度有很大的影響。對于等離子噴涂涂層而言， 表面粗糙度應該存在一個最佳范圍，并不是表面粗糙度越大， 涂層與基體的結合越好。對于有機涂層而言， 噴砂處理后試樣粗糙度數(shù)值越大，水性涂裝涂層附著力越高，耐腐蝕性能越好， 橡膠層與鋁合金基體的結合力則在一個較為合適的粗糙度值時具有最好的結合強度。
也有部分學者研究了薄壁件表面噴砂過程中的變形規(guī)律和控制方法。噴砂表面強化改變了內應力分布狀況，使構件發(fā)生變形，但這種變形在自然時效后出現(xiàn)了回彈，通過熱處理可以改善工件的變形情況。此外， 根據鋁合金薄壁零件的形狀預先制作一個與其結構相對應的仿形工裝，抵在薄壁區(qū)背部，也可以有效降低薄壁件的形變量。但以上方法存在的問題是工藝較為復雜， 成本較高， 且熱處理對材料本身性能的影響較大， 對工件尺寸的限制較為嚴格，延長了生產周期，因此不利于大規(guī)模應用。另外，熱噴涂涂層和有機涂層會面臨局部破壞的情形，需要對涂層進行修補，多次噴砂的影響尚且缺乏深刻認識。因此，本文對鋁合金薄壁件不同噴砂工藝后表面狀態(tài)、顯微結構、變形情況以及涂層結合強度的變化進行了深入研究。
1.1原料及噴砂設備
鋁合金薄壁件選用 6061 鋁合金試片， 尺寸為50 mm × 50 mm× 2 mm。HXP-F 型循環(huán)式回收噴砂系統(tǒng)用于鋁合金表面噴砂， 噴砂壓力為 0.3~0.5MPa。砂粒選用鄭州白鴿集團棕剛玉砂， 粒度有24 目和 60 目兩種規(guī)格。
1.2顯微性能表征
采用 TIME3200 型表面粗糙度測試儀測試噴砂后試片的表面粗糙度。Leica 6M 型金相顯微鏡用于觀測涂層的顯微形貌， VHX-700FC 型體式顯微鏡用于觀測噴砂后表面的 3D 形貌。采用 ZeissG500 場發(fā)射掃描電鏡觀察噴砂后表面精細結構。
質量采用 Sartorius BSA224S 分析天平測量，精度為0.1 mg。為了測量試片噴砂后的變形程度，將百分表（ 成量川牌百分表， 量程 0~10 mm， 精度 0.01 mm） 垂直固定在已校準的金屬平臺上。如圖 1 所示， 將一塊平板平分為 16 個方格， 噴砂后朝上放置在金屬平臺上， 測試 25 個節(jié)點的高度。
研究了多次噴砂后鋁合金薄壁件的狀態(tài)變化，為了保證每次的噴砂效果一致， 噴砂前在表面噴藍色漆， 待干燥后繼續(xù)噴砂至無色漆殘留， 即完成一次噴砂。每次噴砂后記錄試片的質量和厚度變化。
1.3結合力測試
在 Φ20 mm× 8 mm 的 6061 鋁合金試片上采用 9M 等離子噴涂系統(tǒng)噴涂熱障涂層。首先在鋁合金試片上采用 60 目棕剛玉砂噴砂 1 次、 5 次和 15 次， 噴砂壓力為 0.4 MPa， 隨后噴涂鎳鉻鋁釔金屬粘接層， 噴涂功率為 39 kW， 涂層厚度為 100~140 μm， 最后噴涂 YSZ 涂層， 噴涂功率為 42.5 kW，涂層厚度為 200~250 μm。參照 GB/T8642-2002 標準測試涂層的結合強度。
在 6061 鋁合金試片 (50× 50× 2mm3) 上涂覆丙烯酸聚氨酯有機涂層。同樣地，采用 60 目棕剛玉砂噴砂 1 次、5 次和 15 次，隨后涂覆 0.05mm 厚的丙烯酸聚氨酯層，待固化后， 參照 GB/T9286-2021 標準測試涂層附著力。
2.1一次噴砂的影響
觀察了鋁基材表面 0.4 MPa 噴砂后的形貌，圖 3 是 24 目和 60 目棕剛玉砂噴砂后的 SEM 圖像。噴砂后鋁合金表面呈現(xiàn)出明顯的粗糙結構， 凹陷和尖角狀凸起均勻分布在試樣表面。噴砂過程中，高速砂礫沖蝕鋁合金表面， 使其不同位置發(fā)生塑性變形， 被沖擊的位置形成凹坑， 其周圍區(qū)域被擠壓， 形成不規(guī)則形狀的凸起。由于棕剛玉砂剛性較大， 鋁合金模量較低， 噴砂過程中不易發(fā)生棕剛玉砂的沖擊破碎， 也不易發(fā)生棕剛玉砂粘結包埋在塑性變形表面， 造成基體污染。
