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 目兩種規(guī)格。

       采用 TIME3200 型表面粗糙度測試儀測試噴砂后試片的表面粗糙度。Leica 6M 型金相顯微鏡用于觀測涂層的顯微形貌， VHX-700FC 型體式顯微鏡用于觀測噴砂后表面的 3D 形貌。采用 ZeissG500 場發(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 分析天平測量，精度為0.1 mg。為了測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)的金屬平臺上。如圖 1 所示， 將一塊平板平分為 16 個方格， 噴砂后朝上放置在金屬平臺上， 測試 25 個節(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的 ~2.0 mm 增大到 2.026~2.045 mm， 厚度增長 26~45 μm。從表面 SEM 圖像可以看出，砂粒并沒有在試片表面殘留， 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 (ISO 1302-2002) 劃分， 為 N 5 級， 即微見加工痕跡。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， 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更好的粗化效果。這一統(tǒng)計結(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，砂粒粒度對鋁合金基體表面粗化作用起到?jīng)Q定性作用。

        對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） 。可以看出， 在砂粒粒度一定的條件下， 噴砂壓力的改變對鋁合金基體表面粗化的影響相對較小。

        對于薄壁件，當(dāng)單側(cè)噴砂時，砂子沖擊會對表面產(chǎn)生壓應(yīng)力作用。基體厚度較小時，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。測量了噴砂 1 次后樣品不同點(diǎn)位（ 圖 1） 的高度， 來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， 噴砂壓力對薄板變形的影響有限。而對于 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， 對于薄壁件， 應(yīng)加強(qiáng)對砂粒粒度的控制，來降低噴砂過程中工件的變形。

     針對產(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。考察了鋁合金薄壁件多次噴砂對表面狀態(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較小，結(jié)果來看噴砂區(qū)厚度逐漸減薄，粗糙度會有所降低；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， 說明其表面粗化程度略微減弱。