高速燃气喷涂技术

1．技术内容及技术关键

1）．高速燃气喷涂设备

高速燃气喷涂设备并不复杂，它由喷涂枪，送粉器，控制系统及供气系统等组成。图1是DeloroStellite公司的Jet KoteⅡ系统的示意图。

图1 高速燃气喷涂设备
1-喷涂枪 2-冷却水 3-控制箱 4-送粉器 5-气体供给

图2 Jet Kote高速燃气热喷涂喷涂枪
1-超音速火焰 2-冷却水 3-喷嘴 4-燃烧室
5-由气流输送的粉末 6-冷却水 7-氧气 8-燃气

高速燃气喷涂枪像一个小型的火箭发动机，图2显示了Jet Kote喷涂枪的结构。它由封闭的燃烧室和喷嘴组成。燃气与氧气以0.5～3.5MPa的压力和高达0.016m3/s的流量注入到燃烧室中，混合气连续燃烧，燃烧产物剧烈膨胀，从一个长喷嘴喷出，形成超音速火焰。作为高温超音速气流的征兆，可以看到火焰中明暗相间的菱形激波。粉末的喷涂材料从燃烧室与喷嘴相接处注入到喷嘴，进入到焰流的中心，经加热与加速，获得很高的动能而从喷嘴喷出。喷涂粒子在燃烧产物中不会受到氧化。由于粒子处于焰流的中心，在离开喷嘴到达工件表面的过程中，受到的氧化也极其轻微，燃烧室中火焰的温度通常不超过3000℃。从喷嘴喷出的焰流温度会更低。其速度则与燃烧室压力直接相关。初期的Jet Kote可以达到1770m/s 的火焰平均速度，它可以将直径为5～45μm的WC-Co粒子喷涂粒子加速到315m/s的高飞行速度。这已经远远超过其他热喷涂方法所能达到的速度。但这还只是高速燃气喷涂的最初水平。到1984年初，经改进的Jet KoteⅡ的粒子速度又有大幅度的提高，计算的粒子速度要超过800m/s。喷涂的碳化钨涂层硬度已经明显高于D-Gun涂层的水平。

各家公司商品化的高速燃气热喷涂枪的具体结构在冷却方式，粉末注入方式（径向或轴向），燃料的成分与流量，燃烧室的形状与工作压力，粉末注入的部位以及喷嘴的形式与长度等方面各有差异，由于焰流的热焓非常高，绝大多数的喷枪都使用水冷，以防止喷嘴的熔化或损坏。冷却水的温度直接影响到焰流的热焓及粒子加热的程度。从而成为重要的工艺参数之一，不同的喷枪在喷涂中粒子达到的温度与速度是不同的，从而也获得不同的涂层质量。

Jet Kote喷枪的燃烧室是喷枪的手柄，它与喷嘴成直角。这种设计是为了便于向喷嘴中注入粉末喷涂材料。氧与燃气的燃烧产物由燃烧室通过4个孔道进入到喷嘴，喷涂粉末就在这个部位注入到焰流中。Top Gun，HV-2000以及CDS等喷枪在气体燃烧的同时即将粉末注入，焰流与粉末的方向都是轴向的。Top Gun的燃气喷射系统的设计独特，使它能够使用包括乙炔在内的多种燃气。其他公司的喷涂枪均不能使用乙炔作为燃气。而使用丙烷，丙烯或氢等。Metco的Diamond Jet没有燃烧室和长喷嘴。它用一个环形的压缩空气喷嘴来约束燃气流，也不必使用水冷措施，喷枪简单轻便。Tafa公司的JP-5000与其他的喷枪差别较大。它使用煤油做燃料，燃烧室的压力更高（达1.7MPa）。粉末从径向燃烧室与喷嘴相接的喉管处注入。由于这个部位压力较低，粉末与焰流的混合与加热得到改善。更高的燃烧室压力提供了更高的粒子速度，涂层质量进一步提高。

2）. 工艺特点

参考文献报道的高速燃气喷涂时的燃气速度为1370～2930m/s。与之相应的喷涂粒子飞行速度为480～1020m/s。高速燃气焰流的典型温度取决于燃料种类及反应条件，在1650到2760℃之间。这差不多比等离子喷涂时的温度低10000℃。由于很高的燃烧室压力及较长的喷嘴长度，粒子在焰流中可以得到很好的加速与有效的热交换。不过，喷涂粒子仍难以加热到充分熔化的程度，更不会过热。而速度极高，有很大的动量的粒子在撞击基体表面时会发生足够的变形，使涂层非常致密，结合可靠，氧化物细小分散。粒子的加热时间取决于喷嘴的长度。依喷枪结构，喷涂材料的种类以及粒度分布的不同，喷嘴长度通常在75～305mm之间。粒子的加热程度对工艺过程十分关键。过分的加热会导致熔化的粒子黏附于喷嘴内壁，喷嘴内壁的堆积会严重影响喷涂的正常进行。防止这种堆积现象是高速燃气喷涂的一个重要问题。 #p#分页标题#e#

3）. 喷涂材料

高速燃气热喷涂技术始于碳化钨涂层，但是它可以实现任何金属、合金以及复合粉末的喷涂。喷涂材料的种类与应用不断发展。为了得到最佳的喷涂效果，对于粉末粒子的粒度及其分布有相当苛刻要求。过分微细的粉末粒子会在焰流中熔化而沉积在长喷嘴的内壁，使喷涂工作不能长时间地连续进行。粉末的形态和制造工艺对其使用性能也有显著的影响，专用的喷涂粉末的沉积率通常可以达到70%～75%。现在商品化的高速燃气热喷涂已经有上百种。

2．优缺点及使用范围

高速燃气喷涂的最突出的优点在于可以喷涂高质量的碳化钨涂层。涂层致密，结合强度高，氧化物含量低。它用于航空与空间技术，泵及压缩机轴，阀门，密封面，造纸业的辊子以及石化工业中需要耐磨耐腐蚀的场合。HVOF比等离子喷涂层具有更高的结合强度，低氧化物含量，更好的耐磨性能以及更高的沉积率。由于涂层内应力较低，涂层可以更厚。而且HVOF喷涂时需要控制的参数只有等离子喷涂的一半，因而喷涂简单，涂层质量重复性好。

由于HVOF的温度较低，一般说来不适于陶瓷材料的喷涂。但是有的喷涂枪（例如 Top Gun，HV-2000）具有较高的加热能力，可以获得十分致密的陶瓷涂层。

用HVOF涂层代替镀硬铬层已经取得很大的成功。这免除了非常困难的电镀废液处理问题，也解决了厚镀层（0.5mm以上）电镀的困难。

HVOF带来的涂层质量的提高使热喷涂层的应用领域也有了新飞跃。喷涂的Inconel涂层已经成功地解决了某些应力腐蚀问题。用HVOF涂层取代耐腐蚀的堆焊层的工作也有乐观的进展。

HVOF的缺点在于较高的使用成本与高噪音，为了在很高的粒子速度下对粒子进行足够的加热，它需要很高的热功率，从而需要非常高的燃料与氧气消耗量。相当比例的热能要损失于冷却水。例如JP-5000在工作时，冷却水带走80kW，占总燃烧热能的30%。很高的热功率也使工件基体受到强烈的加热。这需要通过强烈冷却基体。或用很高的枪与工件的相对移动速度来解决。这也进一步提高了使用成本。