1.喷涂聚氨酯弹性涂层试样制备:

试验选用( 80±5) HA，( 95±5) HA 两种不同硬度的A，B 双组分聚氨酯抗磨蚀材料。基材选用与水轮机叶片相同材质的0Cr13Ni5Mo 钢材，尺寸大小为200mm×25mm 5块。挠性试片厚度小于3mm  长度至少350mm. NR-9500，NR-9600 底胶1.0 kg。

2.试样制备

喷涂聚氨酯弹性涂层的制备工艺流程为: 基材处理→喷砂→打底胶→喷涂聚氨酯。

1) 基材处理。用手持式SS150 电动打磨机对基材进行打磨清理，或者进行喷砂拉丝处理，除去表面的凸起及氧化物。

3) 打底胶。采用NR-9500 与NR-9600 双组分底胶一起配合使用，第1 次刷NR-9600 并固化7 h 后，再刷NR-9500 底胶。打胶的目的是为下道工序喷脂做准备，提高聚氨酯和母材结合力。

4) 喷涂聚氨酯。调节空压机参数，设定温度为21 ℃，供气压力为0.8MPa。喷枪与基材表面保持垂直，并时刻保持合适的喷涂距离和移动速度，遵循先难后易、先喷涂不规则面然后喷涂大面积表面的原则。喷涂的工艺参数见表2。

3 .涂层性能检测与分析

聚氨酯弹性体涂层主要是以低官能度的异氰酸酯和长链多元醇为原料，也可以在配方中加入少量短链的多元醇或多元胺扩链剂。原料的不同使材料组分聚合时交联密度不同，导致材料的硬度、粘结力以及耐磨性等有着明显的差别。( 80±5) HA，( 95±5) HA 两种不同交联密度聚氨酯弹性体的组分对比见表3。

3． 1 表面粗糙度

通过与表面粗糙度标准样板对比，( 80 ±5) HA，( 95±5) HA 两种不同硬度聚氨酯弹性涂层的表面粗糙度均达到3.2 μm 以下。这是因为采用了PU 喷涂技术，A，B 组分在高压下雾化，喷涂到基材上时每层的厚度为50 ～ 60 μm，均匀、致密、无挂流现象。聚氨酯弹性涂层表面的低粗糙度，可以抑制材料表面因为凹凸不平而引起的水流漩涡，从而减少了气蚀核的形成，减缓气蚀对材料的破坏。

3． 2 粘结力

采用PosiTest AT 拉脱法附着力测试仪，分别对( 80±5) HA，( 95±5) HA 两种不同硬度的聚氨酯试样，选取5 个测试进行粘结力测试，测得结果见表4。

( 95±5) HA 型聚氨酯的高13%。这是因为( 95±5)HA 型聚氨酯A，B 组分的高交联耦合，促使其固化反应过快，导致液体物料不能有效地润湿和渗透基材表面，降低了涂层与基材间的粘结力。因此，聚氨酯弹性体2 个组分的官能度都控制在较低的范围内，一般不超过2．4。此时聚氨酯弹性涂层与水轮机叶片( 材质为0Cr13Ni5Mo) 间的物理结合力最高可以达到12.6 MPa，能够满足高泥沙河域水利水电工程的应用要求，而不至于在高水头含沙水的巨大冲击力与设备高速旋转巨大的离心力作用下，致使涂层从基材上撕裂剥落。

3.3 抗磨蚀性

采用Taber5750 耐磨试验机( 1000 r /min、温度23℃) 测得( 80±5) HA，( 95 ±5) HA 两种不同硬度聚氨酯弹性涂层的磨耗值与时间的关系，如图3 所示。

