超音速火焰噴涂技術的研究與應用

吳光美

摘要：超聲速火焰噴涂具有很好的耐磨性、高密性和高強特性，其相對較低的火焰溫度和較高的粒子飛行速度對這兩種因素有很好的抑制效果，適用于對航空航天有較高要求的航天領域，以及其他領域，因此，本文分析超音速火焰噴涂技術的研究與應用，以期將講該技術應用于越來越多的領域。

關鍵詞：超音速;火焰;噴涂技術

1引言

超音速火焰噴涂技術（HVOF）是將涂層材料（粉末或線材）熔化成一定的熱源（電弧、燃燒火焰、等離子等），通過高速氣流噴入基材表面形成涂層。HVOF涂層具有優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性、耐高溫、隔熱性能，能修補過大零件尺寸造成的磨損、腐蝕或加工，它在航空航天、機械制造、石油化工等行業(yè)中得到廣泛應用。超音速火焰噴涂技術最早出現(xiàn)于20世紀初的瑞士，后來發(fā)展到前蘇聯(lián)、德國、日本、美國等國家。近幾年出現(xiàn)了主動燃燒高速氣體噴涂技術，這是一種介于傳統(tǒng)的超音速火焰噴涂與冷噴涂之間的一種新型噴涂工藝，其特點是在高速空氣加熱下粉末經(jīng)壓縮空氣和燃料燃燒，但未完全熔化，同時將粉末加速至700m/s以上，沖擊基體，形成氧化含量極低、密度極高的A涂層，這種噴涂工藝對涂層熱降解的影響很低，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性;另一個突出特點是生產(chǎn)效率高，噴涂速度是傳統(tǒng)HVOF噴涂的5-10倍，沉積效率優(yōu)于傳統(tǒng)HVOF噴涂，大大降低了涂層成本，從而大大降低了涂層成本。

