正交法下的電弧噴涂工藝參數優化

呂 游

(天津大學管理與經濟學部)

電弧噴涂是將被噴涂材料制作成兩個電極，在很高的電弧能作用下進行熔化，形成微熔滴，利用高速壓縮空氣將其噴射到工件表面的一種技術。電弧噴涂技術也叫熱噴涂技術，興起于20世紀，在表面工程領域得到了極大的發展[1]。此后，電弧噴涂技術逐漸向著高精度、高自動程度的方向發展。在電弧噴涂的過程中，不同的工藝參數對涂層的組織和性能的影響極大且復雜，所以如何選擇比較優的工藝參數組合是一個亟待解決的問題。由于含鋁的合金具有重量輕、成本低廉、抗腐蝕性能好的特點[2，3]，筆者以鋁合金作為基礎材料，進行不同工藝參數下涂層的制備。通過正交分析方法研究不同工藝參數對涂層性能的影響。

1 電弧噴涂技術

1.1電弧噴涂技術的優點

進行電弧噴涂時，微熔滴的溫度高、速度快，因此噴出的粒子具有很大的動能和熱能，能較好地粘附在材料表面，達到需要的結合強度(強度可達到25MPa)。電弧噴涂的工作效率高，其生產率與噴涂電流有關，通過實踐證明，噴涂時的工作電流若為305A，則噴鋅可達28kg/h、噴鋁可達18kg/h，比火焰噴涂的效率要高出3～5倍左右[4，5]。節能是電弧噴涂較突出的另一個優點，其能源費用一般只有火焰噴涂的0.1～0.2倍。由于空氣是不易燃燒的氣體，所以安全性也有所增加。

電弧噴涂廣泛應用于化工、能源及石油等領域。主要用于大型構件的防腐工程和模具的制作方面[6～8]。根據不完全統計，在相關領域中，電弧噴涂的市場占有率已進入前三。

1.2電弧噴涂作業流程

常見的電弧噴涂作業工藝流程為：材料表面清潔粗化處理、電弧噴涂涂層和噴涂后的加工處理(圖1)。

圖1 電弧噴涂工藝流程

1.2.1基體表面的清潔粗化

由于涂層必須和基體表面進行良好的接觸，因此在噴涂前要對材料表面進行一定的加工。表面加工的方法有很多，如機械加工、物理加工及化學加工等，旨在改善材料表面狀態，修整形狀，為噴涂做準備。

1.2.2表面噴涂

在進行表面噴涂時，首先要確定噴涂工藝參數。由于噴涂的工藝參數很復雜，有十幾到幾十個，因此合理的選擇工藝參數非常重要。不同的工藝參數組合，會對涂層的性能產生重大的影響，直接影響到涂層的結合強度、耐腐蝕性能及耐磨性能等。

1.2.3噴涂后處理

在噴涂過程中，由于人為和設備的原因，涂層會產生缺陷，因此在噴涂完畢后，為了彌補這些缺陷，需要對涂層進行后續的處理。噴涂后需要通過機械精加工來使材料表面具有高硬度、高耐磨性的特點；對于孔隙缺陷的問題，通常采用封孔的處理方法填充孔隙，同時還能改善涂層的耐腐蝕性能。

1.3主要工藝參數

噴涂的工藝參數很復雜，有十幾到幾十個，但筆者只列舉幾個最主要的參數：

a. 進行噴涂作業時的噴涂電壓一般在27～35V范圍內；

b. 噴涂電流一般在101～502A之間；

c. 進行作業時的噴射角度盡量垂直于材料表面，在45～90°之間；噴槍距材料表面的噴涂距離一般為150～250mm之間；

d. 微熔滴霧化的噴涂氣壓一般不低于0.55MPa。

筆者將對上述工藝參數進行研究分析，通過正交分析方法來評判其對涂層性能的影響程度。

2 正交試驗下的工藝參數優化

2.1正交試驗設計介紹

使用正交設計方法，通過計算各因素水平對試驗結果的影響，采用極差分析法，能快速得到比較優化的試驗方案和試驗因素對試驗結果的影響程度。通過對正交試驗表進行簡單的計算，能夠獲得足夠的數據信息，進而節約試驗成本。該方法是采用正交表對試驗條件進行合理安排，并分析試驗數據的一種試驗方法，設計步驟如下[5]：

a. 確立試驗目的，制定試驗目標；

b. 選擇試驗因素，確定試驗水平，制訂正交試驗因素水平表；

c. 根據試驗選定的因素和水平數量，確定正交表，并且在滿足條件的情況下，盡可能選用試驗次數較少的正交表；

d. 列出試驗方案，進行試驗，將試驗獲得的數據填入正交表；

e. 分析試驗數據，確定最佳方案。

2.2確定試驗優化目標

在實際生產中，由于電弧噴涂受到多方面因素的影響，要想完全杜絕缺陷幾乎是不可能的。因此，優化工藝參數、弱化電弧噴涂過程中產生的缺陷對產品質量的影響程度是主要目的，從而使產品的使用性能和外觀質量滿足用戶需求。通過調查研究，確定涂層的結合強度(P1)、孔隙率(P2)和涂層硬度(P3)這3個指標對產品的質量影響最大。