由图3 可以看到，( 95±5) HA 型聚氨酯弹性涂层的Taber 磨耗值经历一个由高到低过程。前10 min的磨耗值为7 ～ 9 mg /min，而后磨耗值减小至2 ～ 3mg /min，并保持稳定值，表现出很好的耐磨性。这是因为聚氨酯弹性涂层具有独特的软、硬段相分离结构。其中硬段相在常温下处于玻璃态，具有高硬度、高模量的特征; 软段相在常温下处于橡胶态，具有良好的弹性与韧性。

当固体颗粒冲刷软、硬相嵌段的聚氨酯弹性体时，固体颗粒平行于材料表面的切向力犹如刀具对材料表面的切削，弹性良好的软段链对颗粒这种切削作用的抗力较小。在这种微切削的作用力下，聚合物中软段与硬段间的氢键及次价键首先被破坏，降低了聚氨酯软、硬链段的物理交联度。随后颗粒的微切削力集中在分子主链上，使软段与硬段间共价键键能最小、键长最长的C—N 化学键断裂，引起宏观上分子链的断裂，造成部分断裂的柔性段脱离基体，因此前10 min，( 95±5) HA 型聚氨酯弹性涂层的磨耗值比较高，达到7 ～ 9 mg /min。而后，聚氨酯弹性涂层表层部分柔性软链段被剥离脱落: 一方面，玻璃态硬段突出于涂层表面承受磨粒的切削作用力。由于硬段相内在的分子间团聚力较强，它们在软段基质中起到物理交联点和增强填料的作用，其高模量和高抗张强度，可以引起链间位阻，阻止了磨损向深处的进一步扩展，提高了材料的抗磨蚀性。另一方面，硬段将一部分来自固体颗粒的冲击功传递给橡胶态的软段链，通过软段链的运动可以缓冲一部分冲击功，从而使( 95±5) HA 型聚氨酯弹性涂层的磨耗值维持较低范围内2～ 3 mg /min，具备良好的抗磨蚀性。

相对于( 95±5) HA 型聚氨酯弹性涂层，( 80 ±5)HA 型聚氨酯弹性涂层的磨耗值没有明显的转折，保持在4 ～6 mg /min，磨损相对较为严重。这是因为( 80±5) HA 型聚氨酯组分的官能度较低，导致聚氨酯弹性体的自身交联作用力较弱。当聚氨酯弹性涂层表层部分柔性软链段被外界冲击力剥离的同时，粘连部分硬段也从聚氨酯涂层表面剥落，造成玻璃态的硬段在涂层表面的分布缩减，不足以长时间承受外界的冲击力作用。随后聚氨酯涂层表面的硬段磨蚀殆尽，进入下一轮涂层表层部分柔性软链段的剥离脱落，周而复始。因此官能度较的( 80 ±5) HA 型聚氨酯的磨耗值偏高，聚氨酯弹性体组分的官能度控制在2.4 ～ 3.1范围内。

4 结论

1) 叶片的气蚀磨损与材料的表面粗糙度有着密切联系。聚氨酯弹性体表面的粗糙度达到3．2 μm 以下，可以抑制材料表面水流漩涡的形成，从而减少了气蚀核的形成，减缓了气蚀对材料的破坏。

2) 当聚氨酯组分的官能度选择在2. 0 ～ 2.4 范围内，聚氨酯弹性涂层与水轮机叶片( 材质为0Cr13Ni5Mo) 间的物理结合力最高可以达到12. 6MPa，避免涂层在巨大冲击力下从基材上撕裂剥落。

3) 当聚氨酯组分的官能度控制在2.4 ～ 3.1 的范围内，聚氨酯弹性涂层的软、硬相嵌段结构赋予材料良好的弹性与抗磨蚀性。硬段承受磨粒的切削力、软段缓冲外界冲击功，两者协同作用使涂层的磨耗值保持在较低范围内2 ～ 3 mg /1000 r。

4) 兼顾聚氨酯弹性体的粘结力和抗磨蚀性，当聚氨酯组分的官能度选择为两者的交集2.4 时，聚氨酯弹性涂层具有优异的综合力学性能。