摘 要

微颗粒干冰清洗机被应用到大气等离子喷涂中以改善涂层的性能。文中采用等离子喷涂和干冰微 粒喷射工艺在不锈钢基体表面制备了钢涂层，并研究了涂层的微观结构、孔隙率、温度、氧化、表面粗糙度和 结合强度等性能。结果表明，由于干冰微粒喷射具有较高的冷却效率，加之干冰微粒撞击所产生的机械作用，等离子喷涂制备的钢涂层呈现出更致密的结构特征。相比于空气冷却制备的涂层，干冰微粒冷却制备的涂层含有更少的氧化物。另外，干冰微粒喷射工艺对基体的预处理使得涂层的结合强度提高了将近１４％，这 是由于干冰微粒喷射工艺对基体上吸附的有机物质具有清洁作用，主要基于干冰颗粒的热、机械和膨胀的综 合效应。 

关键词

大气等离子喷涂；干冰微粒喷射；金属涂层

引言

大气等离子喷涂（ＡＰＳ）由于其相对较高的沉积效率、低成本和高灵活性，被广泛地用于工 业界，尽管大气等离子喷涂制备金属涂层过程中存在部分氧化。这主要是由周围空气卷入高 温粒子导致。涂层中的氧化物对涂层的结构和性能具有一些不利影响，尤其是对于金属涂层。因 此，大 量 文 献 报 道 真 空 等 离 子 喷 涂 （ＶＰＳ），低压等离子喷涂（ＬＰＰＳ）或冷气体动力喷 涂（ＣＧＤＳ）制备金属或者合金涂层，如 ＭＣｒＡｌＹ 合金和 ＦｅＡｌ合金等。但是它们毕竟不是沉 积这些涂层最有效并且节约成本的方法。 文中介绍了在等离子喷涂过程中引入干冰 微粒喷射工艺，目的是提高涂层的性能，特别是 减少金属涂层中的氧化物含量。干冰微粒喷射 工艺是利用高品质可调节的压缩空气作为动力 源，把较低温度的干冰颗粒（常压下干冰的升华 温度为－７８．５０ ℃）通过专用设备加速到被作用 表面的过程。干冰微粒喷射工艺目前被广泛地 应用在清洗行业。干冰微粒喷射工艺，作为一种 环境友好型方法，应用在 ＡＰＳ的过程中是非常有 意义的，对基体的净化作用有利于扁平粒子的铺 展。实际上，在热喷涂过程中，将基体预热到一 定温度，例如４００ ℃，也能清洁吸附在基体上的 有机 物 等，最 终 导 致 近 圆 饼 形 扁 平 颗 粒 的 产 生。但在实际工业生产中，预热的高温基体无 疑会产生表面氧化，这将会促进涂层的失效。基 于干冰的低温效应，以及干冰与作用物体表面之 间的能量和动量的转移作用，干冰微粒喷射在热 喷涂过程中或许可以起到更好的散热效果和净 化效果。干冰微粒喷射工艺的优点还在于作为 工作介质的固体二氧化碳在被作用表面上会全 部挥发，无残留物质，不仅能提高表面清洁度，而 且符合 ＵＳＤＡ、ＦＤＡ、ＥＰＡ 的安全环保要求。目 前，尚没有发现其他研究机构报道干冰微粒喷射 法应用在热喷涂领域。一旦干冰微粒喷射法被 证实在等离子喷涂金属涂层过程中具有良好的 效果，这将会推进大气等离子喷涂制备金属或者 合金涂层的应用。

试验材料及方法

试验材 料 选 用 钢 粉 （Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ Ａｍｄｒｙ ＸＰＴ５１２）制备涂层，作为金属涂层的典型代表； 基体选用３１６Ｌ不锈钢板。沉积涂层前对表面进 行了喷砂粗化处理。试验装置采用 Ｆ４大气等离 子枪（Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ），氩气作为等离子喷涂的主 气和送粉气体。所采用的具体工艺参数如下：电流 ６００Ａ，电压６７．８Ｖ，氩气６０Ｌ／ｍｉｎ，氢气９．０Ｌ／ｍｉｎ， 送粉气体（Ａｒ）２．０Ｌ／ｍｉｎ。喷涂距离为１１５ｍｍ。

喷涂过程 中，压 缩 空 气 用 于 冷 却 试 样。这 将 作 为干冰喷射 等离子喷涂试验的对比试验。 干冰微粒喷射采用TOOICE的SP37B移动式喷射系统 装置，其中包括喷枪、气动马达、干冰贮存箱和压 缩空 气 供 应 装 置。试 验 采 用 了 柱 状 干 冰 颗 粒 （Φ３ｍｍ×（５～１０）ｍｍ），干冰颗粒的流量和干冰 喷枪与基体之间的距离分别为４２ｋｇ／ｈ和２５ｍｍ。 喷涂过程示意图如图１所示。

图１ 等离子喷涂和干冰微粒喷射示意图

涂层的微观形貌采用光学显微镜（ＯＭ）观察 并利用ＩｍａｇｅＪ图像分析软件分析涂层中的氧化 物含量和孔隙率。涂层的平均表面粗糙度采用 ＡｌｔｉｍｅｔＡｌｔｉＳｕｒｆ５００粗糙度仪测量。喷涂过程中 涂层表面的温度演变曲线通过红外摄像仪进行 监控。涂层界面结合强度通过拉伸法测得。 此外，为了阐明干冰微粒喷射工艺对基体表 面状态的改变，干冰微粒喷射工艺还被用于处理 预先涂覆有机污染物（丙三醇）的抛光基体。不 同处理条件下的基体的润湿角通过 ＤＩＧＩＤＲＯＰ 影像分析法润湿角测定仪测得，去离子水作为标 准滴定液体。