在進行試驗的進程中，對于涂層的結合強度，筆者通過電子萬能拉伸試驗機計算獲得；對于鋁涂層的孔隙率，通過稱重法測量獲得，并觀察表面形貌；對于涂層的硬度，選用標準的洛氏硬度機測量獲得。

3 正交試驗設置

3.1設置因素水平

在實際生產中，影響涂層質量的因素有很多，從工藝參數的角度上來講，分別選取噴涂電壓(A)、噴涂電流(B)、噴涂距離(C)和噴涂氣壓(D)4個對試驗目標影響最大的工藝參數作為影響因素。各參數的取值范圍根據材料供應商提供的數據和生產中積累的經驗來制定出正交試驗的水平數據(表1)。

表1 鋁涂層工藝正交試驗水平數據

3.2制定正交試驗表

由于筆者計劃的正交試驗為4因素3水平，故選取的正交表為L9(34)的正交表來進行試驗安排設計，L為正交的代號，9為需要電弧噴涂的試驗次數，3為根據需要安排的水平數，4為因素的個數。

3.3試驗數據處理

在實際分析中，由于每個試驗目標對產品質量的影響程度不同，所代表的物理意義也不一樣，因此不能直接進行評價。筆者采用加權綜合評分法進行評價，確定各項指標的權重，計算綜合加權評分值，計算式如下：

(1)

(2)

式中 (pM)k——第k項指標中的最大值；

(pm)k——第k項指標中的最小值；

(pi)k——第i號試驗中第k項考察指標觀測值；

Wk——權重因子系數。

筆者以鋁合金作為基材進行噴涂試驗，為了使評價結果更加合理，對Wk的取值一定要慎重，根據式(1)、(2)所示加權綜合評分法，分別取權重為W1=0.55、W2=0.35和W3=0.10。從而得到最終的評價函數為：

(3)

通過上述測量方法對鋁涂層進行試驗測量，記錄每次試驗的涂層結合強度、孔隙率和涂層硬度的試驗數據，分析結果見表2。

表2 L9(34)正交試驗表

對試驗結果進行正交極差分析，以便得到更加詳細的數值結果，進一步分析各因素條件對各指標的影響趨勢，得到綜合評價法的極差分析表(表3)。

表3 正交結果分析表

在此通過試驗正交分析，從而獲得各個因素對相關指標的影響程度，進行極差和均值的相關分析，來判斷綜合指標對因素的依賴程度。依賴程度越高，表明該因素越關鍵；依賴程度越低，表明該因素不是關鍵因素。將水平均值以圖形形式表示(圖2)。

圖2 水平因素趨勢圖

3.4試驗結果分析

通過正交試驗法，得到上述試驗結果，由表3可以看出，噴涂氣壓的綜合評分均值的差值最大，對綜合指標的影響最大，是主要因素；而噴涂電流的綜合評分均值的差值最小，對綜合指標的影響最小，是次要因素。從而得到因素的重要程度排序為：因素D>因素A>因素C>因素B。從圖3可以看出，綜合評分均值越高，對綜合指標的影響越大，從而得到的工藝方案越好，最優的因素水平組合方案為A2B2C1D3，即在用鋁合金作為基材進行電弧噴涂時，選擇噴涂電壓為31V、噴涂電流為170A、噴涂距離為145mm和噴涂氣壓為0.83MPa是最優的工藝參數組合。

4 結束語

筆者通過大量的試驗研究，從能表征涂層質量的3個指標(結合強度、孔隙率、涂層硬度)出發，得到相關試驗數據，從而評判噴涂電壓、噴涂電流、噴涂距離和噴涂氣壓4個工藝參數對涂層質量的影響程度。由于多項指標不能單純的線性疊加，故采用綜合評價法來考察各個因素對涂層質量的影響。然后利用正交試驗分析法，對試驗結果進行極差和方差分析，從而得到各因素對綜合指標的影響程度，優化了電弧噴涂工藝。通過較少的試驗組合得到了最優的工藝參數組合方案，極大地減少試驗成本。以鋁合金作為基材進行噴涂，還得出增加噴涂氣壓可以降低涂層的孔隙率和增加涂層的結合強度的結論。因此在微熔滴進行霧化時，要保證足夠的空氣氣壓，但要注意的是，噴涂氣壓不宜過大，否則可能破壞涂層。在其他條件一定時，隨著噴涂電壓的增加，鋁涂層的結合強度先是增加，然后又有所下降。

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