超音速火焰喷涂技术的认识和发展应用
科研圈的那些事2018-05-22 17:13
超音速火焰喷涂也称为高速氧燃料喷涂（HVOF，HighVelocityOxy-fuel），是在20世纪80年代初在普通火焰喷涂和爆炸喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术，发挥了传统的火焰喷涂在提供动能方面具有潜在优势而发展起来的一种高能高速喷涂方法。
超音速火焰喷涂的热源是利用可燃性气体（如H2、C3H3或C3H6等）与高压O2，或利用煤油与酒精等液体燃料与高压O2在特制的燃烧室内混合并点燃，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速火焰流，剧烈膨胀的气体受水冷喷嘴的约束形成超音速高温火焰流，其燃烧焰流速度可达1500--2000m/s以上。在典型的超音速火焰中，可以观察到马赫锥的存在。粉末由氮气经粉末送入口送到燃烧室中心的粉末通道，将粉末轴向或侧向送进火焰流中，经火焰流加速可以达到超音速，即可以实现粉末粒子的加热与加速、涂层的沉积。由于火焰流的速度极高，喷涂粒子在被加热至熔化或半熔化状态的同时，可以被加速到高达300-- 650m/s，从而获得结合强度高、致密的高质量涂层。
在HVOF技术中，喷枪是产生稳定的高速火焰的必要保证，是保证涂层质量的关键。HVOF喷枪主要由三部分组成：供空气与燃料混合后燃烧的燃烧室，将焰流加速到超音速的Laval喷嘴和使喷涂材料粒子得到充分加热、加速的等截面长喷管。 超音速火焰由于受燃烧焰流温度的限制，与等离子热源相比，温度低（约3000℃）而速度高，对于 WC-Co系硬质合金，可以有效地抑制在喷涂过程中WC的分解，涂层不仅结合强度高、致密，而且可以最大限度地保留粉末中的硬质耐磨WC相，因此，涂层耐磨损性能优越，与爆炸喷涂层相当，大幅度超过等离子喷涂层，也优于电镀硬铬层与喷焊层，目前已获得了广泛的应用。
世界上第一台超音速火焰喷涂系统是由美国 Browning公司于1982年研制成功。经过多年的不断研发与应用，其特有的技术优点逐渐被认识和接受。因此，很多发达国家都在HVOF的研究和开发领域投入了大量的人力物力。在上世纪80年代末90年代初，先后又有多种HVOF喷涂系统研制成功，并顺利投入市场。如金刚石射流（Diamond-Jet）、 冲锋枪（Top-Gun）、连续爆炸喷涂（CDS，Continuous DetonationSpraying）、射流枪（J-Gun）、高速空气燃料系统（HVAF，HighvelocityAir-Fuel）等，这些系统各有特点。涂层的质量在很大程度上取决于喷涂方法，但也会受到具体喷涂系统的影响。随着HVOF的开发与应用，各种喷涂系统也均相应地进行了不断改进与完善，为此，取代原型的新型 HVOF喷涂系统不断涌现，如J-K的改进型Jet-KoteⅡ，Top-Gun的派生型HV-2000型，分别由DJ与J-gun派生的DJ-2600，DJ-2700与JP-5000型。最近又开发了高频脉冲爆炸式HVOF系统，通过控制可以使爆炸频率远高于传统的爆炸喷涂。根据系统发展过程及其速度特性，Jet-Kote被称为第一代HVOF，JP-5000型与DJ2000系列被称为第三代HVOF系统，其它HVOF系统称为第二代 HVOF。第一代与第二代HVOF具有类似的火焰速度特性，因此，涂层的沉积特性及其性能无大幅度的变化。第三代HVOF的喷枪喷嘴采用拉伐尔喷管，具有更高的速度，喷涂过程中粒子的熔化程度更有限，在喷涂过程中除了可以有效抑制WC的分解外，粒子在沉积过程中，将会产生明显的喷丸效应，使涂 层产生压缩残余应力，可以有效地提高涂层的表观结合强度。基于HVOF在制备金属陶瓷涂层时的特点，近年来又提出了主要依靠粒子的高速度制备涂层的新的方法，如HVIF（HighVelocityImpact Fusion）喷涂法，冷喷涂法（ColdSpraying），特别是冷喷涂工艺，由于可以制备氧化非常有限的金属涂层，受到了广泛的关注，目前发展很快。
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