線材火焰噴涂  

    線材火焰噴涂是采用氧-乙炔燃燒火焰作熱源，噴涂材料為線材的熱噴涂方法。它是最早獲得應(yīng)用的熱噴涂方法，迄今該方法仍在普遍使用。
      1．噴涂原理 
對(duì)噴涂材料的加熱和霧化是借助火焰噴槍進(jìn)行的，噴槍通過(guò)虹吸氣頭分別引入乙炔、氧氣和壓縮空氣，乙炔和氧氣混合后在噴嘴出口處產(chǎn)生燃燒火焰。送絲輪帶動(dòng)線材連續(xù)地通過(guò)噴嘴中心送入火焰，在火焰中受熱熔化，壓縮空氣經(jīng)空氣帽形成錐形的高速氣流，將熔化的線材霧化成細(xì)微的顆粒，在火焰和高速氣流的推動(dòng)下，熔融顆粒噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基材表面形成涂層。
      單位時(shí)間里熔化金屬線材的量取決于火焰功率。改變氧氣和乙炔的流量比例可獲得氧化焰或中性焰，氧化焰將加劇金屬線材中碳的燒損和涂層中氧化物的增加。中性焰可在一定程度上減少被噴涂材料的氧化。
      壓縮空氣使熔化的金屬脫離和霧化，一般壓縮空氣消耗量在0.8-1.2m3/min；壓力為0.40-0.60MPa。
      線材的傳送依靠噴槍中的空氣渦輪或電動(dòng)馬達(dá)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制送絲速度。采用空氣渦輪的噴槍，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，適于手工操作。但送絲速度微調(diào)比較困難，而且容易受壓縮空氣的影響難以保持恒定。采用電動(dòng)馬達(dá)的噴槍，送絲速度容易調(diào)節(jié)并能夠保持恒定，所以這種形式的噴槍使用日漸得增多。
      用于噴涂的金屬絲直徑一般在Φ1.6mm-Φ4.8mm之間，噴槍配有不同型號(hào)的噴嘴和空氣帽以滿足不同直徑和材質(zhì)線材的噴涂要求。
      2．設(shè)備構(gòu)成 
      典型的火焰線材噴涂設(shè)備的構(gòu)成，包括氧氣-乙炔供給系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)、線材盤(pán)架、噴槍等。
      （1）氧氣-乙炔供給系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣源、壓力及流量調(diào)節(jié)裝置、回火防止器及輸氣管線等組成。氣源大都采用瓶裝氧氣和乙炔，用于調(diào)壓的氧氣減壓閥和乙炔減壓閥應(yīng)從正規(guī)廠家選購(gòu)并定期校驗(yàn)，合格后方可使用。流量控制采用浮子流量計(jì)，針形閥應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確，使用值應(yīng)在滿刻度的40-70%之間。噴槍于流量計(jì)之間必須安裝回火防止閥以確保噴涂過(guò)程中的安全。
      （2）壓縮空氣供給系統(tǒng)。為確保涂層質(zhì)量，供給吹砂機(jī)和噴槍的壓縮空氣除了有流量和壓力的要求外，還必須清潔、干燥，即無(wú)油、無(wú)水。因此壓縮空氣供給系統(tǒng)應(yīng)包括空氣壓縮機(jī)和空氣凈化裝置。
      （3）噴槍。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的噴槍主要有兩類(lèi)：一是國(guó)產(chǎn)類(lèi)型，最具代表的是SQX-1型氣噴槍，另一類(lèi)是進(jìn)口噴槍，主要是原美國(guó)Metco公司的12E型和14E型火焰線材噴槍，該類(lèi)噴槍采用空氣渦輪式送絲，其氣動(dòng)部分加工精度高，送絲速度穩(wěn)定，調(diào)速范圍寬，高低熔點(diǎn)的材料均可噴涂。
       3．涂層和工藝技術(shù)特點(diǎn) 
      （1）涂層結(jié)構(gòu)和特性。線材火焰噴涂的涂層結(jié)構(gòu)為明顯的層狀結(jié)構(gòu)，涂層中有較多的孔隙和氧化物夾渣。涂層性能依據(jù)噴涂工藝和噴涂材料的不同而各異，一般數(shù)據(jù)下表。

線材火焰噴涂涂層性能

       （2）工藝技術(shù)特點(diǎn)。氧氣-乙炔線材火焰噴涂設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，使用成本較低，應(yīng)用非常廣泛，其主要特點(diǎn)為：
