1. 概述
铁路客车的转向架是铁道车辆中的最关键部件，担负着支撑车体、运行、转向等功能，它决定着客车的运行品质和行车安全。目前转向架构架主要使用P355-NL1钢，并且在转向架构架的设计中，一部分构架内腔储存压缩空气，用以驱动空气弹簧。为了延长转向架构架内腔的使用寿命，需在其内表面做表面涂层防护处理。
P355-NL1是一种屈服强度为355 MPa级车用耐候钢，强度高，韧性好，冷作成型性能很好，主要用于车辆的大梁、横梁、结构件等。P355-NL1碳当量比较低，碳当量在0.2左右，焊接性比较优良。主要由铁素体和珠光体组织组成，铁素体和珠光体呈带状结构。
2. 热喷涂工艺方法
电弧喷涂特点是结合强度和喷涂效率高。电弧喷涂的结合强度可以达到10 MPa以上，当喷涂电流为200 A时，每小时可喷涂30 Kg，喷铝或不锈钢也可喷涂20 Kg。电弧喷涂的能源利用率可达57%，喷铝或不锈钢时每公斤耗电只有0.4度。而氧乙炔火焰喷涂的能源利用率为13%，等离子喷涂为12%。同时，电弧喷涂采用电和压缩空气，相比采用乙炔等易燃气体，安全性更高。采用电弧喷涂技术对P355-NL1进行涂层附着，是一种可行的工艺方法。
电弧喷涂示意见图1。当两根金属丝端部相互接触时产生短路而形成电弧，金属丝端部瞬间熔化，此时利用压缩空气把熔化的金属雾化形成金属微熔滴，高速喷射到工件表面上，产生金属涂层 [1] 。
Figure 1. Schematic diagram of electric-arc spraying
图1. 电弧喷涂示意图
3. 涂层材料选型
正确选择P355-NL1钢材防腐蚀涂层材料是确保长周期使用的关键。选择涂层材料时，既要考虑工件工况条件和涂层需具备的性能，还要考虑涂层材料与P355-NL1钢材基体材料的相容性，以及材料的经济性。
铝涂层既可起到抑制腐蚀作用，也可以作为牺牲阳极对钢材基体起到电化学保护作用。铝与氧的亲和力大，能与空气中的氧反应，在表面快速生成一层(0.01~0.1) μm的具有自愈合能力的致密钝化膜。铝喷涂层广泛应用于防大气腐蚀，弱酸性介质环境(PH = 4~7)中。基于此，针对P355-NL1钢材进行电弧喷涂，采用铝元素作为涂层材料是可行的 [1] [2] 。
4. 涂层厚度
铝涂层的厚度与防腐蚀寿命大致成比例关系，GB/T9793-2012对不同使用环境推荐的最小涂层厚度具有规定，具体见表1。
Table 1. Minimum recommended coating thickness for different applications (mm)
表1. 不同使用环境下推荐的最小涂层厚度(mm)
综上所述，并结合转向架实际运用场景，转向架构架内腔热喷涂的Al层厚度可定义为(160~200) μm。
5. 电弧喷涂工艺流程
5.1. 喷砂
表面预处理的主要目的是将待喷涂表面除油、去污、除锈以及表面粗糙化等。喷砂可以去除待喷涂表面的油污、锈蚀、氧化层等，还可以使待喷涂表面粗糙化。
本研究喷砂采用(0.8~1.2) mm合金钢砂，压缩空气压力为(0.6~0.7) MPa，喷枪枪口直径φ8 mm，喷嘴到基体钢材表面距离(150~200) mm，喷射方向与基体钢材表面法线夹角以15˚~30˚，喷涂时间约(0.5~1) min。喷砂后钢材表面粗糙度达到Ra (6.3~12.5) μm，清洁度符合ISO 8501-1标准中的Sa2 1/2等级。
5.2. 电弧喷涂铝
喷涂使用直径2 mm的L1纯铝焊丝，纯度99.5% (标准GB/T12608-2003电弧喷涂用线材)。设备采用LSARC400电弧融射机，额定功率18.8 KVA，空载电压(21~45) V，负载率60%。喷涂电流150 A，喷涂电压30 V，雾化空气压力0.6 MPa，喷涂距离150 mm，喷涂时间30 s，喷涂角度(65~80)˚ [3] 。表面铝喷涂层厚度为(160~200) μm。图2为喷涂铝后的试样。热喷涂铝涂层表面均匀，没有起皮、鼓泡、大融滴、裂纹、掉块以及影响涂层使用的缺陷。
Figure 2. Morphology of coating sample after spraying
图2. 喷涂后的涂层试样形貌
5.3. 热处理
喷涂后的试样经过10小时的热扩散处理(600℃高温退火处理)，处理后试样表面目测发现试样外观仍保留铝镀层原色，只是色泽上呈中灰色。图3为氧化和未氧化试样的宏观形貌。
热处理前热处理后
Figure 3. Specimen after spraying aluminum
图3. 喷涂铝后的试样
6. 热喷涂铝涂层性能测试与分析
6.1. 结合强度测试