2超音速火焰噴涂技術發(fā)展概況

超音速火焰噴涂層的溫度和流速是影響超音速火焰噴涂涂層性能的兩個重要因素。自1950年代以來，聯(lián)合碳化物爆炸噴涂技術在這兩方面均取得了較好的效果，獲得的涂層硬度高、密度大、結合強度好，但工作效率和環(huán)境較差。而其他的超音速火焰噴涂工藝則是噴槍涂層質(zhì)量的目標。大約在1982年，勃朗寧開發(fā)出第一支被命名為jetkote的超音速火焰噴槍，并于1985年投入商業(yè)應用，經(jīng)過多年的應用，其優(yōu)點逐漸被人們所接受。從20世紀80年代末到90年代初，有好幾支HVOF手槍被發(fā)射，90年代早期，他們利用燃燒氣體冷卻和其他水冷的方式，不需要熱交換器來降低熱損失;1991年Hobart，高壓運轉，氧氣和航空煤油作為熱源，輻射性粉末。兩種HVOF裝置的主要區(qū)別是：不同的燃燒空間、不同的燃燒室和管道;不同類型的熱源、氣體和燃料;不同的冷卻方式，包括水冷卻、風冷和混合冷卻;以及軸向或徑向輸送粉末。這種差別決定了涂層的性能和成本。考慮到工業(yè)應用、成熟度和涂層優(yōu)異性，dj2000系列和jp5000系列應該是HVOF的更高級代表，也是HVOF的第三代產(chǎn)品。JetKote是第一代產(chǎn)品，其余的是第二代產(chǎn)品。第一代和第二代產(chǎn)品有類似的火焰速度特性，例如，它們都是軸向粉末狀，都在燃燒室的前面，所以他們制作的涂層性能相似，變化不大。第3代HVOF系統(tǒng)能以更快的速度和更低的溫度傳送微粒。微粒作用于基體表面時，會產(chǎn)生壓應力，可以顯著提高涂層的結合強度。HVOF系統(tǒng)廣泛應用于航天領域，并即將投入生產(chǎn)，如壓氣機葉片、壓氣機靜葉等。為了降低成本，美國現(xiàn)在采用了標準化的操作取代了前一次噴氣。原油工業(yè)中，泵、閥及輸送設備廣泛使用，磨損和腐蝕是其失效的重要因素。在540℃、140MPa壓力、灰漿條件下，用HVOF工藝對工件進行噴涂，可以大大提高工件的耐磨性和耐蝕性，從而提高工件的可靠性，延長工件的使用壽命。采用HVOF工藝可在輸送輥上噴涂一層粉末涂料，該涂料能滿足輸送輥450℃以下的工作要求，具有良好的耐磨性和綜合機械性能，大大延長了鍍鉻后的印刷輥在印刷領域中具有優(yōu)異的性能。但鍍鉻過程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)會對環(huán)境造成污染。近幾年，該法逐漸被環(huán)保型HVOF工藝取代，隨著HVOF的發(fā)展，其應用越來越廣泛。所有非晶態(tài)材料均已應用，效果良好。提出了一種新的高壓感應成形工藝來解決槍管結瘤問題。其設計原則是在微粒撞擊基體之前軟化而不熔化，用熱熔粒子沖擊基體形成涂層。本發(fā)明不僅解決了筒狀結核的問題，而且大大降低了噴涂過程中顆粒氧化的可能性，是一種將自蔓延高溫合成技術和HVOF噴涂技術相結合的新工藝。不同于傳統(tǒng)超音速火焰噴涂工藝，該工藝以放熱系統(tǒng)材料為噴涂材料，利用熱源使噴涂材料發(fā)生SHS反應，在噴涂過程中完成材料的合成和沉積，從而得到傳統(tǒng)方法難以制備的高熔點陶瓷涂層。我國對HVOF技術十分重視，但主要依靠進口。例如，中國有色金屬研究院引進了金剛石噴油系統(tǒng)，鞍鋼公司引進了topgun系統(tǒng)。1995年，西安交通大學焊接研究所對ch-2000HVOF系統(tǒng)進行了研究。在這方面，長安大學、沈陽工業(yè)大學、裝甲兵工程學院、武漢材料保護研究所、北京鋼鐵工業(yè)總院鋼鐵所等也在此領域進行了大量的研究，并成功開發(fā)了具有自己特色的HVOF系統(tǒng)。

3超音速火焰噴涂原理

超音速火焰噴射是指燃燒氣體（氧或空氣）和可燃氣體（或液體燃料）進入燃燒室，燃燒火焰在燃燒室中產(chǎn)生高壓，通過噴嘴產(chǎn)生高速火焰流連接燃燒室出口，將噴涂材料送入高溫高速射流加熱加速，最后將涂層噴涂在預處理基材表面。液體燃料中經(jīng)常使用乙炔、丙烷、丙烯、氫等易燃氣體，而煤油、柴油、乙醇可以作為液體燃料。油滴與氧氣通過進氣口進入燃燒室，然后在燃燒室中穩(wěn)定燃燒，形成氣態(tài)混合氣。顯示器用來監(jiān)測燃燒室壓力，保證燃燒穩(wěn)定。該燃燒室出口設計能使燃燒產(chǎn)物快速達到超音速狀態(tài)，從而在噴管喉（噴管）下游形成超音速和低壓區(qū)。噴粉在下游低壓區(qū)呈徑向噴射，噴出的粉末在氣流中受熱，加速作用于基體表面，形成一個致密、牢固的黏結層。各種HVOF噴涂系統(tǒng)雖然采用不同的噴槍結構、燃料類型和噴涂材料，但其設備組成基本一致，一般由噴槍、給粉、控制、噴槍冷卻、供氣系統(tǒng)組成。

4超音速火焰噴涂技術的應用

4.1航空工業(yè)