圖 3 鋁基材表面 0.4 MPa 噴砂后 SEM 圖像：(a), (b)60 目；(c), (d)24 目
測量了 1 次噴砂前后鋁合金薄板的質量、 厚度和表面粗糙度。初步比較可以發(fā)現(xiàn)， 噴砂前后，鋁板質量無明顯變化， 厚度出現(xiàn)了輕微增大， 表面粗糙度則明顯增大。具體而言， 噴砂后試樣厚度由原來的 ~2.0 mm 增大到 2.026~2.045 mm， 厚度增長 26~45 μm。從表面 SEM 圖像可以看出，砂粒并沒有在試片表面殘留， 由于試片質量變化不明顯， 可以推斷出一次噴砂僅導致鋁合金表面塑性變形， 而不會發(fā)生局部組織從基材表面沖蝕剝離。那么， 表面粗糙度的增加必然會造成基體表觀厚度的增加。未噴砂前基體表面粗糙度 Ra 值為 0.35 μm 左右， 根據表面粗糙度等級 (ISO 1302-2002) 劃分， 為 N 5 級， 即微見加工痕跡。噴砂后基體表面粗糙度 Ra 值達到 4.747~11.49 μm，介于N 8~N 10，為半光面或粗糙面。對于等離子噴涂或有機涂層涂覆， 顯然 N 8~N 10 的粗糙度已能夠保證較好的結合強度。
從表 1 的結果來看， 24 目和 60 目砂粒噴砂的結果差異比較明顯。盡管噴砂前后二者所造成的質量變化可以忽略不計， 但是從涂層厚度的比較而言， 顯然同樣條件下 24 目砂粒能造成更顯著的厚度和表面粗糙度增加， 表明更大粒徑的棕剛玉砂能為基體表面帶來更好的粗化效果。這一統(tǒng)計結果與圖 3 的 SEM 圖像吻合， 更明顯的凹陷和凸起預示表面粗糙度更大， 表觀厚度的增大也更為顯著。就表面粗糙度而言， 60 目砂在壓力較大的條件下 (0.5 MPa)， 對表面的粗化效果依然弱于24 目砂在壓力低 (0.3 MPa) 的情況。由此可見，砂粒粒度對鋁合金基體表面粗化作用起到決定性作用。
對比不同壓力下噴砂的結果， 可以發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加， 涂層的表觀厚度和表面粗糙度逐漸增加。24 目砂在 0.3 MPa 下噴砂后鋁板粗糙度為8.925 μm，0.5 MPa 下增加至 11.49 μm，粗糙度等級由 N 9 增加到 N 10， 60 目噴砂則從 N8 增加到N9（ 粗糙度由 4.747 μm 增加到 6.253 μm） 。可以看出， 在砂粒粒度一定的條件下， 噴砂壓力的改變對鋁合金基體表面粗化的影響相對較小。
對于薄壁件，當單側噴砂時，砂子沖擊會對表面產生壓應力作用。基體厚度較小時，厚度方向形成較大的應力梯度， 將造成工件噴砂面中心位置出現(xiàn)向上鼓的情形。測量了噴砂 1 次后樣品不同點位（ 圖 1） 的高度， 來表征鋁合金薄壁件的變形情況。結果如圖 4 所示。60 目砂在噴砂壓力 0.3~0.5 MPa 條件下， 基體不同位置處的厚度均較為均勻，極差在 0.2 mm 以內，可以認為變形量很低， 噴砂壓力對薄板變形的影響有限。而對于 24 目砂， 可以明顯地觀察到中心位置的高度高于四角。0.3 MPa 條件下， 中心位置比四角高出約 0.6 mm 的高度，當壓力增加到 0.5 MPa 后，其中心位置相較四角的變形量達到 0.8 mm， 高度梯度更明顯， 試片中形成的殘余壓應力水平愈加顯著。顯然， 對于薄壁件， 應加強對砂粒粒度的控制，來降低噴砂過程中工件的變形。
圖 4 鋁基材表面噴砂后高度分布云圖：(a) 60 目， 0.3 MPa 壓力；(b) 60 目， 0.4 MPa 壓力；(c) 60 目， 0.5 MPa 壓力；(d) 24 目， 0.3 MPa 壓力；(e) 24 目， 0.4 MPa 壓力；(f) 24 目， 0.5 MPa 壓力