        1）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修作業(yè)。
        2）噴涂材料較為廣泛，凡能拉成絲的金屬材料幾乎都能?chē)娡浚€可噴涂復(fù)合絲材。
        3）噴涂過(guò)程中，對(duì)基材傳熱少，工件不易受熱變形，可噴涂厚涂層。
        4．主要影響工藝參數(shù) 
        影響線材火焰噴涂涂層質(zhì)量的主要因素有：壓縮空氣流量和壓力、氧氣-乙炔流量和壓力、噴嘴燒損和送絲輪的磨損程度。
       （1）壓縮空氣流量和壓力。在用的線材火焰噴槍大多采用氣動(dòng)渦輪方式送絲，因此噴涂過(guò)程中就要求壓縮空氣的流量和壓力都必須保持恒定，否則送絲速度忽快忽慢，嚴(yán)重影響絲材的熔化效果。
       （2）氧氣-乙炔流量和壓力。當(dāng)氧氣的比例低時(shí)，火焰為碳化焰，溫度較低，適于噴涂熔點(diǎn)較低的材料，能防止噴涂材料氧化脫碳。當(dāng)火焰為中性焰時(shí)，焰流溫度約為3050℃，適于噴涂各種合金。氧氣-乙炔流量和壓力的大小決定了噴槍火焰功率的大小，為保持絲材熔化的一直性和穩(wěn)定性，要求噴涂過(guò)程中，氧氣和乙炔的流量和壓力必須穩(wěn)定不變，否則絲材會(huì)出現(xiàn)“過(guò)熔”或熔化不良，影響涂層質(zhì)量。
        （3）噴嘴燒損和送絲輪的磨損。噴嘴燒損較嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接破壞焰流的對(duì)稱性和穩(wěn)定性，送絲輪的過(guò)度磨損會(huì)造成送絲速度不穩(wěn)定，二者均導(dǎo)致絲材熔化的不一致性。

      棒材火焰噴涂是采用氧-乙炔燃燒火焰作熱源，噴涂材料為棒材的熱噴涂方法。由于金屬材料可以很容易地制成線材，而金屬氧化物，即陶瓷材料無(wú)法加工成線材，至多可以制成一定粗細(xì)和長(zhǎng)短的棒材，所以棒材火焰噴涂主要指陶瓷棒材火焰噴涂。這種工藝方法早在上世紀(jì)六十年代，等離子噴涂技術(shù)在我國(guó)還未普及時(shí)在航空航天等軍事領(lǐng)域就有成功的應(yīng)用。七十年代中后期，隨著等離子噴涂技術(shù)在我國(guó)的推廣，陶瓷棒材火焰噴涂技術(shù)逐漸退出應(yīng)用。但在九十年代初，在我國(guó)引進(jìn)了美國(guó)諾頓公司專門(mén)噴涂陶瓷棒材的火焰噴涂技術(shù)（Rokide Ceramic Spray System）之后，由于該技術(shù)確有其獨(dú)特之處，在某些領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用，陶瓷棒材火焰噴涂技術(shù)才又受到業(yè)內(nèi)人士的重視。
      1．噴涂原理 
      棒材火焰噴涂的噴涂原理同線材火焰噴涂的原理完全一樣，不再贅述。陶瓷棒材噴涂的主要特點(diǎn)是陶瓷棒端部在氧-乙炔火焰中停留的時(shí)間較長(zhǎng)，使得陶瓷棒端部充分熔化后，再用射流霧化成微滴噴射到工件表面形成涂層。從而克服了氧-乙炔火焰粉末噴涂時(shí)，由于陶瓷粉末熔點(diǎn)高，在火焰中停留時(shí)間短、熔化不充分而影響涂層質(zhì)量的弊端。
      2．設(shè)備構(gòu)成 
      美國(guó)諾頓公司Rokide Ceramic Spray System的構(gòu)成包括氧氣-乙炔供給系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)、棒材送進(jìn)速度調(diào)節(jié)裝置和噴槍等。其中除噴槍在結(jié)構(gòu)上有些差別外，其它各系統(tǒng)與線材火焰噴涂基本相同。
噴槍結(jié)構(gòu)緊湊，棒材的輸送依靠噴槍后部的電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)，馬達(dá)后部有控制線與控制盒相連，控制盒帶有速度調(diào)節(jié)旋鈕和清晰的數(shù)字顯示。棒材送給速度控制精確，電動(dòng)馬達(dá)具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，可適應(yīng)世界各地不同的輸入電壓和頻率。為便于操作，噴槍上也裝有控制鈕用來(lái)控制棒材的進(jìn)給和氣體的通斷。
        3． 涂層和工藝技術(shù)特點(diǎn) 