HVOF涂層的發(fā)展已經(jīng)進入航空發(fā)動機行業(yè)，并且正部分替代等離子噴涂涂層，比如等離子噴涂718合金多年來一直用于噴氣渦輪發(fā)動機部件的維修，但我對厚涂層施加了壓力，因為涂層的高熱量輸入使其厚度僅為0.8mm。聯(lián)合進行了諸如飛機發(fā)動機等HVOF工藝的研究，使718合金鍍層達到1.5mm。采用等離子噴涂Cu-1ni-1ni涂層，使燃氣輪機葉片根部和舵面具有不同的耐磨性，降低了沉積效率。Meteoperkin Elmer和general plasma開發(fā)了一項聯(lián)合研究項目，利用HVOF噴涂Cu1ni納米i可提高沉積效率、涂層性能和涂層可靠性，并與HVOF噴霧AI一起開發(fā)了一種PE涂層，為燃氣輪機提供間隙控制，比等離子噴涂涂層成本更低，涂層耐磨性更高。1986，在用超聲火焰識別WC涂層后，在飛機發(fā)動機部件上使用了鉆地基t180和t1400涂層，美國最早開始研發(fā)HVOF噴涂規(guī)范，其中包括六種。另外，默克公司在航空工業(yè)上使用的HVOF部件包括減壓葉片、軸承座。熱噴是一種傳統(tǒng)的熱噴方法，它可以在磨損的軸頭上噴涂金屬或陶瓷，但由于加工難度大，可靠性差，所以不能使用氮化件。但是，很多噴氣式發(fā)動機的零件都是氮化物，用HVOF噴涂修補連接處。

4.2冶金工業(yè)

鋼鐵業(yè)中，工程師和技術人員希望對磨損嚴重的鋼鐵加工設備部件使用“硬面”，用HVOF工藝將其噴涂到部件表面，以承受房屋周圍環(huán)境。新工藝能有效地改善鋼鐵加工設備的磨損與嚙合表面，除增加維修磨損部分的工作量外，越來越多的新型設備被設計以延長其使用壽命，并采用超聲火焰噴涂工藝對不同加工設備的滾輪、限位、支架、滾輪、局部導向裝置、滾筒、擦洗、牽引滾輪等進行噴涂。另外，風機的葉片、閥座、擋板、工作輥等也進行了噴涂，還在套筒張力輥上噴涂了WC。另外，鐵礦石、陶瓷和木工用熔爐內(nèi)安裝的通風器也常常受到微粒的影響。當設備處于這種狀態(tài)時，會對支架表面造成嚴重的損傷，用HVOF及WC-OC作套管或面板，可有效地解決這個問題，且經(jīng)濟實用。

4.3其他方面

HVOF工藝可用于制造具有降低固體顆粒腐蝕的涂料，固體顆粒的磨削引起的汽輪機固定件及旋轉件的磨損，是水利和電力行業(yè)面臨的一個重大問題，用來模擬水輪機工況，結果表明，HVOF涂層的固相磨損性能與高能等離子體涂層相當，有時甚至優(yōu)于后者。

5結束語

雖然市場上有很多類型的HVOF系統(tǒng)，但是它們都存在共同的問題。為解決這一問題，并徹底消除熱噴涂涂層中的氧化層，在1992年首次提出了一種新的熱噴涂技術，其理論依據(jù)是，由于從高壓燃燒室到大氣環(huán)境的劇烈膨脹，噴流燃燒流的溫度將大大降低，從而使噴霧粒子的超音速燃燒流比基材表面熔點低，但是只有當噴霧顆粒以很高的速度撞擊基材表面時才會變軟。熱噴技術利用沖擊熱使顆粒熔化，形成涂層，使化學反應的可能性降到最低，同時又解決了HVOF噴桶堵塞的問題。超聲速火焰噴涂是一種極有發(fā)展前途的熱噴涂技術，涂層質(zhì)量優(yōu)異。在西方發(fā)達國家已成功地應用HVOF，并在國內(nèi)獲得成功?，F(xiàn)在很多HVOF設備都是從國外購買的。一九九五年西安交通大學研制成功的HVOF高壓直流電源系統(tǒng)，標志著我國HVOF涂層的發(fā)展方向，其優(yōu)良品質(zhì)逐漸為人們所認識，并具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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