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高速火焰喷涂的原理构成和工艺特点

返回列表 浏览人次：0 发布时间：2021-01-25

高速火焰喷涂在中国习惯上被称为超音速火焰喷涂，其英文缩写为HVOF。高速火焰涂装是在爆炸涂装的基础上发展起来的新型热涂装技术。由美国布朗宁公司于20世纪80年代初首次成功开发，并引进了一种叫做KOTE喷气机的商用喷涂设备。高速火焰喷涂技术问世后，以其超高的火焰速度和相对较低的温度，在喷涂金属碳化物和金属合金方面显示出明显的优势。随着世界各地热喷涂公司的积极推广，这项技术发展迅速。目前，高速火焰涂装技术在涂装金属碳化物和金属合金方面取代了等离子涂装等涂装技术，成为热涂装的重要技术方法。

1.高速火焰喷涂的原理。
高速火焰喷涂是一种帮助燃烧气体和燃烧气体在燃烧室连续燃烧，燃烧火焰在燃烧室产生高压，通过与燃烧室出口连接的膨胀喷嘴产生高速火焰流，将喷涂材料送入高速射流加热，喷涂到预处理后的基体表面形成涂层的方法。乙炔、丙烷、丙烯和氢可用作气体，也可用作柴油或煤油等液体燃料。
煤油和氧气通过小孔进入燃烧室，在燃烧室中混合燃烧稳定均匀。监控器用于监控燃烧室中的压力，以确保稳定燃烧。喷粉速度与燃烧室压力成正比。燃烧室出口的设计加速了高速气流的快速膨胀，形成了超音速区和低压区。粉末在低压区的多个点被径向喷射，粉末被均匀混合并以加速的速度喷射在气流中。高速火焰喷涂的火焰速度达到1500米/秒-2000米/秒，一般可观察到5-8个明显的马赫锥，颗粒速度达到300-650米/秒..

2.设备构成。
高速火焰涂装设备一般由喷枪、送粉器、控制系统、喷枪冷却系统和供气系统构成。目前国内使用的高速火焰涂装设备多为进口，使用最多的型号为SulzerMetco公司DJ-2700和Praxair公司JP-5000。JP-5000由原霍巴特法公司开发成功，并购为普雷克斯公司。这两种设备也广泛应用于国外，代表了当今世界高速火焰涂装技术的发展水平。
(1)PraxairJP-5000。该设备以煤油为燃料，具有燃烧室压力高(>10巴)、功率大、火焰出口速度高(2100米/秒)的特点。粉末从燃烧器喷嘴的低压区域径向注入，使粉末均匀充分加热。与其他工艺相比，适合喷涂的粉末粒度更粗，有利于降低成本。迄今为止，JP-5000涂装的WC-Co涂装性能略优于其他HVOF方法，但氧气消耗量和煤油消耗量惊人。
(2)SulzerMetcoDJ-2700.该设备由SulzerMetco生产，使用丙烷或丙烯作为燃料气体，丙烷在国内作为燃料气体使用较多。设备分为手动控制型和自动控制型。手动设备由喷枪、送粉机和流量控制器组成，可操作性好，可用于现场喷涂生产。与JP-5000相比，DJ-2700具有配置简单实用、操作方便、耗氧量低的特点。

3.涂层和工艺特性。
高速火焰喷涂技术因其独特的特点而具有超高的火焰速度和相对较低的温度。
(1)火焰和喷射颗粒速度高。火焰速度超过1800m/s，粒子速度300-650m/s。..
(2)将粉末加热均匀。喷出的粉末粒子沿轴向或径向喷入燃烧室，使粉末在火焰中停留较长时间，充分熔化，产生集中的喷射束。
(3)粉粒与周围大气接触时间短，粉粒飞行速度快，粉粒与周围大气接触时间短，与大气反应少，材料中活性元素燃烧损失少。这对碳化物材料特别有利，可以避免分解脱碳。
(4)喷涂粉末细腻，涂层光滑。用于高速火焰喷涂的粉末粒度一般为10-45μm，属于细粒粉末。同时，喷涂颗粒在形成涂层时速度快，熔化充分，变形充分，使得涂层表面粗糙度小。
(5)涂层致密，结合强度高。高速火焰涂装的涂装孔隙率一般在2%以下，结合强度在>70MPa以上。

