摘要：爲了探明噴砂工(gōng)藝對鋁合金薄壁件表面粗糙度、 基體(tǐ)變形以及塗層結合強度的影響， 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 1~15 次， 測試噴砂前後厚度、 質量和表面粗糙度的變化， 并分(fēn)别采用掃描電(diàn)鏡、 光學體(tǐ)式顯微鏡觀察噴砂後表面形貌。在不同噴砂次數的鋁合金表面噴塗 YSZ 熱障塗層或塗覆丙烯酸聚氨酯塗層， 采用拉伸法和劃格法測試塗層的粘結強度。結果表明， 1 次噴砂後， 鋁合金基體(tǐ)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(tǐ)表面明顯變形。鋁合金薄壁件多次噴砂後質量和厚度線性降低， 随着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 次噴砂後， 其表面 YSZ 熱噴塗塗層結合強度分(fēn)别爲 23.53 MPa、 24.80 MPa 和 17.28 MPa， 有機塗層的附着力均達到 0 級。砂粒過大(dà)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(xiǎo)。多次噴砂對表面粗糙度和塗層結合強度的影響不顯著， 但會造成基體(tǐ)厚度的減少和表面狀态不均勻。
噴砂工(gōng)藝作爲一(yī)種表面粗化處理技術，其工(gōng)作原理是利用高壓空氣攜帶一(yī)定粒度的砂粒，高速噴射到工(gōng)件表面， 使工(gōng)件表面的雜(zá)質及氧化皮去(qù)除，同時使工(gōng)件表面粗化， 一(yī)方面淨化表面，另一(yī)方面提高基體(tǐ)與塗層的結合強度 。噴砂工(gōng)藝已成爲熱噴塗塗層制備前處理的必要工(gōng)序， 也逐漸應用于結合力要求較高的有機塗層塗覆前處理工(gōng)序 。
已經有大(dà)量的學者研究了噴砂工(gōng)藝對基體(tǐ)表面粗糙度和塗層結合強度的影響。基體(tǐ)表面粗糙程度對塗層與基體(tǐ)的結合強度有很大(dà)的影響。對于等離(lí)子噴塗塗層而言， 表面粗糙度應該存在一(yī)個最佳範圍，并不是表面粗糙度越大(dà)， 塗層與基體(tǐ)的結合越好。對于有機塗層而言， 噴砂處理後試樣粗糙度數值越大(dà)，水性塗裝塗層附着力越高，耐腐蝕性能越好， 橡膠層與鋁合金基體(tǐ)的結合力則在一(yī)個較爲合适的粗糙度值時具有最好的結合強度。
也有部分(fēn)學者研究了薄壁件表面噴砂過程中(zhōng)的變形規律和控制方法。噴砂表面強化改變了内應力分(fēn)布狀況，使構件發生(shēng)變形，但這種變形在自然時效後出現了回彈，通過熱處理可以改善工(gōng)件的變形情況。此外(wài)， 根據鋁合金薄壁零件的形狀預先制作一(yī)個與其結構相對應的仿形工(gōng)裝，抵在薄壁區背部，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(gōng)藝較爲複雜(zá)， 成本較高， 且熱處理對材料本身性能的影響較大(dà)， 對工(gōng)件尺寸的限制較爲嚴格，延長了生(shēng)産周期，因此不利于大(dà)規模應用。另外(wài)，熱噴塗塗層和有機塗層會面臨局部破壞的情形，需要對塗層進行修補，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(gōng)藝後表面狀态、顯微結構、變形情況以及塗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， 尺寸爲50 mm × 50 mm× 2 mm。HXP-F 型循環式回收噴砂系統用于鋁合金表面噴砂， 噴砂壓力爲 0.3~0.5MPa。砂粒選用鄭州白(bái)鴿集團棕剛玉砂， 粒度有24 目和 60 目兩種規格。
1.2顯微性能表征
采用 TIME3200 型表面粗糙度測試儀測試噴砂後試片的表面粗糙度。Leica 6M 型金相顯微鏡用于觀測塗層的顯微形貌， VHX-700FC 型體(tǐ)式顯微鏡用于觀測噴砂後表面的 3D 形貌。采用 ZeissG500 場發射掃描電(diàn)鏡觀察噴砂後表面精細結構。
質量采用 Sartorius BSA224S 分(fēn)析天平測量，精度爲0.1 mg。爲了測量試片噴砂後的變形程度，将百分(fēn)表（ 成量川牌百分(fēn)表， 量程 0~10 mm， 精度 0.01 mm） 垂直固定在已校準的金屬平台上。如圖 1 所示， 将一(yī)塊平闆平分(fēn)爲 16 個方格， 噴砂後朝上放(fàng)置在金屬平台上， 測試 25 個節點的高度。