      （1）涂層結(jié)構(gòu)和特性。陶瓷棒材噴槍的特性決定了只有當(dāng)陶瓷棒端部充分受熱熔化后，才能被射流霧化成微滴并噴射出槍口，其速度大約在150-250m/s，高的動(dòng)能和熱能使得粒子在到達(dá)工件表面時(shí)仍能保持熔融狀態(tài)，這就保證了涂層粒子間有很高的結(jié)合強(qiáng)度和涂層的高致密性。
      （2）工藝技術(shù)特點(diǎn)如下。
       1）設(shè)備配置簡(jiǎn)單，操控便捷，既可在熱噴涂車(chē)間操作，也可用于現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)。
       2）可噴涂的陶瓷棒材種類(lèi)較多，有氧化鉻、氧化鋁、氧化鋯、氧化鋁鈦等17種之多，規(guī)格有：φ4.75mm、φ6.35mm、φ7.94mm三種。還可噴涂直徑為φ4.75mm的粉芯絲材。
       3）我國(guó)目前已有仿制的類(lèi)似設(shè)備和陶瓷棒材，但設(shè)備和材料水平均有差距。要制備高性能的陶瓷棒材涂層主要還是依靠進(jìn)口設(shè)備和棒材。

      粉末火焰噴涂是采用氧-乙炔火焰為熱源，噴涂材料為粉末的熱噴涂方法。它是繼火焰線材噴涂之后出現(xiàn)的一種噴涂方法，由于設(shè)備簡(jiǎn)單，噴涂材料種類(lèi)多，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為普遍的熱噴涂工藝。
      1．噴涂原理 
      粉末火焰噴涂是借助粉末火焰噴槍進(jìn)行的。噴槍通過(guò)虹吸氣頭分別引入氧氣和乙炔，二者混合后在噴嘴出口處產(chǎn)生燃燒火焰。噴槍上裝有粉斗或進(jìn)粉口，利用氣流產(chǎn)生的負(fù)壓，抽吸粉斗中的粉末，使粉末隨氣流從噴嘴中心噴出進(jìn)入火焰，被加熱或軟化，焰流推動(dòng)熔粒以一定速度噴射到工件表面形成涂層。為了提高粒子的飛行速度，有的噴槍配有壓縮空氣噴嘴，借助壓縮空氣給粒子以附加的推力。
      粉末在被加熱的過(guò)程中，由表層向芯部熔化，熔融的表層會(huì)在表面張力的作用下，趨于球狀，不存在粉粒再被破碎的霧化過(guò)程。因此粉末顆粒的大小在一定程度上決定了涂層中變形顆粒的大小和表面粗糙度。粉末在被焰流加熱和加速的過(guò)程中，由于粉末在焰流中所處的位置不同，造成其受熱的程度不同，有的熔化或半熔化，有的只是軟化或半軟化。這與線材火焰噴涂的熔化-霧化過(guò)程存在較大區(qū)別，使得粉末火焰噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度和致密性一般不及線材火焰噴涂。
      2．設(shè)備 
粉末火焰噴涂設(shè)備的構(gòu)成與線材火焰噴涂類(lèi)似，也是由氧氣-乙炔供給系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)、噴槍等組成。區(qū)別主要在噴槍。在噴槍不需要壓縮空氣時(shí)，則不需要壓縮空氣供給系統(tǒng)。在槍外送粉的情況下，需要增加送粉器。
      粉末火焰噴涂槍的種類(lèi)較多，國(guó)產(chǎn)的具有代表性的噴槍有：上海產(chǎn)的QT-E-7/h和QT-E2000-7h型噴槍，成都產(chǎn)的CP-3000型亞音速噴槍，進(jìn)口的有美國(guó)Metco公司的5P和6P型。不同型號(hào)的噴槍雖然在結(jié)構(gòu)上存在一定差異，但基本都是由火焰燃燒系統(tǒng)和粉末供給系統(tǒng)兩部分組成。
      CP-3000型亞音速噴槍是以氧-乙炔火焰為熱源，以壓縮空氣作為送粉氣、加速氣和冷卻氣的一種高速高效粉末噴涂槍。它具有獨(dú)特的螺旋式混氣和射吸式進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，能大幅度提高焰流的燃燒效率和功率。該噴槍通過(guò)選配不同的噴嘴組件，可分別噴制性能優(yōu)異的碳化物涂層和氧化鋁、氧化鋯等高熔點(diǎn)材料涂層。
       3．涂層和工藝技術(shù)特點(diǎn) 
      （1）涂層結(jié)構(gòu)特性。氧乙炔火焰粉末噴涂涂層，其組織亦為層狀結(jié)構(gòu)，涂層中含有氧化物、孔隙及少量變形不充分的顆粒。涂層與基材間屬于機(jī)械結(jié)合。涂層孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度受?chē)娡坎牧?、噴涂工藝的影響比較大，孔隙率一般在5-20%之間，結(jié)合強(qiáng)度在10-30MPa之間。
