郝贠洪 ，段國龍，任 瑩，馮玉江，宿 廷，楊風(fēng)利，張宏杰

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100055）

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)是中國沙塵暴的多發(fā)區(qū)［1］，該地區(qū)的橋梁、通信塔和輸電塔架等鋼結(jié)構(gòu)體系的表面涂層受風(fēng)沙沖蝕嚴(yán)重，使鋼結(jié)構(gòu)表面外露銹蝕，造成鋼結(jié)構(gòu)體系的耐久性和安全性下降，給國民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失.

沖蝕磨損是造成材料損失和設(shè)備破壞的一個(gè)重要原因［2－5］，目前關(guān)于風(fēng)沙的沖蝕磨損研究主要集中在仿生功能表面［6－8］的抗沖蝕磨損，對(duì)于工程材料的沖蝕磨損研究則主要集中于含沙水流對(duì)水工混凝土材料的沖蝕磨損［9－11］，而有關(guān)風(fēng)沙環(huán)境（氣固兩相流）下工程結(jié)構(gòu)材料的沖蝕磨損性能研究還不夠深入，可查閱的資料也較少［12－15］.本文針對(duì)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的風(fēng)沙環(huán)境特征，采用氣流挾沙噴射法［16］，模擬風(fēng)沙環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕過程，分析不同風(fēng)沙沖蝕參數(shù)作用下涂層的沖蝕磨損變化規(guī)律，并利用掃描電鏡觀測其沖蝕失效表面，分析其失效機(jī)理；分析涂層在潛伏期、加速期和穩(wěn)定期這3個(gè)沖蝕階段的歷時(shí)和特征.研究結(jié)果可為鋼結(jié)構(gòu)涂層的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和防護(hù)提供依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 鋼結(jié)構(gòu)涂層制備

涂層材料為奔騰鐵紅醇酸防銹漆（底漆）和晨虹白色磁漆（面漆）.采用BSTAIR 型空氣壓縮機(jī)和K－3型噴漆槍進(jìn)行噴涂.基體試樣為普通碳素鋼薄鋼板，尺寸為40mm×40mm×1mm，在噴涂前打磨除銹并用丙酮棉簽擦洗干凈.涂層噴涂按照GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中“鋼結(jié)構(gòu)涂裝工程”工藝要求進(jìn)行，噴2道防銹漆（厚約400μm）和3道面漆（厚約600μm），涂層平均厚度為1 000μm.

1.2 性能試驗(yàn)

（1）涂層硬度按照ISO 15184—1998《色漆和清漆 使用鉛筆測定漆膜硬度》進(jìn)行測定.（2）涂層柔韌性按照GB／T 1731—1993《漆膜柔韌性測定法》，采用柔韌性測定儀進(jìn)行測定.（3）涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度采用GB／T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》，在電子萬能拉力機(jī)上進(jìn)行測定，對(duì)5個(gè)試樣進(jìn)行5次測量，結(jié)果取平均值.（4）涂層摩擦系數(shù)按照GB 10006—1988《塑料薄膜和薄片摩擦系數(shù)測定方法》，在摩擦系數(shù)測試儀上進(jìn)行測定，法向力為（1.96±0.02）N，兩試樣表面以（100±10）mm／min的速度相對(duì)移動(dòng).（5）涂層的耐磨性按照ISO 77842—1997《色漆和清漆—耐磨耗測定—第二部分：旋轉(zhuǎn)研磨橡皮輪法》，采用Taber試驗(yàn)儀進(jìn)行測定，測量參數(shù)為：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60r／min，采用CS17 型橡膠砂輪，加壓負(fù)荷為7.5N.（6）采用氣流挾沙噴射法模擬風(fēng)沙環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕磨損，試驗(yàn)裝置見圖1；所用沙粒取自內(nèi)蒙古中西部地區(qū)鄂爾多斯高原北部的庫布其沙漠，粒徑主要為0.05～0.25mm，沙粒形狀近似圓形或橢圓形；風(fēng)沙流的沖蝕速度V 為13，16，18，20，23，26和30m／s，沖蝕角度α為15°，30°，45°，60°，75°和90°，沖蝕濃度用下沙率M 來表征，由低濃度到高濃度分別設(shè)定為90，150，240，300，360和460g／min；采用沖蝕質(zhì)量損失及沖蝕率來評(píng)定涂層的沖蝕磨損程度，利用OHAUS－EP214C 精密分析天平（精度為0.1mg）確定其質(zhì)量損失S，沖蝕率為質(zhì)量損失（mg）與沖蝕用沙量（g）之比，用ε表示.

