HAO Y h, LIU Y l, XING Y m, et al. Erosion Wear Surface Morphology and Roughness of Steel Structure Galvanized Coating. China Surface Engineering, 2017, 30(1): 56-62.
2. 内蒙古工业大学 内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室, 呼和浩特 010051;
3. 内蒙古工业大学 理学院, 呼和浩特 010051
2. The Inner Mongolia Key Laboratory of Civil Engineering Structure and Mechanics, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051;
3. School of Science, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051
我国西北地区分布着广泛的沙漠，沙漠及周边地区分布着众多通信塔、输电铁塔和铁路电车输电塔等镀锌钢结构体系，由于长期遭受风沙的侵蚀作用，这些钢结构涂层受风沙冲蚀磨损破坏严重，使得其容易锈蚀，导致构件承载力下降，安全性和耐久性降低。基于以上固体粒子冲蚀磨损问题，国内外学者对其进行了大量的研究。目前，国外关于固体颗粒对材料的冲蚀磨损研究主要集中在金属材料、管道、工程塑料、钢结构涂层、混凝土和玻璃等方面，主要研究了不同试验工况下不同材料的冲蚀磨损对比，冲蚀形貌分析和固体颗粒对材料的冲蚀模拟研究[1-3]，关于材料受单颗粒子冲击研究也较多[4-6]。而国内关于工程材料受单颗粒子冲击研究主要集中在玻璃、陶瓷和混凝土方面[7-9], 关于风沙环境对工程材料的冲蚀磨损研究主要集中在混凝土和钢结构油漆涂层方面，研究在试验方法、冲蚀磨损机理、评价指标和材料的抗冲蚀磨损措施等方面取得了一些进展[10-13]，而对于工程中常用的镀锌涂层受风沙气固两相流的冲蚀磨损损伤形貌和粗糙度研究很少。
采用气流挟沙喷射法，通过模拟风沙环境侵蚀实验系统，SEM和LSCM研究了钢结构表面镀锌涂层在不同风沙环境下的冲蚀率与冲蚀角度关系，冲蚀磨损损伤行为，冲蚀磨损形貌和表面粗糙度，研究成果可为我国西北地区风沙环境下钢结构镀锌涂层的耐久性评价及防护提供依据。
1 试验 1.1 试样参数基体材料选用Q235普通低碳钢薄钢板，其化学成分为：0.15% C、0.5% Mn、0.045% P、0.2% Si 、0.01% S、0.13% Cr和0.17% Ni，其余为Fe，基体尺寸80 mm×80 mm×3 mm。按《金属覆盖层 钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》(GB/T13912—2002)要求，采用热浸镀锌方法制备镀锌涂层，镀锌层厚度150 μm，锌液各元素的质量分数为：0.44% Pb、0.02% Cd、0.07% Fe、0.1% Mg、4% Al和Zn。利用纳米压痕仪对镀锌涂层进行纳米压痕试验，随机选取3个试样，每个试样选取10个点进行测量，结果取平均值，得到涂层的弹性模量E和硬度H分别为90.9 GPa和0.88 GPa。
1.2 冲蚀试验装置试验采用气流挟沙喷射法模拟风沙环境下钢结构镀锌涂层的冲蚀磨损，该试验方法可真实有效地模拟实际风沙环境特征，而且试验参数易于控制，试验周期短，是一种比较理想的试验模拟方法。利用SEM和LSCM观测钢结构镀锌涂层的冲蚀磨损表面形貌，对其冲蚀磨损微观SEM形貌和冲蚀磨损LSCM三维形貌进行分析，LSCM(OLS4100)可以精确地测量一直以来无法测量的有尖锐角的样品，有利于粗糙度的测量。风沙气固两相流冲蚀试验装置如图1所示。
