鋁合金薄壁件選用 6061 鋁合金試片， 尺寸為50 mm × 50 mm× 2 mm。HXP-F 型循環(huán)式回收噴砂系統(tǒng)用于鋁合金表面噴砂， 噴砂壓力為 0.3~0.5MPa。砂粒選用鄭州白鴿集團(tuán)棕剛玉砂， 粒度有24 目和 60 目?jī)煞N規(guī)格。

       采用 TIME3200 型表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)試噴砂后試片的表面粗糙度。Leica 6M 型金相顯微鏡用于觀測(cè)涂層的顯微形貌， VHX-700FC 型體式顯微鏡用于觀測(cè)噴砂后表面的 3D 形貌。采用 ZeissG500 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察噴砂后表面精細(xì)結(jié)構(gòu)。

      質(zhì)量采用 Sartorius BSA224S 分析天平測(cè)量，精度為0.1 mg。為了測(cè)量試片噴砂后的變形程度，將百分表（ 成量川牌百分表， 量程 0~10 mm， 精度 0.01 mm） 垂直固定在已校準(zhǔn)的金屬平臺(tái)上。如圖 1 所示， 將一塊平板平分為 16 個(gè)方格， 噴砂后朝上放置在金屬平臺(tái)上， 測(cè)試 25 個(gè)節(jié)點(diǎn)的高度。

      研究了多次噴砂后鋁合金薄壁件的狀態(tài)變化，為了保證每次的噴砂效果一致， 噴砂前在表面噴藍(lán)色漆， 待干燥后繼續(xù)噴砂至無(wú)色漆殘留， 即完成一次噴砂。每次噴砂后記錄試片的質(zhì)量和厚度變化。

     在 Φ20 mm× 8 mm 的 6061 鋁合金試片上采用 9M 等離子噴涂系統(tǒng)噴涂熱障涂層。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， 噴砂壓力為 0.4 MPa， 隨后噴涂鎳鉻鋁釔金屬粘接層， 噴涂功率為 39 kW， 涂層厚度為 100~140 μm， 最后噴涂 YSZ 涂層， 噴涂功率為 42.5 kW，涂層厚度為 200~250 μm。參照 GB/T8642-2002 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

      在 6061 鋁合金試片 (50× 50× 2mm3) 上涂覆丙烯酸聚氨酯有機(jī)涂層。同樣地，采用 60 目棕剛玉砂噴砂 1 次、5 次和 15 次，隨后涂覆 0.05mm 厚的丙烯酸聚氨酯層，待固化后， 參照 GB/T9286-2021 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試涂層附著力。

       觀察了鋁基材表面 0.4 MPa 噴砂后的形貌，圖 3 是 24 目和 60 目棕剛玉砂噴砂后的 SEM 圖像。噴砂后鋁合金表面呈現(xiàn)出明顯的粗糙結(jié)構(gòu)， 凹陷和尖角狀凸起均勻分布在試樣表面。噴砂過(guò)程中，高速砂礫沖蝕鋁合金表面， 使其不同位置發(fā)生塑性變形， 被沖擊的位置形成凹坑， 其周圍區(qū)域被擠壓， 形成不規(guī)則形狀的凸起。由于棕剛玉砂剛性較大， 鋁合金模量較低， 噴砂過(guò)程中不易發(fā)生棕剛玉砂的沖擊破碎， 也不易發(fā)生棕剛玉砂粘結(jié)包埋在塑性變形表面， 造成基體污染。

圖 3 鋁基材表面 0.4 MPa 噴砂后 SEM 圖像：(a), (b)60 目；(c), (d)24 目

        測(cè)量了 1 次噴砂前后鋁合金薄板的質(zhì)量、 厚度和表面粗糙度。初步比較可以發(fā)現(xiàn)， 噴砂前后，鋁板質(zhì)量無(wú)明顯變化， 厚度出現(xiàn)了輕微增大， 表面粗糙度則明顯增大。具體而言， 噴砂后試樣厚度由原來(lái)的 ~2.0 mm 增大到 2.026~2.045 mm， 厚度增長(zhǎng) 26~45 μm。從表面 SEM 圖像可以看出，砂粒并沒(méi)有在試片表面殘留， 由于試片質(zhì)量變化不明顯， 可以推斷出一次噴砂僅導(dǎo)致鋁合金表面塑性變形， 而不會(huì)發(fā)生局部組織從基材表面沖蝕剝離。那么， 表面粗糙度的增加必然會(huì)造成基體表觀厚度的增加。未噴砂前基體表面粗糙度 Ra 值為 0.35 μm 左右， 根據(jù)表面粗糙度等級(jí) (ISO 1302-2002) 劃分， 為 N 5 級(jí)， 即微見(jiàn)加工痕跡。噴砂后基體表面粗糙度 Ra 值達(dá)到 4.747~11.49 μm，介于N 8~N 10，為半光面或粗糙面。對(duì)于等離子噴涂或有機(jī)涂層涂覆， 顯然 N 8~N 10 的粗糙度已能夠保證較好的結(jié)合強(qiáng)度。