按照GB 9796-88 5.2拉力试验法进行定量测试，试样采用直径40 mm的圆柱体。试样与万向接头相连进行拉伸试验。使用Instron 3367电子万能试验机，以及根据标准要求自制的试验夹具。试验试样的典型荷载位移曲线见图4和图5。测试结果如表2所示。
Table2. Coating bond strength test results
表2. 涂层结合强度测试结果
Figure4. Pattern 1 load deformation curve
图4. 式样1载荷变形曲线
Figure 5. Pattern 2 load deformation curve
图5. 试样2载荷变形曲线
结果显示，3次测试结果均达到标准要求，平均强度为13.37 MPa，最小的强度大于13 MPa。同时进行了热喷涂铝涂层附着力划格试验，试样尺寸500 mm × 5 mm，试样厚度8 mm，涂层厚度187 μm，划格尺寸25 mm × 25 mm，划痕间距5 mm，测试结果试样涂层未产生剥离。
6.2. 弯曲测试
采用弯曲试验法，即试样喷涂后，用弯曲试验检测涂层开裂情况。试验设备采用Instron 3367电子万能试验机，根据使用要求自制的弯曲试验夹具，见图6。测试试样分为两种，其一为试样尺寸500 mm × 5 mm，试样厚度4 mm，涂层厚度150 μm，共3件，测试结果见表3~表5，测试曲线和涂层开裂状态见图7~图12。
Table 3. Specimen 1 bending test results
表3. 试样1弯曲测试结果
Figure7. Specimen 1 load-displacement curve of bending test
图7. 试样1弯曲试验荷载位移曲线
Figure 8. Bending specimen 1 cracking state
图8. 弯曲试样1开裂状态
Table 4. Test result of sample 2 bending
表4. 试样2弯曲测试结果
Figure 9. Specimen 2 load-displacement curve of bending test
图9. 试样2弯曲试验荷载位移曲线
Table 5. Test result of sample 3 bending
表5. 试样3弯曲测试结果
Figure 11. Specimen 3 load-displacement curve of bending test
图11. 试样3弯曲试验荷载位移曲线
测试结果显示弯曲70˚时试样热喷涂铝涂层未发生开裂和脱落；弯曲80˚时试样涂层发生开裂，但未脱落。
6.3. 涂层耐腐蚀性能
在盐雾试验箱内人造气氛中进行盐雾试验。试验条件为盐水浓度NaCl (50 ± 5) g/L，盐雾箱内温度为(35 ± 2)℃，雾嘴不直接将试验液喷向试样，喷雾室顶部聚集的溶液不直接滴落在试样上 [4] 。对于本实验中的T型试样(一侧热喷涂铝，一侧无喷涂铝)，要使每个测试表面能同时接受盐水的喷雾，盐雾试验的时间分别为72 h和500 h。盐雾试验完成后，将被测试件从盐雾箱中取出，为了减少腐蚀产物脱落，试样在清洗前应先在室内空气中自然干燥0.5 h；然后用温度不超过35℃的干净流动水小心清洗被测试样，以去除试样表面残留的盐雾溶液，接着可用风机吹干。
通过分析发现未涂层试样侧盐雾试验500 h和72 h后，表面发生明显的腐蚀，而电弧喷涂铝层侧未见腐蚀现象(图13和图14)，表明铝涂层具有较强的抗盐雾腐蚀性能。
热喷涂铝 无喷涂Figure13. Comparison of morphology of 72-hour salt spray test samples图13. 72 h盐雾试验试样形貌对比
热喷涂铝 无喷涂
Figure 14. Comparison of morphology of 500-hour salt spray test samples
图14. 500 h盐雾试验试样形貌对比
7. 结论
对电弧喷涂的铝涂层进行了结合强度和耐腐蚀试验研究，主要结论如下：
1) 涂层的平均强度为13.37 MPa，最小的强度大于13 MPa，该电弧喷涂铝涂层结合强度可以达到国家标准的技术要求。同时进行了热喷涂铝涂层附着力(划格试验)，测试结果试样涂层未产生剥离。涂层现场实用结合强度检验(弯曲试验)，所有试样经过600弯曲试样涂层均未开裂，涂层具有较好的结合性能。
2) 未涂层试样侧盐雾试验500 h和72 h后，表面发生明显的腐蚀，而电弧喷涂铝层侧未见腐蚀现象，表明铝涂层具有较强的抗盐雾腐蚀性能。