電弧噴涂及熱處理對耐候鋼殘余應力變化影響研究

李方，倪寶成，董洪達，方孝鐘

電弧噴涂及熱處理對耐候鋼殘余應力變化影響研究

李方，倪寶成，董洪達，方孝鐘

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京210031）

電弧噴涂技術已經成為表面處理的重要手段，在電弧噴涂過程中噴砂和噴涂都會在基體上產生殘余應力的影響。使用曲率法對電弧噴涂鋁涂層的機車轉向架構架耐候鋼基體殘余應力的變化進行了測試和分析。結果表明電弧噴涂引起的基體殘余應力較小，噴砂工藝引起的基體殘余應力占85%，噴砂處理引起的殘余應力不容忽視。經過600℃下4小時的熱處理后，基體內表面的殘余應力比總殘余應力下降55%.

電弧噴涂；熱處理；殘余應力；耐候鋼

電弧噴涂技術可快速地在大面積基體表面沉積性能優良的涂層，已成為材料表面防護與強化的重要手段，也是再制造的重要技術之一，廣泛應用于航空航天、機械制造、石油化工等工業領域[1]。在電弧噴涂過程中，由于電弧噴涂工藝涉及高溫、大溫變或高升溫速率等以及材料熱物理性能差異的存在，涂層必然存在殘余應力[2-5]。殘余應力的存在不僅直接影響涂層的自身結合強度以及涂層與基體材料的結合強度，還直接影響到工件的工作狀況與疲勞壽命，有時還可能導致涂層裂紋，甚至涂層脫落失效。

目前，關于電弧噴涂殘余應力的研究重點集中在涂層的殘余應力的測試與研究。沈陽工業大學的張忠禮等[6，7]使用4Cr13馬氏體不銹鋼作為噴涂材料，分析了試件處于180～390℃溫度范圍條件下涂層的應力分布狀況。當沉積涂層溫度保持在大約260℃時，室溫下的涂層有最小的殘余應力，高于此溫度獲得拉應力涂層，低于此溫度涂層處于壓應力狀態。裝甲兵工程學院陳永雄等[8]采用X射線殘余應力測量了不同路徑下制備的82 B高碳鋼涂層的表面殘余應力分布。環形噴涂路徑制備的涂層的殘余應力分布最均勻，最大應力值最低。平行對稱路徑的情況最差。哈焊所王志平等[9]利用改進的Almen試驗方法對熱噴涂涂層的殘余應力進行了測試與分析。首次提出了熱噴涂涂層應變滯后于溫度或外加應力這種現象的物理模型，證明了熱噴涂涂層的殘余應力與涂層的厚度是線性關系，并且無論涂層的殘余應力是壓應力還是拉應力，都隨涂層厚度的增加而增大。

然而，對于電弧噴涂涂層基底殘余應力的測試和研究相關報道較少。基底殘余應力大小不但關系到涂層的結合力，還關系到試件的安裝精度和變形。中科院力學所黃晨光等[10]利用計算機模擬涂層沉積過程的涂層孔隙率、溫度梯度等因素對于涂層和基底內殘余應力的影響，發現當基底的熱膨脹系數大于涂層的熱膨脹系數時，驟冷應力和冷卻應力對殘余應力的影響相反。集美大學的李延平等[11]研究了熱噴涂涂層和基體中殘余應力產生的原因并發展建立了相應的理論模型。首次分析了沉積過程中，基體/涂層因噴射沖擊（即噴涂粒子高速撞擊基體及形成的涂層表面）而產生的殘余應力，以及因基體/涂層熱膨脹系數不匹配產生的殘余應力。

綜上所述，對于電弧噴涂涂層基底殘余應力的測試及分析較少，特別是涂層厚熱處理對基底殘余應力的影響未見相關報道。本文使用曲率法對噴砂和電弧噴涂鋁的P335-NL1耐候鋼機車轉向架構架基體殘余應力的變化進行了測試和分析，在此基礎上，對600℃10 h熱處理的基體殘余應力進行了測試，并于熱處理前試樣殘余應力結果進行了對比分析。

1 試驗方法

1.1 實驗材料

電弧噴涂鋁P355-NL1耐候鋼試樣規格為400 mm×80mm×4mm，見圖1.首先在耐候鋼表面進行噴砂處理，之后進行噴涂工藝。噴砂材料為細長圓形的鋼粒（φ2mm×3mm），作為噴砂材料（見圖2），電弧噴涂鋁涂層使用直徑2mm的L1純鋁焊絲，純度99.5%.