圖1 沖蝕裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of the erosion device

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的力學(xué)性能與磨損性能

涂層的力學(xué)性能與磨損性能見表1.由表1 可見，涂層的柔韌性較好；涂層與基材的平均結(jié)合強(qiáng)度較低，只有2.3MPa，這主要是由于涂層與鋼結(jié)構(gòu)基材之間的熱膨脹系數(shù)失配造成的.一般而言，有機(jī)材料的熱膨脹系數(shù)高于金屬材料10倍以上.漆膜屬于軟質(zhì)涂層，鉛筆硬度為B，硬度較低，剪切強(qiáng)度較低，因而其摩擦系數(shù)較低，只有0.37～0.42，粒子沖擊時(shí)易造成切削破壞.涂層磨損的Taber指數(shù)為81.9×10－3mg／r，高于HG／T 3831—2006《噴涂聚脲防護(hù)材料》的規(guī)定（≤80×10－3mg／r），說明其磨損率較大，耐磨性較差.

表1 涂層的力學(xué)和磨損性能Table 1 Mechanical and wear properties of the coating

2.2 風(fēng)沙流沖蝕速度對(duì)涂層沖蝕磨損的影響

圖2是在沖蝕角度α為45°和90°，下沙率M 為150g／min，時(shí)間t為12min的條件下，涂層沖蝕率ε與風(fēng)沙沖蝕速度V 的變化關(guān)系曲線.由圖2 可知，涂層沖蝕率隨著沖蝕速度的增大而增加.這是由于當(dāng)沖蝕速度增加時(shí)，相應(yīng)的動(dòng)能也增加，沙粒對(duì)材料表面所做的功增多，從而能克服涂層分子間的結(jié)合力，使更多的分子結(jié)構(gòu)被破壞所致.

圖2 沖蝕率ε與沖蝕速度V 的關(guān)系Fig.2 Relationship between erosion rate and erosion speed

此外，根據(jù)沖蝕率隨沖蝕速度的變化趨勢可知，45°時(shí)沖蝕過程出現(xiàn)了低速?zèng)_蝕和高速?zèng)_蝕這2個(gè)變化階段：當(dāng)V＜16m／s時(shí)，屬于低速?zèng)_蝕階段，此時(shí)沙粒的能量不高，與涂層表面碰撞后，沙粒速度的水平分量很小，不可能在材料表面留下長的切削痕跡和犁溝，磨損量較少；當(dāng)V≥16m／s時(shí)，屬于高速?zèng)_蝕階段，此時(shí)沙粒速度高，能量大，能在涂層表面上劃過較長距離，這一過程持續(xù)進(jìn)行，使得涂層表面初始產(chǎn)生的變形凸起被推平，材料損失相對(duì)較多.沖蝕角度為90°時(shí)，由于沙粒速度不存在水平分量，因此不能明顯區(qū)分低速和高速階段.

圖2中沖蝕率ε與沖蝕速度V 近似存在指數(shù)關(guān)系：

經(jīng)曲線擬合可知，式中的系數(shù)K≈2.167 3×10－5～20.539 1×10－5，n≈2.10～2.26.K 和n 均與磨粒、被沖蝕材料和沖蝕角等因素有關(guān).根據(jù)Finnie等對(duì)大多數(shù)具有延展性材料的研究結(jié)果表明，指數(shù)n 為2.0～3.0.說明本次試驗(yàn)結(jié)果符合延展性材料的規(guī)律，本涂層屬于延展性材料.

2.3 風(fēng)沙流沖蝕角度對(duì)涂層沖蝕磨損的影響

圖3是在下沙率M 分別為90，150，240g／min，沖蝕速度V 為20m／s，沖蝕時(shí)間t為12min的條件下，涂層的沖蝕質(zhì)量損失S 與沖蝕角度α 的變化關(guān)系曲線.由圖3可知，在α＝45°時(shí)涂層的沖蝕質(zhì)量損失最大，α＝90°時(shí)涂層的沖蝕質(zhì)量損失最小.典型的塑性材料最大沖蝕質(zhì)量損失出現(xiàn)在15°～30°處，典型的脆性材料最大沖蝕質(zhì)量損失出現(xiàn)在接近90°處.鋼結(jié)構(gòu)涂層的最大沖蝕質(zhì)量損失出現(xiàn)在45°左右，說明鋼結(jié)構(gòu)涂層既未表現(xiàn)出典型脆性材料的沖蝕磨損特征，也未表現(xiàn)出典型塑性材料的沖蝕磨損特征，而表現(xiàn)出了從脆性材料向塑性材料過渡的特征.