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| 图 1 气固两相流冲蚀试验装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of the gas-solid two-phase erosion device |
对我国西北地区巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和库布其沙漠现场沙粒采样的筛分分析，得到粒径分布如图2所示。粒径小于0.05 mm的颗粒不足10%，而大于0.25 mm的颗粒不足3%，分布在0.05~0.25 mm高达87%以上，沙粒级配不良。沙粒子的SEM形貌如图3所示，多数粒子形状带有棱角，仅有少数粒子呈圆形或椭圆型。
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| 图 2 库布其沙漠沙粒粒径分布 Figure 2 Sand particle size distribution of Hobq desert |
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| 图 3 库布其沙漠沙粒SEM形貌 Figure 3 SEM morphology of sand particles from Hobq desert |
图4所示是在冲蚀速度35 m/s，沙流量90 g/min，冲蚀时间10 min条件下冲蚀率随冲蚀角度的变化关系。由图可知，随着冲蚀角度的增加，冲蚀率呈先增大后减小趋势，在37°左右时达到最大，这个试验结果和其他研究者对金属材料的研究结果一致。在低冲蚀角15°时冲蚀率较低，这是由于沙粒与试件的有效接触面积较小[14]。当冲蚀角度增加，镀锌涂层冲蚀率增加主要是由于冲击粒子的切削作用，在37°左右冲蚀率达到最大，这时几乎所有粒子都能冲击到试件表面，而且入射粒子和回弹粒子相互作用不是那么明显[15]。另外，由于涂层材料的特性，导致材料容易去除的滑移面和水平方向的角度大约在37°左右。当冲蚀角度继续增大时，切削作用减轻，垂直方向的冲击作用加强，入射粒子和回弹粒子的碰撞显著，严重减小接触粒子的动能，这种干涉行为作为一个屏障，去阻止入射粒子以减少粒子对试件表面的冲击影响，最终导致冲蚀率的下降。
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| 图 4 冲蚀率与冲蚀角度的关系 Figure 4 Relationships between the erosion rate and erosion angle |
当粒子冲击镀锌涂层时，涂层表面受粒子正应力和切应力相互作用。在切应力的作用下，涂层表面很容易形成水平切削划痕和犁沟。冲蚀过程中高速粒子对涂层表面的冲击是间断的，涂层表面每受到一次冲击，便承受一次加载与卸载，因此涂层表面承受的载荷为压-压脉动载荷，在该载荷作用下产生的法向正应力，迫使涂层表面产生冲蚀坑。涂层表面冲蚀坑是在粒子的高速冲击下表面出现了非均匀循环塑性变形和材料的挤压变形剥落形成的[16]。
图5(a)是镀锌涂层在冲蚀磨损试验前的SEM形貌，由图可知涂层表面有较少的制作缺陷和原始表面网状裂纹。图5(b)(c)(d)是镀锌涂层在冲蚀速度31 m/s，沙流量90 g/min，冲蚀角度15°、45°和90°，冲蚀时间10 min时的冲蚀磨损SEM形貌。钢结构涂层在风沙环境下的冲蚀磨损损伤行为由风沙流的冲击角度决定。图6是涂层在不同冲击角度下的损伤行为，斜角冲击时，材料的冲蚀磨损去除机理主要有两类：一类是切削划痕过程，另一类是犁沟和挤出唇过程。在典型的切削过程中，材料在磨粒(见图3)尖端的微切削作用下，大部分被一次去除而形成磨屑，磨痕的大小与磨屑的大小在尺寸上几乎相当。在典型的犁沟和挤出唇过程中，多次冲击变形后形成磨屑，堆积在犁沟出口端。在垂直试件表面冲击时，材料的破坏以挤压变形为主，磨屑材料主要堆积在冲蚀坑四周。
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| 图 5 不同冲蚀角度下镀锌涂层冲蚀磨损SEM形貌 Figure 5 SEM morphologies of the galvanized coating worn at different erosion angle |
