摘要：干冰颗（微）粒喷射法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颗（微）粒喷射工艺在不锈钢基体表面制备了钢涂层，并研究了涂层的颗（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，由于干冰颗（微）粒喷射具有较高的冷却效率，加之干冰颗（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，干冰颗（微）粒冷却制备的涂层含有更少的氧化物。另外，干冰颗（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%，这是由于干冰颗（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；干冰颗粒喷射清洗；干冰清洗技术；干冰清洗；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，被广泛地用于工业清洗界，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人高温粒子导致。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人干冰颗（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。干冰颗（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-78.5℃)通过专用设备加速到被作用表面的过程。干冰颗（微）粒喷射工艺目前被广泛地应用在工业清洗行业。干冰颗（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，干冰颗（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。干冰颗（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颗（微）粒喷射法应用在热喷涂领域。一旦干冰颗（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。

1试验材料及方法

试验材料选用钢粉(Sulzer - Metco AmdryXPT 512)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) ,氢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。这将作为干冰喷射一等离子喷涂试验的对比试验。

干冰喷射清洗系统采用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(Ф3mm×（5-10)mm)，干冰颗粒由突驰干冰制造机（干冰造粒机、干冰制粒机、干冰机、制冰机）制得。干冰颗粒的流量和干冰喷射清洗机（干冰喷射器、干冰清洗机、干冰喷射机、洗模机、模具清洗机）喷枪与基体之间的距离分别为42 kg/h和25mm。

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Altimet A1tiSurf500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，为了阐明干冰颗（微）粒喷射工艺对基体表面状态的改变，干冰颗（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。

2结果与讨论

2.1干冰颗（微）粒喷射工艺对金属涂层结构的影响

干冰颗（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，干冰颗（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，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，这是由于干冰颗（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。

从压缩空气冷却条件下涂层的微观结构可以看出，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。传统的空气冷却条件下，涂层的粗糙度Ra值可以达到16.54µm，而干冰颗（微）粒喷射条件下涂层的Ra值为7.21µm。      

此外，相比于空气冷却制备的涂层，干冰颗（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，这是由于干冰颗（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颗（微）粒的冷却效果。实际喷涂过程中的红外测量结果，干冰颗（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。这说明干冰颗（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。

2.2干冰颗（微）粒喷射工艺对金属涂层性能的影响

2.2.1结合强度

干冰喷射清洗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。可见干冰颗（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%。这说明干冰颗（微）粒喷射的预处理过程一定程度上改变了基体表面状态。这可能与干冰颗（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。

2.2.2

润湿角

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72.6º，而涂覆有机物质丙三醇的不锈钢基体表面的润湿角对应10.8º。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，经过干冰颗（微）粒喷射处理后，基体表面的润湿角又升高到69.9º，非常接近初始抛光基板的润湿角72.6º。

基于以上这些结果可以确定干冰颗（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。干冰颗粒由专用的干冰制造机（干冰造粒机、干冰制粒机、干冰机、制冰机）制得，以压缩空气为载体，利用干冰清洗机（干冰喷射机、干冰喷射清洗机、干冰喷射器、洗模机、模具清洗机）高速作用于污物表面，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，干冰颗（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。

3结论

(1)应用干冰喷射清洗工艺后，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)干冰颗（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；而且干冰颗（微）粒具有更高的冷却效率。

(3) 干冰喷射清洗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，干冰颗（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。