圖3 沖蝕質(zhì)量損失S 與沖蝕角度α 的關(guān)系Fig.3 Relationship between erosion mass loss and erosion angle

圖4是α為15°，45°，75°，90°時(shí)涂層沖蝕磨損的SEM 形貌.由圖4可知，在低沖角時(shí)，涂層失效表面產(chǎn)生波紋狀或順風(fēng)沙方向的犁溝狀溝痕，劃痕長且方向性明顯，同時(shí)劃痕周圍伴有微裂紋，微裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生微破壞區(qū)，部分材料從表面剝離留下清晰的剝落坑，造成了涂層的破壞.因此在低沖角時(shí)，沖蝕破壞以微切削作用為主.當(dāng)α＝75°時(shí)，涂層表面因切削產(chǎn)生的溝痕已不明顯，而劃痕則短而深，這是由于沙粒的切削作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍徬?，涂層表面有鑿削坑和裂紋擴(kuò)展與交叉而產(chǎn)生斷裂的痕跡.當(dāng)α＝90°時(shí)，涂層表面出現(xiàn)蜂窩狀沖蝕楔入坑，坑周圍有材料被擠壓突出，材料的破壞方式以沙粒對(duì)涂層的擠壓鑿削作用為主.綜上可知，低沖角時(shí)材料的破壞方式以微切削作用為主，決定材料耐沖蝕性能的主要因素是其硬度；在高沖角時(shí)，材料破壞方式以擠壓鑿削作用為主，決定材料耐沖蝕性能的主要因素是其柔韌性；涂層因硬度低而柔韌性較好，因此其在低沖角時(shí)的沖蝕質(zhì)量損失要大于高沖角時(shí)的沖蝕質(zhì)量損失.

2.4 風(fēng)沙濃度對(duì)涂層沖蝕磨損的影響

風(fēng)沙濃度用下沙率M（g／min）來表示，圖5 是在不同的沖蝕角度下，當(dāng)沖蝕速度V 為23m／s，時(shí)間t為12min時(shí)，涂層的沖蝕質(zhì)量損失S 與下沙率M 的關(guān)系曲線.由圖5可知，在不同沖蝕角度下，隨著下沙率的增大，沖蝕質(zhì)量損失先升后降，在M ＝300g／min時(shí)達(dá)到最大值.原因主要是隨著下沙率增大，沙粒沖擊涂層的動(dòng)能增大，某一時(shí)刻沖擊涂層表面的沙粒數(shù)量增多，涂層材料被反復(fù)切削、擠壓和鑿削的次數(shù)增多，因而材料損失量也增多；當(dāng)M ≥300g／min時(shí)，沖蝕質(zhì)量損失呈下降趨勢，這是由于當(dāng)沖蝕沙粒增至一定數(shù)量時(shí)，沙粒間的相互碰撞以及回彈沙粒會(huì)使沙粒沖擊涂層的動(dòng)能大大削弱，造成沖蝕質(zhì)量損失下降.

圖4 沖蝕角度不同時(shí)的涂層沖蝕磨損表面SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of erosion surface of the coating at different erosion angles

圖5 沖蝕質(zhì)量損失S 與下沙率M 的關(guān)系Fig.5 Relationship between erosion mass loss and sand－dose

2.5 沖蝕時(shí)間對(duì)涂層沖蝕磨損的影響

圖6 是沖蝕速度V 為26m／s，下沙率M 為300g／min，沖蝕角度α為45°，90°的條件下，對(duì)涂層每隔5s進(jìn)行一次稱重所得的涂層累積質(zhì)量損失L與時(shí)間t的關(guān)系圖.由圖6可知，涂層的累積質(zhì)量損失隨時(shí)間大致呈線性增長趨勢，低沖角下線性增長的趨勢明顯快于高沖角下的線性增長趨勢，即低沖角下的涂層累積質(zhì)量損失要大于高沖角下的涂層累積質(zhì)量損失.