      （2）工藝技術(shù)特點(diǎn)。氧-乙炔火焰粉末噴涂是應(yīng)用最為普遍的一種噴涂工藝，其工藝特點(diǎn)如下：
       1）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，現(xiàn)場(chǎng)施工方便。
       2）噴涂工藝簡(jiǎn)單，容易掌握，應(yīng)用最為廣泛。
       3）噴涂材料廣泛，可噴涂金屬、合金、復(fù)合粉末、陶瓷及塑料等多種材料。
       4）涂層孔隙率較大，涂層的殘余應(yīng)力小，可噴制厚涂層。
       4．主要工藝參數(shù) 
      （1）熱源參數(shù)。加工過(guò)程中，要正確使用和控制火焰的性能，即預(yù)熱和噴粉時(shí)，要使用中性焰或微碳化焰，以避免工件表面和粉末的氧氣。一般，粉末火焰噴涂大多依靠火焰來(lái)加速噴射粒子。當(dāng)采用較大流量的氧氣-乙炔時(shí)，焰流的功率大、強(qiáng)度高，噴射粒子的飛行速度就高，所制備的涂層具有高的結(jié)合強(qiáng)度和致密度。
      （2）噴涂距離。噴槍與工件噴涂面的距離一般控制在150-200mm，具體值應(yīng)根據(jù)噴槍的型號(hào)、功率大小和火焰的挺直度長(zhǎng)短而定，最佳距離是將合金粉末在火焰中受熱狀態(tài)最好的最明亮部位對(duì)在工件表面上。
      （3）基體溫度。噴涂時(shí)應(yīng)先對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，鋼質(zhì)零件預(yù)熱溫度為80-120℃，噴涂過(guò)程中，零件整體溫度不應(yīng)超過(guò)250℃。

      高速火焰噴涂國(guó)內(nèi)習(xí)慣上稱為超音速火焰噴涂，它的英文縮寫(xiě)為HVOF（High Velocity Oxygen Fuel的首寫(xiě)字母）。高速火焰噴涂是在爆炸噴涂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的熱噴涂技術(shù)，是在上世紀(jì)八十年代初期，由美國(guó)Browning公司最先研制成功，并推出名為JET-KOTE的商用噴涂設(shè)備。高速火焰噴涂技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，就以其超高的焰流速度和相對(duì)較低的溫度，在噴涂金屬碳化物和金屬合金等材料方面顯現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。在世界各大熱噴涂公司的積極推動(dòng)下，該技術(shù)發(fā)展很快，目前高速火焰噴涂技術(shù)在噴涂金屬碳化物、金屬合金等方面，已逐步取代了等離子噴涂和其它噴涂工藝，成為熱噴涂的一項(xiàng)重要工藝方法。
       1．高速火焰噴涂原理 
       高速火焰噴涂是將助燃?xì)怏w與燃燒氣體在燃燒室中連續(xù)燃燒，燃燒的火焰在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生高壓并通過(guò)與燃燒室出口聯(lián)接的膨脹噴嘴產(chǎn)生高速焰流，噴涂材料送入高速射流中被加熱、加速噴射到經(jīng)預(yù)處理的基體表面上形成涂層的方法?？墒褂靡胰?、丙烷、丙烯、氫氣等作為燃?xì)猓部墒褂貌裼突蛎河偷纫后w燃料。
       煤油、氧氣通過(guò)小孔進(jìn)入燃燒室后混合，在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定、均一地燃燒。有監(jiān)測(cè)器用來(lái)監(jiān)控燃燒室內(nèi)壓力，以確保穩(wěn)定燃燒，噴涂粉末的速度與燃燒室內(nèi)壓力成正比。燃燒室的出口設(shè)計(jì)使高速氣流急劇擴(kuò)展加速，形成超音速區(qū)和低壓區(qū)。粉末在低壓區(qū)域沿徑向多點(diǎn)注入，粉末均一混合，在氣流中加速噴出。高速火焰噴涂焰流速度高達(dá)1500m/s-2000m/s，一般可觀察到5-8個(gè)明顯的馬赫錐，粒子流速度高達(dá)300-650m/s。
        2．設(shè)備構(gòu)成 