       從表 1 的結(jié)果來(lái)看， 24 目和 60 目砂粒噴砂的結(jié)果差異比較明顯。盡管噴砂前后二者所造成的質(zhì)量變化可以忽略不計(jì)， 但是從涂層厚度的比較而言， 顯然同樣條件下 24 目砂粒能造成更顯著的厚度和表面粗糙度增加， 表明更大粒徑的棕剛玉砂能為基體表面帶來(lái)更好的粗化效果。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果與圖 3 的 SEM 圖像吻合， 更明顯的凹陷和凸起預(yù)示表面粗糙度更大， 表觀厚度的增大也更為顯著。就表面粗糙度而言， 60 目砂在壓力較大的條件下 (0.5 MPa)， 對(duì)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(jiàn)，砂粒粒度對(duì)鋁合金基體表面粗化作用起到?jīng)Q定性作用。

        對(duì)比不同壓力下噴砂的結(jié)果， 可以發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加， 涂層的表觀厚度和表面粗糙度逐漸增加。24 目砂在 0.3 MPa 下噴砂后鋁板粗糙度為8.925 μm，0.5 MPa 下增加至 11.49 μm，粗糙度等級(jí)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） ?？梢钥闯?， 在砂粒粒度一定的條件下， 噴砂壓力的改變對(duì)鋁合金基體表面粗化的影響相對(duì)較小。

        對(duì)于薄壁件，當(dāng)單側(cè)噴砂時(shí)，砂子沖擊會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生壓應(yīng)力作用?；w厚度較小時(shí)，厚度方向形成較大的應(yīng)力梯度， 將造成工件噴砂面中心位置出現(xiàn)向上鼓的情形。測(cè)量了噴砂 1 次后樣品不同點(diǎn)位（ 圖 1） 的高度， 來(lái)表征鋁合金薄壁件的變形情況。結(jié)果如圖 4 所示。60 目砂在噴砂壓力 0.3~0.5 MPa 條件下， 基體不同位置處的厚度均較為均勻，極差在 0.2 mm 以內(nèi)，可以認(rèn)為變形量很低， 噴砂壓力對(duì)薄板變形的影響有限。而對(duì)于 24 目砂， 可以明顯地觀察到中心位置的高度高于四角。0.3 MPa 條件下， 中心位置比四角高出約 0.6 mm 的高度，當(dāng)壓力增加到 0.5 MPa 后，其中心位置相較四角的變形量達(dá)到 0.8 mm， 高度梯度更明顯， 試片中形成的殘余壓應(yīng)力水平愈加顯著。顯然， 對(duì)于薄壁件， 應(yīng)加強(qiáng)對(duì)砂粒粒度的控制，來(lái)降低噴砂過(guò)程中工件的變形。

     針對(duì)產(chǎn)品面臨多次修復(fù)或表面污垢多次去除的應(yīng)用需求， 需要多次噴砂處理?？疾炝虽X合金薄壁件多次噴砂對(duì)表面狀態(tài)、 顯微結(jié)構(gòu)以及涂層結(jié)合力的影響。

      式中， mn, m0, ρ, A 分別代表第 n 次噴砂后的試樣質(zhì)量， 試樣噴砂前的質(zhì)量， 6061 鋁合金的密度， 試板的面積。本研究中 ρ=2750 kg·m-3, A=0.25mm2?；w的實(shí)際減厚 (dn) 由基體原始厚度減去 n次噴砂后的試樣厚度得出。可以發(fā)現(xiàn)， 從第 1 次噴砂起， 基體實(shí)際減厚和當(dāng)量減厚均隨著噴砂次數(shù)的增加線性增加。計(jì)算了二者的差值 (de-dn)，結(jié)果如圖 6 所示。de-dn 反映了噴砂過(guò)程中基體表面噴砂區(qū)的后退情況，若 de-dn 變化不大， 則噴砂過(guò)程中已噴砂粗糙層不斷后退，噴砂區(qū)以下部分被不斷噴砂， 結(jié)果來(lái)看噴砂區(qū)厚度（ 可視為最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差） 保持不變， 表面狀態(tài)變化不大；若 de-dn 逐漸降低， 則噴砂過(guò)程中已噴砂粗糙層后退量較大，噴砂區(qū)以下部分被再次噴砂的厚度相對(duì)較小，結(jié)果來(lái)看噴砂區(qū)厚度逐漸減薄，粗糙度會(huì)有所降低；反之亦然。有趣的是，鋁合金基板在 60 目砂多次噴砂后，de-dn 逐漸增大，表明其表面粗化程度在不斷增加。而 24 目砂多次噴砂后， de-dn 小幅度降低，15 次噴砂后減小約 25μm， 說(shuō)明其表面粗化程度略微減弱。