針對產品面臨多次修復或表面污垢多次去除的應用需求， 需要多次噴砂處理。考察了鋁合金薄壁件多次噴砂對表面狀態(tài)、 顯微結構以及涂層結合力的影響。
2.2.1 表面狀態(tài)
圖 5 是鋁基材表面多次噴砂后質量和厚度變化曲線。總體而言， 隨著噴砂次數(shù)從 1 次增加到15 次， 鋁板厚度先增大， 后逐漸降低， 在第 1 次噴砂后獲得最大的厚度。鋁合金試板質量在第 1次噴砂時無明顯變化， 此后增加噴砂次數(shù)， 試板質量顯著降低。
從第一次噴砂起， 鋁合金試樣的質量和厚度隨著噴砂次數(shù)的增加呈現(xiàn)線性減小的趨勢。并且，砂粒尺寸越大， 噴砂壓力越大， 試樣的減厚和減重速度越快。60 目、 0.3 MPa 條件下噴砂 15 次后基體減重、 減薄量分別為 0.6334 g 和 0.045 mm，但 24 目、 0.5 MPa 條件下噴砂 15 次后基體減重、減薄量分別達到 1.4000 g 和 0.142 mm。噴砂過程中砂粒均勻沖蝕在基體表面， 可以
認為試板的質量減少是均勻減薄的結果。因此，引入基體當量減厚參數(shù) (de)， 其定義為基體質量在規(guī)定面積內減少的均勻厚度， 計算方法如公式(1) 所示：
式中， mn, m0, ρ, A 分別代表第 n 次噴砂后的試樣質量， 試樣噴砂前的質量， 6061 鋁合金的密度， 試板的面積。本研究中 ρ=2750 kg·m-3, A=0.25mm2。基體的實際減厚 (dn) 由基體原始厚度減去 n次噴砂后的試樣厚度得出。可以發(fā)現(xiàn)， 從第 1 次噴砂起， 基體實際減厚和當量減厚均隨著噴砂次數(shù)的增加線性增加。計算了二者的差值 (de-dn)，結果如圖 6 所示。de-dn 反映了噴砂過程中基體表面噴砂區(qū)的后退情況，若 de-dn 變化不大， 則噴砂過程中已噴砂粗糙層不斷后退，噴砂區(qū)以下部分被不斷噴砂， 結果來看噴砂區(qū)厚度（ 可視為最高點與最低點的高度差） 保持不變， 表面狀態(tài)變化不大；若 de-dn 逐漸降低， 則噴砂過程中已噴砂粗糙層后退量較大，噴砂區(qū)以下部分被再次噴砂的厚度相對較小，結果來看噴砂區(qū)厚度逐漸減薄，粗糙度會有所降低；反之亦然。有趣的是，鋁合金基板在 60 目砂多次噴砂后，de-dn 逐漸增大，表明其表面粗化程度在不斷增加。而 24 目砂多次噴砂后， de-dn 小幅度降低，15 次噴砂后減小約 25μm， 說明其表面粗化程度略微減弱。
2.2.2 顯微結構
采用體式顯微鏡觀測了鋁合金基體在 60 目砂， 0.4 MPa 壓力下噴砂前后的表面狀態(tài)變化， 結果如圖 7 所示， 噴砂之前， 基體表面非常光滑，表面無明顯凸起或凹陷。噴砂一次后， 表面開始出現(xiàn)局部凹陷和凸起， 但凹陷和凸起過渡區(qū)域比較平緩。當噴砂次數(shù)達到 5 次和 15 次時， 除了表面粗糙度加大、 最低處與最高處的極差相較 1 次噴砂明顯增大外， 也出現(xiàn)多處尖角凸起和錐形凹陷， 表明局部區(qū)域疊加沖蝕作用強烈。
圖 7 鋁基材表面 60 目 0.4 MPa 噴砂前后表面三維光鏡照片：(a) 未噴砂；(b) 噴砂 1 次；(c) 噴砂 5 次；(d) 噴砂 15 次
采用表面粗糙度儀進行測試，定量統(tǒng)計了鋁合金試片在 60 目 0.4MPa 噴砂前后表面粗糙度的變化，結果如表 2 所示。噴砂前表面粗糙度 Ra 僅有 0.35 μm，1 次噴砂后 Ra 值已經達到 5.44 μm，Rz 也比噴砂前高一個數(shù)量級。進一步增加噴砂次數(shù)至 5 次， Ra 和 Rz 值均略微增加， 這一結果與噴砂后 de-dn 的變化趨勢吻合。進一步增加噴砂次數(shù)，粗糙度變化不顯著， 表明噴砂條件一定的情況下，增加噴砂次數(shù)， 對表面狀態(tài)和粗糙度的影響可以忽略。
