超音速火焰喷涂技术的研究与应用

吴光美

摘要：超声速火焰喷涂具有很好的耐磨性、高密性和高强特性，其相对较低的火焰温度和较高的粒子飞行速度对这两种因素有很好的抑制效果，适用于对航空航天有较高要求的航天领域，以及其他领域，因此，本文分析超音速火焰喷涂技术的研究与应用，以期将讲该技术应用于越来越多的领域。

关键词：超音速;火焰;喷涂技术

1引言

超音速火焰喷涂技术（HVOF）是将涂层材料（粉末或线材）熔化成一定的热源（电弧、燃烧火焰、等离子等），通过高速气流喷入基材表面形成涂层。HVOF涂层具有优良的耐磨性、耐蚀性、耐高温、隔热性能，能修补过大零件尺寸造成的磨损、腐蚀或加工，它在航空航天、機械制造、石油化工等行业中得到广泛应用。超音速火焰喷涂技术最早出现于20世纪初的瑞士，后来发展到前苏联、德国、日本、美国等国家。近几年出现了主动燃烧高速气体喷涂技术，这是一种介于传统的超音速火焰喷涂与冷喷涂之间的一种新型喷涂工艺，其特点是在高速空气加热下粉末经压缩空气和燃料燃烧，但未完全熔化，同时将粉末加速至700m/s以上，冲击基体，形成氧化含量极低、密度极高的A涂层，这种喷涂工艺对涂层热降解的影响很低，表现出优异的耐磨性和耐腐蚀性;另一个突出特点是生产效率高，喷涂速度是传统HVOF喷涂的5-10倍，沉积效率优于传统HVOF喷涂，大大降低了涂层成本，从而大大降低了涂层成本。

2超音速火焰喷涂技术发展概况

超音速火焰喷涂层的温度和流速是影响超音速火焰喷涂涂层性能的两个重要因素。自1950年代以来，联合碳化物爆炸喷涂技术在这两方面均取得了较好的效果，获得的涂层硬度高、密度大、结合强度好，但工作效率和环境较差。而其他的超音速火焰喷涂工艺则是喷枪涂层质量的目标。大约在1982年，勃朗宁开发出第一支被命名为jetkote的超音速火焰喷枪，并于1985年投入商业应用，经过多年的应用，其优点逐渐被人们所接受。从20世纪80年代末到90年代初，有好几支HVOF手枪被发射，90年代早期，他们利用燃烧气体冷却和其他水冷的方式，不需要热交换器来降低热损失;1991年Hobart，高压运转，氧气和航空煤油作为热源，辐射性粉末。两种HVOF装置的主要区别是：不同的燃烧空间、不同的燃烧室和管道;不同类型的热源、气体和燃料;不同的冷却方式，包括水冷却、风冷和混合冷却;以及轴向或径向输送粉末。这种差别决定了涂层的性能和成本。考虑到工业应用、成熟度和涂层优异性，dj2000系列和jp5000系列应该是HVOF的更高级代表，也是HVOF的第三代产品。JetKote是第一代产品，其余的是第二代产品。第一代和第二代产品有类似的火焰速度特性，例如，它们都是轴向粉末状，都在燃烧室的前面，所以他们制作的涂层性能相似，变化不大。第3代HVOF系统能以更快的速度和更低的温度传送微粒。微粒作用于基体表面时，会产生压应力，可以显著提高涂层的结合强度。HVOF系统广泛应用于航天领域，并即将投入生产，如压气机叶片、压气机静叶等。为了降低成本，美国现在采用了标准化的操作取代了前一次喷气。原油工业中，泵、阀及输送设备广泛使用，磨损和腐蚀是其失效的重要因素。在540℃、140MPa压力、灰浆条件下，用HVOF工艺对工件进行喷涂，可以大大提高工件的耐磨性和耐蚀性，从而提高工件的可靠性，延长工件的使用寿命。采用HVOF工艺可在输送辊上喷涂一层粉末涂料，该涂料能满足输送辊450℃以下的工作要求，具有良好的耐磨性和综合机械性能，大大延长了镀铬后的印刷辊在印刷领域中具有优异的性能。但镀铬过程中产生的有毒物质会对环境造成污染。近几年，该法逐渐被环保型HVOF工艺取代，随着HVOF的发展，其应用越来越广泛。所有非晶态材料均已应用，效果良好。提出了一种新的高压感应成形工艺来解决枪管结瘤问题。其设计原则是在微粒撞击基体之前软化而不熔化，用热熔粒子冲击基体形成涂层。本发明不仅解决了筒状结核的问题，而且大大降低了喷涂过程中颗粒氧化的可能性，是一种将自蔓延高温合成技术和HVOF喷涂技术相结合的新工艺。不同于传统超音速火焰喷涂工艺，该工艺以放热系统材料为喷涂材料，利用热源使喷涂材料发生SHS反应，在喷涂过程中完成材料的合成和沉积，从而得到传统方法难以制备的高熔点陶瓷涂层。我国对HVOF技术十分重视，但主要依靠进口。例如，中国有色金属研究院引进了金刚石喷油系统，鞍钢公司引进了topgun系统。1995年，西安交通大学焊接研究所对ch-2000HVOF系统进行了研究。在这方面，长安大学、沈阳工业大学、装甲兵工程学院、武汉材料保护研究所、北京钢铁工业总院钢铁所等也在此领域进行了大量的研究，并成功开发了具有自己特色的HVOF系统。