结果与讨论

干冰微粒喷射工艺对金属涂层结构的影响

图２为干冰微粒喷射和压缩空气冷却条件 下等离子喷涂制备钢涂层的显微结构，可以清楚 地看出，干冰微粒喷射工艺后等离子喷涂在不锈 钢基体表面制备的钢涂层显示出非常致密的结 构，如图２（ｂ）。基于图像分析的估算结果，涂 层 的孔隙率仅为０．２３％，相比于压缩空气冷却的０．５５％而言，一方面，这是由于干冰微粒的撞击 所产生的机械作用具有一定的夯实效应；另一方 面，涂层中凸起的氧化群的减少也有助于减少涂 层的孔隙率。

图２ 等离子喷涂制备钢涂层的显微形貌

从压缩空气冷却条件下涂层的微观结构可 以看出（图２（ａ）），氧化群与孔隙共存于涂层中， 这将会导致更加粗糙的表面形貌，如图３所示。 传统的空气冷却条件下，涂层的粗糙度 犚ａ值可 以达到１６．５４μｍ，而干冰微粒喷射条件下涂层的 犚ａ值为７．２１μｍ。 此外，相比于空气冷却制备的涂层，干冰微 粒冷却制备的涂层含有更少的氧化物（４．２３％）， 只有空气冷却条件下涂层含氧量（９．４６％）的一 半。一方 面，这 是 由 于 干 冰 微 粒 的 机 械 夯 实 效 应，这种效应导致涂层具有较低的孔隙率，从而 减少了氧的通道和氧化面积；另一方面，氧化物 含量的减少也可以归结为干冰微粒的冷却效果。 实际喷涂过程中的红外测量结果显示如图４，干 冰微粒 喷 射 预 处 理 条 件 下 工 件 表 面 的 温 度 为 ８５ ℃，而 传 统 的 空 气 冷 却 条 件 下 的 温 度 为 １７０ ℃。通常认为温度足够高的条件下，金属材料在基板上会继续被氧化。这说明干冰微粒可以 更有效地冷却工件并且更稳定地保持在较低的 温度下。

图３ 等离子喷涂钢涂层的表面粗糙度

干冰微粒喷射工艺对金属涂层性能的影响

图５为干冰微粒喷射对基体预处理条件下 和传统空气冷却条件下等离子喷涂制备的钢涂 层的结合强度的对比。由图可见，干冰微粒喷射 对基体预处理后，钢涂层的结合强度提高了大约 １４％。这说明干冰微粒喷射的预处理过程一定 程度上改变了基体表面状态。这可能与干冰微 粒喷射对基体上吸附的有机物质的清洁效果有 关，这种清洗作用将有助于在喷涂沉积过程中获 得理想的扁平圆盘颗粒，即有利于熔融粒子的铺 展。这一结果与等离子喷涂涂层过程中基体预 热的效果相类似［８］。

图５ 钢涂层的拉伸试验结果比较

润湿角

表１给出了不同条件下基体的润湿角。在 原始抛光的不锈钢基体表面上测量得到的润湿 角为７２．６°，而涂覆有机物质丙三醇的不锈钢基 体表面的润湿角对应１０．８°。这意味着预先涂覆 的有机物质大大改变了基体表面的润湿性。然 而，经过干冰微粒喷射处理后，基体表面的润湿 角又升高到６９．９°，非常接近初始抛光基板的润 湿角７２．６°。 基于以上这些结果可以确定干冰微粒喷射 工艺确实对基体表面吸附的有机污染物，如丙三 醇，具有一定的清洁作用。这种清洁作用是干冰 颗粒的低温、机械和升华的综合效应。干冰颗粒 以压缩空气为载体，以一定的速度作用于污物表 面，利用其超低温使处理物表面的污垢在极短的 时间内冻到脆化甚至爆裂，干冰颗粒碰撞后立即 气化，其体积在瞬间内膨胀近６００～８００倍，从而 将污物带离物体表面。

研究表明，基材表面的状 态在热喷涂过程中对粒子溅射的发生起着重要 作用。不利的表面状态将不利于熔融粒子与基 体的接触甚至引起飞溅。此外，熔融液滴与基板 之间的热接触阻抗也与基体的表面润湿性有很 大的 关 系，这 也 是 影 响 涂 层 结 构 的 一 个 重 要 参数。 因此，干冰微粒喷射工艺对基体上吸附的有 机污染物质的清洁作用，将有助于基体上形成近 圆形的扁平粒子。涂层最终可以表现出更好的 结合强度。

表１ 不同处理条件下基体的润湿角

结 论

（１）应用干冰微粒喷射工艺后，等离子喷涂 制备的钢涂层具有致密的结构，涂层的氧化程度和粗糙度都得到了很大的改善。 

（２）干冰微粒的机械夯实效应促成了致密的 微观结构和氧化物的减少；而且干冰微粒具有更 高的冷却效率。 

（３）干冰微粒喷射工艺对基体的预处理使得 涂层的结合强度提高了将近１４％。 

（４）除了冷却和机械作用外，干冰微粒喷射 工艺对基体上吸附的有机物质具有清洁作用，主 要基于热、机械和膨胀的综合效应。

致谢

感谢TOOICE科研中心为该研究项目提供配套相关设备。