研究了多次噴砂後鋁合金薄壁件的狀态變化，爲了保證每次的噴砂效果一(yī)緻， 噴砂前在表面噴藍(lán)色漆， 待幹燥後繼續噴砂至無色漆殘留， 即完成一(yī)次噴砂。每次噴砂後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(lí)子噴塗系統噴塗熱障塗層。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， 噴砂壓力爲 0.4 MPa， 随後噴塗鎳鉻鋁钇金屬粘接層， 噴塗功率爲 39 kW， 塗層厚度爲 100~140 μm， 最後噴塗 YSZ 塗層， 噴塗功率爲 42.5 kW，塗層厚度爲 200~250 μm。參照 GB/T8642-2002 标準測試塗層的結合強度。
在 6061 鋁合金試片 (50× 50× 2mm3) 上塗覆丙烯酸聚氨酯有機塗層。同樣地，采用 60 目棕剛玉砂噴砂 1 次、5 次和 15 次，随後塗覆 0.05mm 厚的丙烯酸聚氨酯層，待固化後， 參照 GB/T9286-2021 标準測試塗層附着力。
2.1一(yī)次噴砂的影響
觀察了鋁基材表面 0.4 MPa 噴砂後的形貌，圖 3 是 24 目和 60 目棕剛玉砂噴砂後的 SEM 圖像。噴砂後鋁合金表面呈現出明顯的粗糙結構， 凹陷和尖角狀凸起均勻分(fēn)布在試樣表面。噴砂過程中(zhōng)，高速砂礫沖蝕鋁合金表面， 使其不同位置發生(shēng)塑性變形， 被沖擊的位置形成凹坑， 其周圍區域被擠壓， 形成不規則形狀的凸起。由于棕剛玉砂剛性較大(dà)， 鋁合金模量較低， 噴砂過程中(zhōng)不易發生(shēng)棕剛玉砂的沖擊破碎， 也不易發生(shēng)棕剛玉砂粘結包埋在塑性變形表面， 造成基體(tǐ)污染。
圖 3 鋁基材表面 0.4 MPa 噴砂後 SEM 圖像：(a), (b)60 目；(c), (d)24 目
測量了 1 次噴砂前後鋁合金薄闆的質量、 厚度和表面粗糙度。初步比較可以發現， 噴砂前後，鋁闆質量無明顯變化， 厚度出現了輕微增大(dà)， 表面粗糙度則明顯增大(dà)。具體(tǐ)而言， 噴砂後試樣厚度由原來的 ~2.0 mm 增大(dà)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(yī)次噴砂僅導緻鋁合金表面塑性變形， 而不會發生(shēng)局部組織從基材表面沖蝕剝離(lí)。那麽， 表面粗糙度的增加必然會造成基體(tǐ)表觀厚度的增加。未噴砂前基體(tǐ)表面粗糙度 Ra 值爲 0.35 μm 左右， 根據表面粗糙度等級 (ISO 1302-2002) 劃分(fēn)， 爲 N 5 級， 即微見加工(gōng)痕迹。噴砂後基體(tǐ)表面粗糙度 Ra 值達到 4.747~11.49 μm，介于N 8~N 10，爲半光面或粗糙面。對于等離(lí)子噴塗或有機塗層塗覆， 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。盡管噴砂前後二者所造成的質量變化可以忽略不計， 但是從塗層厚度的比較而言， 顯然同樣條件下(xià) 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(dà)粒徑的棕剛玉砂能爲基體(tǐ)表面帶來更好的粗化效果。這一(yī)統計結果與圖 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(dà)， 表觀厚度的增大(dà)也更爲顯著。就表面粗糙度而言， 60 目砂在壓力較大(dà)的條件下(xià) (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(tǐ)表面粗化作用起到決定性作用。
對比不同壓力下(xià)噴砂的結果， 可以發現随着壓力的增加， 塗層的表觀厚度和表面粗糙度逐漸增加。24 目砂在 0.3 MPa 下(xià)噴砂後鋁闆粗糙度爲8.925 μm，0.5 MPa 下(xià)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(yī)定的條件下(xià)， 噴砂壓力的改變對鋁合金基體(tǐ)表面粗化的影響相對較小(xiǎo)。