       高速火焰噴涂設(shè)備一般由噴槍、送粉器、控制系統(tǒng)、噴槍冷卻系統(tǒng)、氣體供應(yīng)系統(tǒng)五部分構(gòu)成。目前我國(guó)在用的高速火焰噴涂設(shè)備絕大部分是進(jìn)口的，使用最多的型號(hào)為：Metco公司的DJ-2700和Praxair公司的JP-5000，JP-5000 是原Hobart Tafa公司研制成功的，后該公司并入了Praxair公司。這兩種設(shè)備在國(guó)外應(yīng)用也最為廣泛，代表了當(dāng)今世界高速火焰噴涂技術(shù)的發(fā)展水平。

       （1） Praxair JP-5000型。該設(shè)備以煤油作為燃料，其特點(diǎn)是燃燒室壓力高（＞10bar），功率大、焰流出口速度高（2100m/s）；粉末由燃燒嘴低壓區(qū)沿徑向注入，使得粉末受熱均勻、充分。相比其它工藝，其適宜噴涂的粉末粒度較粗，這有利于降低成本。目前為止，JP-5000噴制的WC-Co涂層性能略優(yōu)于其它HVOF方法，但其氧氣和煤油的消耗量十分驚人。
       （2）Metco DJ-2700 。該設(shè)備由Metco公司生產(chǎn)，以丙烷或丙烯作為燃?xì)?，?guó)內(nèi)大多用丙烷作燃?xì)狻Ｔ撛O(shè)備分手動(dòng)控制型和自動(dòng)控制型兩種，手動(dòng)型設(shè)備僅由噴槍、送粉器、流量控制器三部分構(gòu)成，具有很好的機(jī)動(dòng)性，可用于現(xiàn)場(chǎng)噴涂生產(chǎn)。同JP-5000相比，DJ-2700具有配置簡(jiǎn)單實(shí)用，操作方便、氧-燃?xì)夂牧康偷奶攸c(diǎn)。

        3．涂層和工藝特點(diǎn) 
        高速火焰噴涂工藝因其鮮明的特點(diǎn)：超高的焰流速度和相對(duì)較低的溫度，使其涂層性能和噴涂工藝具有許多特點(diǎn)：
        （1）火焰及噴涂粒子速度高。火焰速度達(dá)到1800m/s以上，粒子速度：300-650m/s。
        （2） 粉粒受熱均勻。噴涂粉粒沿軸向或徑向注入燃燒室，使粉末在火焰中停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，熔融充分，產(chǎn)生集中的噴射束流。
        （3）粉粒與周?chē)髿饨佑|時(shí)間短，粉末粒子飛行速度高，和周?chē)髿饨佑|時(shí)間短，很少與大氣發(fā)生反應(yīng)，噴涂材料中活潑元素?zé)龘p少。這對(duì)碳化物材料尤為有利，可避免分解和脫碳。
        （4）噴涂粉末細(xì)微，涂層光滑 用于高速火焰噴涂的粉末粒度一般為：10-45μm，屬于細(xì)粒度粉末，同時(shí)噴涂粒子速度高，熔融充分，形成涂層時(shí)變形充分，使得涂層表面粗糙度小。
        （5）涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高 一般高速火焰噴涂涂層的孔隙率＜2%，結(jié)合強(qiáng)度＞70MPa。
         4.主要工藝參數(shù) 
以DJ型高速火焰噴涂系統(tǒng)為例，介紹工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響。
        （1）粉末特性。目前粉末供應(yīng)商提供了品種繁多的碳化物粉末，而粉末特性往往因其制粉工藝方法的不同而表現(xiàn)出較大的差異。粉末特性包括：粉末粒度分布、顆粒形狀、表面粗糙度等。對(duì)DJ2700設(shè)備來(lái)說(shuō)，適宜的粉末粒度為：15μm-40μm。
        （2）氧-燃?xì)饬髁亢捅壤?。高速火焰噴涂的焰流溫度及特性取決于氧-燃?xì)饬髁亢突旌媳壤?。高速火焰噴涂時(shí)，首先應(yīng)按照設(shè)備的規(guī)定要求確定氧氣和燃?xì)獾牧髁?，以保證噴槍焰流達(dá)到設(shè)計(jì)的功率水平。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有多種因素可導(dǎo)致氧-燃?xì)獗壤牟▌?dòng)，而氧-燃?xì)獗壤龑?duì)確定最終的涂層組織十分重要。理論上，丙烷完全燃燒要求氧與丙烷的比例為5∶1（C3H8+5O2=4H2O+3CO2），這一燃燒比例產(chǎn)生的是中性焰（即，燃燒時(shí)氧與燃?xì)夥肿尤亢谋M）。若燃?xì)獗壤陆?，焰流中未消耗盡的氧分子將產(chǎn)生“氧化”氣氛，導(dǎo)致熔融粉末粒子的過(guò)度氧化，涂層中氧化物含量增多?；旌蠚庵腥?xì)膺^(guò)多會(huì)產(chǎn)生低溫貧氧的火焰，所得涂層中未熔粒子和孔洞增多，而氧化物含量降低。事實(shí)上，中性焰是不存在的，在高溫，燃燒過(guò)程不是完全可逆的，反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物以熱平衡和化學(xué)平衡方式共存。研究結(jié)果表明：對(duì)DJ型高速火焰噴涂系統(tǒng)，當(dāng)氧-燃?xì)獗壤?.2-5.6之間時(shí)，可獲得高性能的涂層。