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| 图 6 不同冲蚀角度下镀锌涂层材料的冲蚀磨损破坏行为 Figure 6 Erosion damage behavior of galvanized coating at different erosion angle |
在冲蚀角度15°时，由于粒子冲击的水平分力较大，涂层表面出现了水平切削划痕和较浅的犁沟，磨屑材料主要堆积在切削划痕的两侧和犁沟的出口端形成挤出唇。在冲蚀角度45°时，切削作用明显减轻，切削划痕较短，犁沟较深，同时伴有冲蚀坑形成，涂层材料主要堆积在犁沟的出口端和冲蚀坑周围形成挤出唇。在冲蚀角度90°时，此时材料表面不存在切削作用，垂直方向的作用力达到最大，局部应力集中比较明显，靶材表面主要受正向的冲击作用，材料从冲蚀坑的四周被挤出，破坏以挤压变形剥落为主。以试件表面网状裂纹为策源地，涂层在正应力和切应力的作用下，裂纹沿着涂层中粒子晶界和层状结构界面进行萌生、扩展，最终导致冲蚀破坏。通过以上分析可以得出，风沙流对镀锌涂层的冲蚀磨损过程同时存在类似表面划伤作用和挤压变形剥落作用。
2.3 风沙流作用下涂层冲蚀磨损LSCM三维形貌利用激光共聚焦显微镜测得镀锌涂层材料在相同的冲蚀角度90°，沙流量150 g/min，冲蚀时间10 min条件下，冲蚀速度分别为27 m/s和35 m/s时的冲蚀LSCM三维形貌如图7(a)(b)所示。由冲蚀形貌可以看出，粒子的运动轨迹使得冲蚀轮廓近似呈圆形，它的剖面轮廓大致呈抛物线形(见图8(a))，和液固两相流冲蚀磨损不同，在气固两相流冲蚀试件表面时，由于静背压，气固两相流中气体的方向被改变，但是，沙粒子流保持初始的运动方向冲击试件表面，在试件表面形成了抛物线形的冲蚀形貌[17]。冲蚀坑深度随速度增大而增加，高速运动粒子的动能导致更多的材料去除，如表1。
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| 图 7 不同冲蚀速度和冲蚀角度下的冲蚀行貌 Figure 7 Erosion topographies under different erosion velocity and erosion angle |
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| 图 8 不同冲蚀速度和角度下的冲蚀轮廓 Figure 8 Erosion profiles with different erosion velocity and angle |
| Erosion parameters | Surface characteristic parameters (after erosion) | ||||||
| Angle | Velocity / (m·s-1) | Depth / μm | Area / (108 μm2) | Superficial area / (108 μm2) | Volume / (1010 μm3) | Surface area ratio | |
| 45° | 35 | 89.180 | 5.86 | 8.05 | 2.37 | 1.374 | |
| 90° | 35 | 101.727 | 4.98 | 6.60 | 2.02 | 1.326 | |
| 90° | 27 | 64.009 | 4.42 | 6.42 | 1.40 | 1.453 | |
在相同的冲蚀速度35 m/s，沙流量150 g/min，冲蚀时间10 min条件下，冲蚀角度分别为90°和45°时的冲蚀三维形貌如图7(b)(c)所示。由于斜角冲蚀，冲蚀粒子沿着和入射方向同一平面的方向反弹出去[15,18]，导致在冲蚀角度45°时冲蚀坑形貌呈椭圆形。当垂直冲蚀时，冲蚀粒子沿着冲蚀区域四周均匀扩散，冲蚀坑形貌近似呈圆形，且90°的冲蚀坑深度大于45°的冲蚀坑深度，但材料在45°时的损伤程度大于90°时的损伤程度，这是由于在低角度较大切应力作用下涂层材料发生了更大的破坏。对应的二维轮廓形貌如图8(b)所示。