3超音速火焰喷涂原理

超音速火焰喷射是指燃烧气体（氧或空气）和可燃气体（或液体燃料）进入燃烧室，燃烧火焰在燃烧室中产生高压，通过喷嘴产生高速火焰流连接燃烧室出口，将喷涂材料送入高温高速射流加热加速，最后将涂层喷涂在预处理基材表面。液体燃料中经常使用乙炔、丙烷、丙烯、氢等易燃气体，而煤油、柴油、乙醇可以作为液体燃料。油滴与氧气通过进气口进入燃烧室，然后在燃烧室中稳定燃烧，形成气态混合气。显示器用来监测燃烧室压力，保证燃烧稳定。该燃烧室出口设计能使燃烧产物快速达到超音速状态，从而在喷管喉（喷管）下游形成超音速和低压区。喷粉在下游低压区呈径向喷射，喷出的粉末在气流中受热，加速作用于基体表面，形成一个致密、牢固的黏结层。各种HVOF喷涂系统虽然采用不同的喷枪结构、燃料类型和喷涂材料，但其设备组成基本一致，一般由喷枪、给粉、控制、喷枪冷却、供气系统组成。

4超音速火焰喷涂技术的应用

4.1航空工业

HVOF涂层的发展已经进入航空发动机行业，并且正部分替代等离子喷涂涂层，比如等离子喷涂718合金多年来一直用于喷气涡轮发动机部件的维修，但我对厚涂层施加了压力，因为涂层的高热量输入使其厚度仅为0.8mm。联合进行了诸如飞机发动机等HVOF工艺的研究，使718合金镀层达到1.5mm。采用等离子喷涂Cu-1ni-1ni涂层，使燃气轮机叶片根部和舵面具有不同的耐磨性，降低了沉积效率。Meteoperkin Elmer和general plasma开发了一项联合研究项目，利用HVOF喷涂Cu1ni纳米i可提高沉积效率、涂层性能和涂层可靠性，并与HVOF喷雾AI一起开发了一种PE涂层，为燃气轮机提供间隙控制，比等离子喷涂涂层成本更低，涂层耐磨性更高。1986，在用超声火焰识别WC涂层后，在飞机发动机部件上使用了钻地基t180和t1400涂层，美国最早开始研发HVOF喷涂规范，其中包括六种。另外，默克公司在航空工业上使用的HVOF部件包括减压叶片、轴承座。热喷是一种传统的热喷方法，它可以在磨损的轴头上喷涂金属或陶瓷，但由于加工难度大，可靠性差，所以不能使用氮化件。但是，很多喷气式发动机的零件都是氮化物，用HVOF喷涂修补连接处。

4.2冶金工业

钢铁业中，工程师和技术人员希望对磨损严重的钢铁加工设备部件使用“硬面”，用HVOF工艺将其喷涂到部件表面，以承受房屋周围环境。新工艺能有效地改善钢铁加工设备的磨损与啮合表面，除增加维修磨损部分的工作量外，越来越多的新型设备被设计以延长其使用寿命，并采用超声火焰喷涂工艺对不同加工设备的滚轮、限位、支架、滚轮、局部导向装置、滚筒、擦洗、牵引滚轮等进行喷涂。另外，风机的叶片、阀座、挡板、工作辊等也进行了喷涂，还在套筒张力辊上喷涂了WC。另外，铁矿石、陶瓷和木工用熔炉内安装的通风器也常常受到微粒的影响。当设备处于这种状态时，会对支架表面造成严重的损伤，用HVOF及WC-OC作套管或面板，可有效地解决这个问题，且经济实用。

4.3其他方面

HVOF工艺可用于制造具有降低固体颗粒腐蚀的涂料，固体颗粒的磨削引起的汽轮机固定件及旋转件的磨损，是水利和电力行业面临的一个重大问题，用来模拟水轮机工况，结果表明，HVOF涂层的固相磨损性能与高能等离子体涂层相当，有时甚至优于后者。

5结束语

虽然市场上有很多类型的HVOF系统，但是它们都存在共同的问题。为解决这一问题，并彻底消除热喷涂涂层中的氧化层，在1992年首次提出了一种新的热喷涂技术，其理论依据是，由于从高压燃烧室到大气环境的剧烈膨胀，喷流燃烧流的温度将大大降低，从而使喷雾粒子的超音速燃烧流比基材表面熔点低，但是只有当喷雾颗粒以很高的速度撞击基材表面时才会变软。热喷技术利用冲击热使颗粒熔化，形成涂层，使化学反应的可能性降到最低，同时又解决了HVOF喷桶堵塞的问题。超声速火焰喷涂是一种极有发展前途的热喷涂技术，涂层质量优异。在西方发达国家已成功地应用HVOF，并在国内获得成功。现在很多HVOF设备都是从国外购买的。一九九五年西安交通大学研制成功的HVOF高压直流电源系统，标志着我国HVOF涂层的发展方向，其优良品质逐渐为人们所认识，并具有广阔的应用前景。

参考文獻

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