       （3）噴涂距離。研究表明：DJ型高速火焰噴涂系統(tǒng)，當(dāng)粉末粒子在距噴槍出口100mm以內(nèi)即已達(dá)到了其最高溫度，隨著噴距的增加粒子溫度逐漸降低，在100-230mm范圍內(nèi)，粒子溫度大約降低了60℃，其降低幅度并不大，粒子仍可保持約1775℃的高溫；而粒子速度在距噴槍出口大約190mm內(nèi)是一個(gè)逐漸加速的過(guò)程，在距噴槍出口190-200mm左右達(dá)到480m/s以上的最高速度，在170-230mm噴距上，粒子速度基本維持在480m/s以上。考慮到高溫焰流對(duì)基體傳熱的不利影響，噴距在可能的情況下應(yīng)盡量增大，故對(duì)DJ型高速火焰噴涂系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，適宜的噴距應(yīng)為：190-230mm。與其它噴涂工藝相比，高速火焰噴涂噴距的可調(diào)整范圍是比較大的，這得益于粒子的高速度。較大的噴距可調(diào)范圍對(duì)實(shí)際生產(chǎn)十分有利，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)工件的形狀、大小、涂層厚度等要求選擇適宜的噴距，以得到綜合性能最好的涂層。
       （4）送粉量。對(duì)任何熱噴涂工藝來(lái)說(shuō)，送粉量都是影響涂層性能的一個(gè)重要參數(shù)。某種粉末在某一具體的噴涂工藝條件下，都對(duì)應(yīng)有一適宜的送粉量范圍。
若送粉量過(guò)小，可能的不利影響有：
       1）被噴涂粉末過(guò)熔，粉末燒損，煙霧大，易污染涂層。
       2）每一遍噴涂不能完全覆蓋其掃過(guò)的路徑，造成涂層孔隙率增大。
       3）延長(zhǎng)了噴涂時(shí)間易造成工件過(guò)熱涂層開(kāi)裂和生產(chǎn)成本的增大。
       若送粉量過(guò)大，可能的不利影響有：
       1）粉末熔化不充分，涂層結(jié)合強(qiáng)度降低，孔隙率增大。
       2）涂層應(yīng)力增大，導(dǎo)致涂層開(kāi)裂。
       3）粉末沉積率下降，生產(chǎn)成本提高。
       研究表明：使用DJ系統(tǒng)，噴涂WC-Co涂層時(shí)，當(dāng)送粉量在38-60g/min之間變化時(shí)，涂層孔隙率在1.12-2%之間，顯微硬度在HV1000-1300, 粉末沉積率為40-50%，涂層性能優(yōu)。噴涂CrC-NiCr涂層時(shí)：當(dāng)送粉量在27-45g/min之間變化時(shí)，可獲得令人滿意的涂層質(zhì)量。

      繼HVOF之后，美國(guó)和日本又相繼研究出了燃?xì)馀c空氣混合燃燒的高速火焰噴涂系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為HVAF,目的是進(jìn)一步降低噴涂過(guò)程中粉末材料的氧化以及氧氣的消耗。但當(dāng)時(shí)的HVAF系統(tǒng)因粉末沉積率低以及存在安全方面的隱患而并未受到預(yù)期的效果。2001年在前蘇聯(lián)科學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，美國(guó)TSR（UniqueCoat）公司研制成功AC-HVAF高速火焰噴涂系統(tǒng)，使HVAF噴涂技術(shù)得以全新的面貌顯示出其獨(dú)特的涂層和工藝特點(diǎn)。
      1．AC-HVAF噴涂工藝原理 