對于薄壁件，當單側噴砂時，砂子沖擊會對表面産生(shēng)壓應力作用。基體(tǐ)厚度較小(xiǎo)時，厚度方向形成較大(dà)的應力梯度， 将造成工(gōng)件噴砂面中(zhōng)心位置出現向上鼓的情形。測量了噴砂 1 次後樣品不同點位（ 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(xià)， 基體(tǐ)不同位置處的厚度均較爲均勻，極差在 0.2 mm 以内，可以認爲變形量很低， 噴砂壓力對薄闆變形的影響有限。而對于 24 目砂， 可以明顯地觀察到中(zhōng)心位置的高度高于四角。0.3 MPa 條件下(xià)， 中(zhōng)心位置比四角高出約 0.6 mm 的高度，當壓力增加到 0.5 MPa 後，其中(zhōng)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(zhōng)形成的殘餘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(zhōng)工(gōng)件的變形。
圖 4 鋁基材表面噴砂後高度分(fēn)布雲圖：(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
針對産品面臨多次修複或表面污垢多次去(qù)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态、 顯微結構以及塗層結合力的影響。
2.2.1 表面狀态
圖 5 是鋁基材表面多次噴砂後質量和厚度變化曲線。總體(tǐ)而言， 随着噴砂次數從 1 次增加到15 次， 鋁闆厚度先增大(dà)， 後逐漸降低， 在第 1 次噴砂後獲得最大(dà)的厚度。鋁合金試闆質量在第 1次噴砂時無明顯變化， 此後增加噴砂次數， 試闆質量顯著降低。
從第一(yī)次噴砂起， 鋁合金試樣的質量和厚度随着噴砂次數的增加呈現線性減小(xiǎo)的趨勢。并且，砂粒尺寸越大(dà)， 噴砂壓力越大(dà)， 試樣的減厚和減重速度越快。60 目、 0.3 MPa 條件下(xià)噴砂 15 次後基體(tǐ)減重、 減薄量分(fēn)别爲 0.6334 g 和 0.045 mm，但 24 目、 0.5 MPa 條件下(xià)噴砂 15 次後基體(tǐ)減重、減薄量分(fēn)别達到 1.4000 g 和 0.142 mm。噴砂過程中(zhōng)砂粒均勻沖蝕在基體(tǐ)表面， 可以
認爲試闆的質量減少是均勻減薄的結果。因此，引入基體(tǐ)當量減厚參數 (de)， 其定義爲基體(tǐ)質量在規定面積内減少的均勻厚度， 計算方法如公式(1) 所示：
式中(zhōng)， mn, m0, ρ, A 分(fēn)别代表第 n 次噴砂後的試樣質量， 試樣噴砂前的質量， 6061 鋁合金的密度， 試闆的面積。本研究中(zhōng) ρ=2750 kg·m-3, A=0.25mm2。基體(tǐ)的實際減厚 (dn) 由基體(tǐ)原始厚度減去(qù) n次噴砂後的試樣厚度得出。可以發現， 從第 1 次噴砂起， 基體(tǐ)實際減厚和當量減厚均随着噴砂次數的增加線性增加。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(zhōng)基體(tǐ)表面噴砂區的後退情況，若 de-dn 變化不大(dà)， 則噴砂過程中(zhōng)已噴砂粗糙層不斷後退，噴砂區以下(xià)部分(fēn)被不斷噴砂， 結果來看噴砂區厚度（ 可視爲最高點與最低點的高度差） 保持不變， 表面狀态變化不大(dà)；若 de-dn 逐漸降低， 則噴砂過程中(zhōng)已噴砂粗糙層後退量較大(dà)，噴砂區以下(xià)部分(fēn)被再次噴砂的厚度相對較小(xiǎo)，結果來看噴砂區厚度逐漸減薄，粗糙度會有所降低；反之亦然。有趣的是，鋁合金基闆在 60 目砂多次噴砂後，de-dn 逐漸增大(dà)，表明其表面粗化程度在不斷增加。而 24 目砂多次噴砂後， de-dn 小(xiǎo)幅度降低，15 次噴砂後減小(xiǎo)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(tǐ)式顯微鏡觀測了鋁合金基體(tǐ)在 60 目砂， 0.4 MPa 壓力下(xià)噴砂前後的表面狀态變化， 結果如圖 7 所示， 噴砂之前， 基體(tǐ)表面非常光滑，表面無明顯凸起或凹陷。噴砂一(yī)次後， 表面開(kāi)始出現局部凹陷和凸起， 但凹陷和凸起過渡區域比較平緩。當噴砂次數達到 5 次和 15 次時， 除了表面粗糙度加大(dà)、 最低處與最高處的極差相較 1 次噴砂明顯增大(dà)外(wài)， 也出現多處尖角凸起和錐形凹陷， 表明局部區域疊加沖蝕作用強烈。