表 2 噴砂不同次數(shù)后試片表面粗糙度
2.2.3 抗拉結合強度
金屬材料涂覆涂層后若出現(xiàn)損傷， 常用的方式是將損傷區(qū)域的涂層去除， 再噴砂處理， 重新噴涂涂層。研究多次噴砂對涂層和基體結合強度的影響， 具有重要的工程應用價值。本研究分別采用等離子噴涂的方式在 60 目砂 0.4 MPa 多次噴砂鋁合金基體上制備 YSZ/NiCrAlY 熱障涂層體系和丙烯酸聚氨酯層， 探究噴砂對熱噴涂無機涂層和有機涂料層兩種最典型應用的影響。
熱噴涂過程會釋放大量熱量，為了保證測試數(shù)據的準確性，選擇了 Φ20× 8 mm 的鋁合金試樣作為基體，避免高溫變形，制備出表面平整的涂層體系。每種條件制備五組抗拉結合強度樣品，對測試結果取平均值，結果如表 3 所示。1 次噴砂和 5 次噴砂后的涂層結合強度均大于 23 MPa，表現(xiàn)出良好的結合力，且二者之間差異較低，可以看出噴砂 1 次已經可以達到較好的界面結合，通過增加噴砂次數(shù)或延長噴砂時間顯然無效。在一些工況下，去除破壞區(qū)域后重復噴砂，也能達到初次噴砂的效果。當噴砂次數(shù)達到 15 次以后，結合強度降低，僅有17.28 MPa，盡管從前面的結果來看，其表面粗糙度更高。可能的原因是多次噴砂后，試片邊緣位置出現(xiàn)了較多的損耗，導致試片中心位置略微突起，使得結合強度測試結果偏低。因此，從實際應用的角度來說，噴砂次數(shù)超過 5 次以后，除了需要關注其涂層表面粗糙度塑性變形， 還需要關注不同位置的噴砂損耗， 保持表面狀態(tài)的一致性。
對 60 目砂 0.4 MPa 多次噴砂的鋁合金薄板表面涂覆約 0.05 mm 厚的丙烯酸聚氨酯有機涂層，干燥固化 1 天后， 采用劃格法測試其在鋁合金表面的附著力，結果如圖 8 所示。從圖中可以清晰地看出，噴砂 1 次、5 次和 15 次后，涂層在切割邊緣完全平滑 ，無一格脫落，即附著力達到 0 級，主要是噴砂增大了表面粗糙度。因此，鋁合金薄壁件多次噴砂都能取得較好的附著力，能夠滿足應用需求。
綜上所述，對于鋁合金薄壁件，若表面狀態(tài)良好， 應優(yōu)先選擇 60 目砂粒噴砂， 壓力在 0.3~0.5MPa 范圍內均可， 降低變形風險。涂層修復等條件下需多次噴砂時， 其粗糙度和結合強度不會發(fā)生明顯變化， 但會造成基體厚度和質量的降低，同時應確保表面狀態(tài)的一致性。若表面狀態(tài)較差，可以選擇 24 目砂粒噴砂， 獲得較高的表面粗化效率。
與此同時， 對于其它楊氏模量較低、 塑性較好的金屬材料， 如鎂合金、 鈦合金等薄壁件， 本研究結果對實際生產作業(yè)能夠起到很好的指導借鑒作用。對于楊氏模量較高的金屬材料， 如不銹鋼或高溫合金薄壁件， 需進一步探究噴砂工藝的影響。
本文研究了噴砂工藝對鋁合金薄壁件表面狀態(tài)、 顯微結構、 變形情況以及噴涂涂層結合力的影響規(guī)律， 主要結論如下：
(1) 1 次噴砂后， 鋁合金基體的表面粗糙度明顯提升（ 粗糙度等級從 N 5 級提升至 N 8~N10） ， 厚度也略微增加， 質量變化不明顯， 24 目噴砂會造成基體表面明顯變形。影響噴砂表面粗化效果的主要因素是砂粒粒度， 噴砂壓力的影響較小。
(2) 鋁合金薄壁件多次噴砂后質量和厚度線性降低， 影響降低速率的主要因素也是砂粒粒度，噴砂壓力為次要因素。60 目砂多次噴砂使表面粗化層的厚度增大， 24 目砂多次噴砂則會減薄表面粗化層。
(3) 鋁合金 1 次噴砂，其表面 YSZ 熱噴涂涂層結合強度已高達 23 MPa 以上，增加噴砂次數(shù)對結合強度的影響不大， 但 15 次噴砂后表面狀態(tài)的一致性難以保持， 會降低結合強度。對于有機涂層而言，1 次或多次噴砂均能保持較高的附著力，結合力等級達到 0 級。