      該工藝與HVOF噴涂原理類(lèi)似，利用氣態(tài)燃料和空氣燃燒形成的超音速氣流的能量來(lái)加速和加熱被噴涂材料。與傳統(tǒng)的HVOF相比較，AC-HVAF工藝焰流速度高，但溫度較低，被噴涂粒子速度高達(dá)700-800m/s，而粒子溫度一般在其熔點(diǎn)以下，當(dāng)熱的軟化的粒子沖擊到基材表面上時(shí)進(jìn)行充分的塑性變形，形成致密涂層。一般以丙烷作為燃料氣體，當(dāng)噴涂高熔點(diǎn)材料時(shí)，可用丙烯代替丙烷來(lái)增加焰流溫度。噴槍由壓縮空氣冷卻。
      2．設(shè)備組成 
      AC-HVAF噴涂系統(tǒng)由噴槍、控制臺(tái)、氣化器、送粉器及輔助裝置組成。
      （1）噴槍 有手持和機(jī)裝兩種型號(hào)噴槍，機(jī)裝槍配有專門(mén)用來(lái)噴涂自熔合金的噴嘴組件。采用軸向送粉、內(nèi)部火花塞點(diǎn)火、空氣冷卻噴槍。二級(jí)噴嘴設(shè)計(jì)成不同長(zhǎng)度，使系統(tǒng)可噴涂多種材料。
      （2）控制臺(tái) 觸摸屏式全自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單可靠。
      （3）氣化器 在預(yù)設(shè)壓力和溫度下，通過(guò)電加熱器使液態(tài)丙烷和丙烯氣化。
      （4）送粉器 為噴槍連續(xù)輸送粉末，送粉率最高達(dá)40 Kg/h，工作壓力最高1.2MPa。
      3．涂層和工藝特點(diǎn) 
      （1）涂層特點(diǎn)。
       1）涂層致密度高，孔隙率可小于0.5%。
       2）氧化物含量低，接近真空噴涂的水平。
       3）結(jié)合強(qiáng)度高，與碳鋼的結(jié)合強(qiáng)度大于75MPa。
       4）涂層外觀平滑，研磨后，可達(dá)光學(xué)鏡面。
      （2）工藝特點(diǎn)。
       1）設(shè)備配置簡(jiǎn)單，不用氧氣，無(wú)水冷卻熱交換系統(tǒng)，生產(chǎn)成本低。
       2）工作穩(wěn)定，噴涂碳化鎢涂層，生產(chǎn)效率可達(dá)30Kg/h。
       3）涂層氧含量低，可噴涂銅、銀、鈦等金屬涂層；與活性金屬結(jié)合良好 
       4）工作過(guò)程中需嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，對(duì)粉末粒度要求尤為嚴(yán)格。

     人們很早就發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)燃燒的激烈程度將可燃?xì)怏w的燃燒過(guò)程分為：普通燃燒過(guò)程、爆燃過(guò)程、普通爆炸過(guò)程和爆轟過(guò)程。其中爆轟過(guò)程是最激烈和最不易獲得的，以氧氣和乙炔為例，在爆炸過(guò)程中爆炸中心的溫度高達(dá)3400℃以上，爆轟波產(chǎn)生的速率在1500m/s以上。研究表明在一端封閉的長(zhǎng)1m-2m的管子中充滿氧氣和乙炔，在封閉端點(diǎn)燃該混合氣體可以獲得爆轟過(guò)程，同時(shí)產(chǎn)生爆轟波。上世紀(jì)50年代中期，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司首先利用該原理制備了世界上第一臺(tái)爆炸噴涂設(shè)備(detonation gun，簡(jiǎn)稱D-gun)，用于各種零部件的涂層制備和零件修復(fù)。
       1．爆炸噴涂原理

       如圖所示。爆炸噴涂的基本原理是利用可燃?xì)怏w爆炸產(chǎn)生的沖擊波能量，將待涂覆的粉末顆粒加速加熱，轟擊到基體表面形成涂層。完整的爆炸噴涂設(shè)備包括爆炸噴槍、氣體與粉末顆粒的輸送與控制系統(tǒng)、點(diǎn)火燃爆控制系統(tǒng)、噴槍三維行走機(jī)構(gòu)、基體夾持裝置與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、冷卻水循環(huán)裝置、粉塵回收裝置和隔音室。不同于其它的熱噴涂工藝，爆炸噴涂工藝是一種間歇式噴涂，一般的噴涂頻率在4次/秒-8次/秒，Praxair新型的爆炸噴涂設(shè)備Super-D gun的噴涂頻率達(dá)到了100次/秒。爆炸噴涂的工藝循環(huán)過(guò)程由以下四步組成：
     （1）進(jìn)氣。將爆炸氣體混合后向噴槍內(nèi)輸入。目前主要使用的爆炸氣體是氧氣+乙炔或氧氣+丙烷；