圖2 細長圓形的鋼粒噴砂材料

1.2 噴涂和噴砂工藝

噴砂使用的壓縮空氣壓力為0.6～0.7 MPa，噴槍槍口直徑φ8mm，噴嘴到基體鋼材表面距離150～200 mm，噴射方向與基體鋼材表面法線夾角以15°～30°，噴涂時間約0.5～1 min，噴涂后的試樣形貌如圖3所示。

圖3 噴砂后的試樣表面形貌

電弧噴涂鋁使用的設備LSARC400電弧融射機，額定功率18.8 kW，空載電壓21～45 V，負載率60%.電弧噴涂使用的噴涂電流150～180 A，噴涂電壓30～35 V，霧化空氣壓力0.6～0.7 MPa，噴涂距離150 ～200 mm，噴涂時間30～60 s，噴涂角度70°～80°.表面鋁噴涂層厚度為160～200μm.

對噴涂的試樣進行600℃10 h熱處理，熱處理時升溫速率10℃/min，降溫速率控制在5℃/min.

1.3 曲率法殘余應力測試

噴砂顆粒或者熔融金屬滴高速沖擊到基體上時，涂層和基體之間由于力學和熱物理性能的差異產生二維界面應力，使基體產生微小的彎曲（見圖4），根據幾何學和力學原理推斷出基體的曲率變化和殘余應力的對應關系，曲率半徑k和基底材料殘余應力σ的計算公式分別為：

其中，E為基體材料的彈性模量；k是基體的曲率半徑；δ為試樣彎曲高度；L為試樣的水平投影長度；ts為基體的厚度。

圖4 曲率法測試基底殘余應力試件示意圖

2 結果與分析

將耐候鋼鋼板試樣按照工藝要求進行噴砂表面處理，測試噴砂后鋼板的曲率，進行電弧噴涂處理表面，測試噴涂后鋼板的曲率。基體材料為P335-NL1耐候鋼，其彈性模量E=210 GPa.根據式（1）和式（2），計算出殘余應力。試樣涂層的厚度分別為160 μm和190μm，鋼板在噴砂后和噴涂后的殘余應力變化結果見表1.

表1 鋼板殘余應力在噴涂過程中的變化

噴砂后在鋼板表面沿著軸線長度方向的殘余應力達到46 MPa，噴涂后的平均殘余應力達到54 MPa.電弧噴涂引起的基體殘余應力的變化只有8～9 MPa，約占總殘余應力的15%，說明電弧噴涂在基體引起的殘余應力不大。噴砂引起的殘余應力約占基體表面總殘余應力的85%，噴砂是引起鋼板殘余應力的主要因素。噴砂工藝是引起基底材料的殘余應力主要原因。

在電弧噴涂表面處理過程中，對基體材料產生殘余應力主要包括噴砂引起的殘余應力和電弧噴涂引起的殘余應力。噴砂引起的基體材料殘余應力是一個復雜的過程，取決于砂粒的粒徑、噴砂壓力以及基體的楊氏模量等因素，最大的殘余應力產生在距離基體表面幾百微米的塑性區域。噴砂使基體表面產生了從外部至內部的壓應力梯度，一般認為噴砂在基體材料上形成壓縮的殘余應力。但是根據彈塑性理論，除了厚度方向存在壓縮殘余應力外，實際還存在其余兩個方向的殘余應力，從而引起基體向噴砂表面的翹曲。噴涂后產生的殘余應力，使鋼板向噴砂表面彎曲變形繼續增加，說明噴砂與噴涂產生的具有殘余應力疊加的增強效應。這種翹曲如果過大，不僅會影響噴涂層的形狀尺寸，還會影響涂層的疲勞壽命。因此，需要對噴砂和噴涂鋁涂層后的試樣進行消應力熱處理試驗。

在電弧噴涂鋁涂層完成后，對試樣在600℃條件下進行10 h的熱處理，同樣利用曲率法對其測試的殘余應力如表2所示。鋼板噴涂完成后經過600℃10 h的高溫熱處理后，鋼板內表面的殘余應力從噴涂后的平均值54 MPa下降到平均值24.5 MPa，下降幅度達到總殘余應力的55%，可見消應力熱處理可有效降低電弧噴涂基體表面殘余應力的大小。