圖6 涂層累積質(zhì)量損失L 與時(shí)間t的關(guān)系Fig.6 Relationship between cumulative mass loss and erosion time

圖7為涂層沖蝕率ε隨時(shí)間t的變化關(guān)系圖.由圖7可知，涂層的沖蝕過程存在明顯的潛伏期、加速期和穩(wěn)定期.沖蝕角度為45°時(shí)，沖蝕時(shí)間0～25s為潛伏期，25～100s為加速期，100s之后進(jìn)入穩(wěn)定期；沖蝕角度為90°時(shí)，沖蝕時(shí)間0～50s為潛伏期，50～170s為加速期，170s之后進(jìn)入穩(wěn)定期.潛伏期內(nèi)，45°時(shí)沖蝕率為0，但是在90°時(shí)出現(xiàn)沖蝕率為負(fù)值的情況，這主要是由于入射的沙粒嵌入涂層，導(dǎo)致涂層增重，從而產(chǎn)生負(fù)值，而增重的大小與沖擊角度有關(guān)，一般低沖角下嵌入增重的趨勢明顯小于高沖角時(shí)，本文中45°時(shí)沒有產(chǎn)生嵌入增重的現(xiàn)象.另外，同等沖蝕條件下，低沖角時(shí)的潛伏期和加速期歷時(shí)要小于高沖角時(shí)的潛伏期和加速期歷時(shí).

圖7 涂層沖蝕率ε與時(shí)間t的關(guān)系Fig.7 Relationship between erosion rate and erosion time

沖蝕磨損在上述3個(gè)階段的沖蝕機(jī)理為：（1）潛伏期，為沖蝕的初始階段，低沖角時(shí)沖蝕率為0，涂層只發(fā)生彈塑性變形，表面留下細(xì)微的劃痕；高沖角時(shí)由于沙粒嵌入涂層，沖蝕率可能出現(xiàn)負(fù)數(shù)的情況，涂層發(fā)生彈塑性變形，表面產(chǎn)生細(xì)微的沖蝕坑.無論是低沖角還是高沖角，在劃痕或沖蝕坑的附近都伴有微裂紋產(chǎn)生及其疲勞擴(kuò)展，但無材料損失.（2）加速期，沖蝕率不斷上升，涂層不斷吸收沖擊能量導(dǎo)致塑性耗盡，此時(shí)低沖角下的微切削作用和高沖角下的擠壓鑿削作用所造成的材料損失占主導(dǎo)地位，前者會(huì)形成較深的犁溝狀溝痕，后者則形成較深較大的沖蝕坑；溝痕和沖蝕坑附近的微裂紋迅速擴(kuò)展交叉，以致斷裂剝落，形成剝落坑，造成材料損失.（3）穩(wěn)定期，此階段內(nèi)涂層表面已被完全破壞，在凹凸不平的表面上較難造成有效的微切削和鑿削.此時(shí)的涂層損失主要是微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展所導(dǎo)致的疲勞破壞.

3 結(jié)論

（1）鋼結(jié)構(gòu)涂層的柔韌性較好，與基材的結(jié)合強(qiáng)度較低；硬度較低，摩擦系數(shù)較低，耐磨性較差.

（2）鋼結(jié)構(gòu)涂層在沖蝕角度為45°時(shí)的沖蝕質(zhì)量損失最大，90°時(shí)的沖蝕質(zhì)量損失最小，沖蝕率隨風(fēng)沙流速度的增加近似呈指數(shù)增長.在沖蝕角度為45°時(shí)，存在低速和高速兩個(gè)沖蝕階段.

（3）涂層沖蝕機(jī)理為：低沖角時(shí)，材料破壞方式以微切削作用為主，決定材料耐沖蝕性能的主要因素是其硬度；在高沖角時(shí)，材料破壞方式以擠壓鑿削作用為主，決定材料耐沖擊性能的主要因素是其柔韌性.

（4）高風(fēng)沙濃度時(shí)鋼結(jié)構(gòu)涂層的沖蝕質(zhì)量損失受沖蝕沙粒間的相互碰撞以及回彈沙粒的影響較大.

（5）鋼結(jié)構(gòu)涂層的累積質(zhì)量損失隨時(shí)間延長大致呈線性增長趨勢，涂層的沖蝕過程存在明顯的潛伏期、加速期和穩(wěn)定期.

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