     （2）送粉。利用保護(hù)氣體氮?dú)庀驀姌寖?nèi)送入噴涂粉末，使其在槍膛內(nèi)某一特定區(qū)域形成團(tuán)霧狀的粉末云；送粉方式分為軸向送粉和徑向送粉兩種方式，軸向送粉被普遍采用，如美國(guó)Praxair、前蘇聯(lián)和北京航空材料研究院自行研制的爆炸噴涂設(shè)備等都采用該送粉方式，俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院研制的“OB”爆炸噴涂則采用了徑向送粉的方式。
      3）點(diǎn)火。向槍膛中的爆炸室發(fā)出給定頻率的點(diǎn)火信號(hào)，使可燃?xì)怏w爆炸爆炸持續(xù)時(shí)間約幾毫秒，產(chǎn)生3300℃左右的高溫和大約1500m/s的氣流，高熱高速氣流使待涂覆的粉末顆粒受熱軟化，并以600m/s-700m/s的初速離開(kāi)槍口射向基體表面。當(dāng)粉末顆粒撞擊基體表面時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，撞擊瞬間可使粉末顆粒溫度升高，甚至可以達(dá)到其熔點(diǎn)。于是就形成孔隙率極低，結(jié)合強(qiáng)度很高的表面涂層。爆炸中心溫度、氣流速度和粉末顆粒射出槍口初速與燃爆氣體種類(lèi)和噴槍結(jié)構(gòu)有關(guān)。
      4）清除殘氣和殘粉。向槍膛內(nèi)輸入保護(hù)氣體，將槍管中殘留的氣體和粉塵清除干凈，準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)。
      2．爆炸噴涂工藝 
      爆炸噴涂可以獲得優(yōu)異的涂層，噴涂涂層以后零部件的性能有顯著的提高。有資料顯示，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和其它機(jī)械的關(guān)鍵零部件的修復(fù)和磨損問(wèn)題，必須采用爆炸噴涂技術(shù)才能解決，為此美國(guó)praxair公司在全球建立了十幾個(gè)爆炸噴涂中心，在美國(guó)本土還有15個(gè)爆炸噴涂維修中心，可見(jiàn)爆炸噴涂具有非常大的市場(chǎng)潛力。目前在亞洲，在新加坡建立了一個(gè)噴涂中心，日本建立了三個(gè)噴涂中心。日本的子公司將爆炸噴涂技術(shù)僅應(yīng)用到冶金行業(yè)，每年就產(chǎn)生幾千萬(wàn)美元的經(jīng)濟(jì)效益。由于該工藝獲得的涂層非常優(yōu)越，因此從發(fā)明該設(shè)備至今，盡管聯(lián)合碳化物公司已經(jīng)解體，但爆炸工藝涂層制備技術(shù)仍然沒(méi)有公開(kāi)，爆炸噴涂設(shè)備也從不向其它國(guó)家和公司出售。在上世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)也獨(dú)立的研究出了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的爆炸噴涂設(shè)備。在1983年北京航空材料研究院研制出了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的爆炸噴涂設(shè)備。高能爆炸噴涂技術(shù)具有以下特點(diǎn)。
      （1）可噴涂的材料非常廣泛，從低熔點(diǎn)的鋁合金到高熔點(diǎn)的陶瓷材料如氧化鋯；
      （2) 涂層的空隙率在所有熱噴涂工藝中是最低的；
      （3）涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度是目前熱噴涂工藝中最高的，其結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)了目前采用的傳統(tǒng)測(cè)量方法的極限；
      （4）由于間歇式的工作特性，該工藝對(duì)基體材料的溫度影響非常小，對(duì)精密零部件或低熔點(diǎn)材料的表面噴涂特別實(shí)用；
      （5）高的涂層性能保證了該工藝能夠滿足高標(biāo)準(zhǔn)的要求：如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃機(jī)、汽車(chē)、冶金、采礦和石油機(jī)械等。
      （6）工業(yè)應(yīng)用條件下經(jīng)濟(jì)可靠。

文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：熱噴涂與再制造