3 镀锌涂层受风沙冲蚀磨损粗糙度分析粗糙度是数字化描述磨损表面形貌特征常用的参数，常用的评定参数有表面平均粗糙度Sa、均方根Sq、表面斜度Ssk和表面峭度Sku[19-20]。
式中a表示被测区域计算面积，Z(x,y)是在测量面积上的高度函数。
在不同冲蚀速度和冲蚀角度下Sa、Sq、Ssk、Sku(表2)和对应的线粗糙度、冲蚀轮廓通过使用激光共聚焦显微镜被测量出来用于分析涂层的冲蚀损伤破坏。
由表2可知，在相同的冲蚀速度下，45°时Sa和Sq大于90°时的，这是由于在90°时粒子在涂层表面形成的尖峰和山谷分布较均匀，导致Sa和Sq减小。在冲蚀角45°时Ssk＞0，则表示涂层表面上有尖峰，表明在45°时尖峰的密度大于山谷的密度。在90°时Ssk＜0，则是表示有孔洞的支撑曲面，表明在90°时山谷的形成多于尖峰，由此可知在90°时相比于最大尖峰高度Sp，最大山谷深度Sv增加了。
| Erosion parameters | Surface roughness parameters (after erosion) | |||||
| Erosion angle | Erosion velocity / (m·s-1) | Sa / μm | Sq / μm | Ssk | Sku | |
| 45° | 35 | 2.079 | 2.843 | 0.641 | 33.431 | |
| 90° | 35 | 1.086 | 1.555 | -1.122 | 61.868 | |
| 90° | 27 | 0.149 | 0.192 | 1.343 | 97.52 | |
随着冲蚀角度的增大，Sku增大，表明高度分布变窄。在相同的冲蚀角度下，随着冲蚀速度的增大，Sa和Sq均增大，Sku减小，表明高度分布变宽。相比于冲蚀角90°，45°时涂层受冲蚀表面粗糙度大，涂层表面受到水平方向的有效切应力越大，在冲蚀磨损的情况下切应力会导致涂层形成切削划痕、犁沟，磨屑材料堆积严重，导致Sa和Sq较大。经过初期冲蚀在试件表面形成凹凸不平的峰谷，试件表面粗糙度增大，使得冲蚀中后期粒子对凹凸不平的表面冲蚀磨损破坏严重，试件表面峰谷的形成和破坏导致冲蚀中后期冲蚀率的增加[21-22]。
在冲蚀速度35 m/s时，45°时平均线粗糙度Ra和均方根Rq分别为2.628 μm和3.499 μm，最大轮廓深度Rz(RP+ Rv)为23.503 μm。90°时Ra和Rq分别为1.338 μm和1.72 μm，Rz为10.598 μm。在冲蚀速度27 m/s，冲蚀角90°时，Ra和Rq分别为0.671 μm和0.821 μm，Rz为3.344 μm，这种趋势和涂层受冲蚀磨损表面粗糙度一致。不同试验参数下涂层线粗糙度如图 9所示。
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| 图 9 涂层受冲蚀后的局部线粗糙度 Figure 9 Part line roughness of the layers after erosion |
(1) 随着冲蚀角度的增加，镀锌涂层的冲蚀率呈现先增大后减小趋势。
(2) 涂层材料的冲蚀损伤更加依赖于冲蚀角度，风沙流对涂层材料的冲蚀磨损损伤行为同时存在类似表面划伤作用和挤压变形剥落作用。
(3) 冲蚀角45°时冲蚀试件表面时冲蚀损伤形貌呈椭圆形，当垂直(90°)冲蚀试件表面时，冲蚀损伤形貌近似呈圆形，在90°时的冲蚀坑深度大于45°时的冲蚀坑深度；冲蚀坑深度随着冲蚀速度的增大而增加。
(4) 在相同的冲蚀速度下，45°时表面粗糙度较90°时大，在相同的冲蚀角度下，速度越大粗糙度越大；在冲蚀中后期，粒子对凹凸不平的表面冲蚀磨损破坏严重，试件表面峰谷的形成和破坏导致冲蚀率的增加。
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