圖 7 鋁基材表面 60 目 0.4 MPa 噴砂前後表面三維光鏡照片：(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，定量統計了鋁合金試片在 60 目 0.4MPa 噴砂前後表面粗糙度的變化，結果如表 2 所示。噴砂前表面粗糙度 Ra 僅有 0.35 μm，1 次噴砂後 Ra 值已經達到 5.44 μm，Rz 也比噴砂前高一(yī)個數量級。進一(yī)步增加噴砂次數至 5 次， Ra 和 Rz 值均略微增加， 這一(yī)結果與噴砂後 de-dn 的變化趨勢吻合。進一(yī)步增加噴砂次數，粗糙度變化不顯著， 表明噴砂條件一(yī)定的情況下(xià)，增加噴砂次數， 對表面狀态和粗糙度的影響可以忽略。
表 2 噴砂不同次數後試片表面粗糙度
2.2.3 抗拉結合強度
金屬材料塗覆塗層後若出現損傷， 常用的方式是将損傷區域的塗層去(qù)除， 再噴砂處理， 重新噴塗塗層。研究多次噴砂對塗層和基體(tǐ)結合強度的影響， 具有重要的工(gōng)程應用價值。本研究分(fēn)别采用等離(lí)子噴塗的方式在 60 目砂 0.4 MPa 多次噴砂鋁合金基體(tǐ)上制備 YSZ/NiCrAlY 熱障塗層體(tǐ)系和丙烯酸聚氨酯層， 探究噴砂對熱噴塗無機塗層和有機塗料層兩種最典型應用的影響。
熱噴塗過程會釋放(fàng)大(dà)量熱量，爲了保證測試數據的準确性，選擇了 Φ20× 8 mm 的鋁合金試樣作爲基體(tǐ)，避免高溫變形，制備出表面平整的塗層體(tǐ)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 次噴砂後的塗層結合強度均大(dà)于 23 MPa，表現出良好的結合力，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，通過增加噴砂次數或延長噴砂時間顯然無效。在一(yī)些工(gōng)況下(xià)，去(qù)除破壞區域後重複噴砂，也能達到初次噴砂的效果。當噴砂次數達到 15 次以後，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後，試片邊緣位置出現了較多的損耗，導緻試片中(zhōng)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，噴砂次數超過 5 次以後，除了需要關注其塗層表面粗糙度塑性變形， 還需要關注不同位置的噴砂損耗， 保持表面狀态的一(yī)緻性。
對 60 目砂 0.4 MPa 多次噴砂的鋁合金薄闆表面塗覆約 0.05 mm 厚的丙烯酸聚氨酯有機塗層，幹燥固化 1 天後， 采用劃格法測試其在鋁合金表面的附着力，結果如圖 8 所示。從圖中(zhōng)可以清晰地看出，噴砂 1 次、5 次和 15 次後，塗層在切割邊緣完全平滑 ，無一(yī)格脫落，即附着力達到 0 級，主要是噴砂增大(dà)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着力，能夠滿足應用需求。
綜上所述，對于鋁合金薄壁件，若表面狀态良好， 應優先選擇 60 目砂粒噴砂， 壓力在 0.3~0.5MPa 範圍内均可， 降低變形風險。塗層修複等條件下(xià)需多次噴砂時， 其粗糙度和結合強度不會發生(shēng)明顯變化， 但會造成基體(tǐ)厚度和質量的降低，同時應确保表面狀态的一(yī)緻性。若表面狀态較差，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、 钛合金等薄壁件， 本研究結果對實際生(shēng)産作業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， 如不鏽鋼或高溫合金薄壁件， 需進一(yī)步探究噴砂工(gōng)藝的影響。
本文研究了噴砂工(gōng)藝對鋁合金薄壁件表面狀态、 顯微結構、 變形情況以及噴塗塗層結合力的影響規律， 主要結論如下(xià)：
(1) 1 次噴砂後， 鋁合金基體(tǐ)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(tǐ)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(xiǎo)。
(2) 鋁合金薄壁件多次噴砂後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，噴砂壓力爲次要因素。60 目砂多次噴砂使表面粗化層的厚度增大(dà)， 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 熱噴塗塗層結合強度已高達 23 MPa 以上，增加噴砂次數對結合強度的影響不大(dà)， 但 15 次噴砂後表面狀态的一(yī)緻性難以保持， 會降低結合強度。對于有機塗層而言，1 次或多次噴砂均能保持較高的附着力，結合力等級達到 0 級。