表2 鋼板殘余應力在退火處理后的變化

電弧噴涂后的P355-NL1耐候鋼經過熱處理后，表面殘余應力顯著降低。金屬的殘余應力從微觀機理上來分析，是由于位錯在晶粒中的不均勻分布所造成的，晶格畸變比較大。當進行熱處理時，溫度達到一定程度，導致原子的活性增加，擴散加劇，為位錯的移動、消失提供了能量，從而促進了位錯的運動和聚集，使位錯數量下降并趨于均勻分布，降低了殘余應力大小[11]。從宏觀上來講，整體熱處理使電弧噴涂鋁涂層的耐候鋼試樣受熱均勻，整體上自由變形程度增加，從而使試樣的變形撓度顯助降低，從而使整個試樣的殘余應力降低。

3 結束語

在電弧噴涂過程中，噴砂和噴涂都會在電弧噴涂基體上產生殘余應力，噴砂引起的殘余應力不僅僅有垂直于表面的壓縮殘余應力，而且由于橫向變形效應，還存在著平行于表面的拉伸殘余應力，使得基底材料會向噴砂的表面產生彎曲變形。噴砂引起的平行于表面的拉伸殘余應力和噴涂產生的殘余應力具有疊加的增強效應。電弧噴涂過程中，基體殘余應力的變化結果說明電弧噴涂引起的基體殘余應力較小，噴砂工藝引起的基體殘余應力占主要部分，噴涂前表面噴砂處理引起的殘余應力不可忽視。電弧噴涂后進行的熱處理可有效降低電弧噴涂引起的基體殘余應力。

[1]徐芝綸.彈性力學[M].2版.北京：高等教育出版社，1982.

[2]T.W.Clyne，S.C.Gill.Residual Stresses in Thermal Spray Coatings and Their Effect on Interfacial Adhesion：A Review of Recent Work[J].Journal of Thermal Spray Technology，1996，5（4）：401-408

[3]黃晨光，段祝平，吳承康.電弧噴涂構件中殘余應力的理論分析[J].工程力學，2002，19（4）：135-140.

[4]馬維，潘文霞，張文宏，等.電弧噴涂涂層中殘余應力分析和檢測進展[J].力學進展，2002，32（1）：41-56.

[5]李延平，趙萬華，盧秉恒.電弧噴涂涂層和基體中殘余應力預報與控制研究[J].工程力學，2005，22（5）：236-240.

[6]張忠禮，趙嬌玉，王艷燕，等.電弧噴涂馬氏體不銹鋼涂層殘余應力分析[J].沈陽工業大學學報，2009，31（5）：504-507.

[7]趙嬌玉.熱噴涂涂層殘余應力產生及控制因素研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2009.

[8]陳永雄，梁秀兵，劉燕，等.自動化電弧噴涂路徑對涂層殘余應力的影響[J].焊接學報，2010，31（8）：97-100.

[9]王志平，董祖玨，李麗，等.熱噴涂涂層殘余應力的測試與分析[J].焊接學報1999，20（4）：278-284.

[10]黃晨光，段祝平，吳承康.熱噴涂構件中殘余應力的理論分析[J].工程力學，2002，19（4）：135-140.

[11]吳甦，趙海燕，鹿安理，等.磁處理降低鋼中殘余應力的微觀機理模型[J].清華大學學報（自然科學版），2002，42（2）：147-150.

Study on Effect of Arc praying and Heat Treatment on the Residual Stress Change of Weathering Resistant Steel

LI Fang，NI Bao－cheng，DONG Hong-da，FANG Xiao-zhong
（CRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210031，China）

The arc spraying has become an important means of surface treatment.In arc spraying，blasting and spraying should be generally performed;these operations will produce residual stress on the substrate.The residual stress changes of substrate during arc spraying were tested and analyzed using curvature method.The results show that the residual stress caused by arc spraying is smaller，and the residual stress of weathering resistant steel caused by the blasting is 85%.The residual stress caused by blasting can not be ignored.The residual stress in the surface of substrate reduces about55%of the total residual stress after heat treatment.

arc spraying；heat treatment；residual stress；weathering resistant steel

TG174.442

A

1672-545X（2017）02-0089-03

2016-11-21

李方（1987-），男，江西南昌人，本科，工程師，研究方向為轉向架的表面處理技術。