4.主要工艺参数。
以DJ高速火焰喷涂系统为例，介绍了工艺参数对涂层性能的影响。
(1)粉末特性。目前，粉末供应商提供各种碳化物粉末，但由于研磨技术的不同，粉末的特性往往大不相同。粉末特性包括:粉末粒度分布、颗粒形状、表面粗糙度等。对于DJ2700设备，适当的粉末粒度为15mm-40μm。
(2)氧气流量和比率。高速火焰喷涂的火焰温度和特性取决于氧气流量和混合比。高速火焰喷涂时，应根据设备的规定要求确定氧气和气体的流量，以确保喷枪的火焰流量达到设计功率水平。在实际生产过程中，会引起氧气比波动的因素很多，氧气比对于决定最终的涂层结构至关重要。理论上，丙烷的完全燃烧要求氧气与丙烷的比例为5∶1(C3H8+5O2=4H2O+3CO2)，并且这种燃烧比例产生中性火焰(即燃烧时氧气和气体分子完全耗尽)。气体比例下降，火焰流中未消耗的氧分子产生氧化气氛，熔化粉末粒子过度氧化，增加涂层中氧化物的含量。混合气中气体过多会产生低温贫氧火焰，涂层中未熔化的颗粒和孔增加，氧化物含量减少。其实中性火焰是不存在的。在高温下，燃烧过程不是完全可逆的，反应物和反应产物在热平衡和化学平衡中共存。实验结果表明，在氧、气比为4.2~5.6的条件下，DJ高速火焰喷涂系统可获得高性能涂层。
(3)喷洒距离。研究表明，DJ高速火焰喷涂系统在粉末颗粒距离喷枪出口100mm以内时达到最高温度，颗粒温度随着喷涂距离的增加而逐渐降低。在100-230mm范围内，颗粒温度降低60℃左右，降低幅度不大，颗粒仍能保持1775℃左右的高温；但颗粒速度在距离喷枪出口190mm左右是一个逐渐加速的过程，在距离喷枪出口190-200mm左右达到480m/s以上的最高速度，在170-230mm的喷涂距离基本保持在480m/s以上，考虑到高温火焰流对基体传热的不利影响，应尽可能增大喷涂距离，因此，DJ高速火焰喷涂系统的合适喷涂距离应为190-230毫米。与其他喷涂工艺相比，高速火焰喷涂的喷涂距离可调范围相对较大，这是由于颗粒的高速运动。较大的喷涂距离可调范围对实际生产非常有利，因为可以根据工件的形状、尺寸和涂层厚度选择合适的喷涂距离，从而获得综合性能良好的涂层。
(4)送粉量。对于任何热喷涂工艺，送粉量都是影响涂层性能的重要参数。在特定的喷涂工艺条件下，某种粉末应具有合适的送粉范围。

如果输送的粉末量太小，可能的不利影响是:
1)喷涂粉末过度熔化，粉末烧坏，产生浓烟，容易污染涂层。
2)每次喷涂不能完全覆盖扫掠路径，导致涂层孔隙率增加。
3)喷涂时间延长，容易导致涂层过热开裂，增加生产成本。

如果输送的粉末量太大，可能的不利影响是:
1)粉末熔化不足会降低涂层的结合强度并增加孔隙率。
2)涂层应力增加，导致涂层开裂。
3)粉末沉积速率降低，生产成本增加。
研究表明，采用DJ体系喷涂碳化钨钴涂层时，涂层孔隙率为1.12-2%，显微硬度为HV1000-1300，粉末沉积率为40-50%，涂层性能优异。喷涂CrC-NiCr涂层时，当送粉量在27-45g/min之间变化时，可获得满意的涂层质量。

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