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高速火焰噴涂的原理構(gòu)成和工藝特點(diǎn)

返回列表 瀏覽人次：0 發(fā)布時(shí)間：2021-01-25

高速火焰噴涂在中國(guó)習(xí)慣上被稱為超音速火焰噴涂，其英文縮寫為HVOF。高速火焰涂裝是在爆炸涂裝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型熱涂裝技術(shù)。由美國(guó)布朗寧公司于20世紀(jì)80年代初首次成功開發(fā)，并引進(jìn)了一種叫做KOTE噴氣機(jī)的商用噴涂設(shè)備。高速火焰噴涂技術(shù)問世后，以其超高的火焰速度和相對(duì)較低的溫度，在噴涂金屬碳化物和金屬合金方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著世界各地?zé)釃娡抗镜姆e極推廣，這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速。目前，高速火焰涂裝技術(shù)在涂裝金屬碳化物和金屬合金方面取代了等離子涂裝等涂裝技術(shù)，成為熱涂裝的重要技術(shù)方法。

1.高速火焰噴涂的原理。
高速火焰噴涂是一種幫助燃燒氣體和燃燒氣體在燃燒室連續(xù)燃燒，燃燒火焰在燃燒室產(chǎn)生高壓，通過與燃燒室出口連接的膨脹噴嘴產(chǎn)生高速火焰流，將噴涂材料送入高速射流加熱，噴涂到預(yù)處理后的基體表面形成涂層的方法。乙炔、丙烷、丙烯和氫可用作氣體，也可用作柴油或煤油等液體燃料。
煤油和氧氣通過小孔進(jìn)入燃燒室，在燃燒室中混合燃燒穩(wěn)定均勻。監(jiān)控器用于監(jiān)控燃燒室中的壓力，以確保穩(wěn)定燃燒。噴粉速度與燃燒室壓力成正比。燃燒室出口的設(shè)計(jì)加速了高速氣流的快速膨脹，形成了超音速區(qū)和低壓區(qū)。粉末在低壓區(qū)的多個(gè)點(diǎn)被徑向噴射，粉末被均勻混合并以加速的速度噴射在氣流中。高速火焰噴涂的火焰速度達(dá)到1500米/秒-2000米/秒，一般可觀察到5-8個(gè)明顯的馬赫錐，顆粒速度達(dá)到300-650米/秒..

2.設(shè)備構(gòu)成。
高速火焰涂裝設(shè)備一般由噴槍、送粉器、控制系統(tǒng)、噴槍冷卻系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)構(gòu)成。目前國(guó)內(nèi)使用的高速火焰涂裝設(shè)備多為進(jìn)口，使用最多的型號(hào)為SulzerMetco公司DJ-2700和Praxair公司JP-5000。JP-5000由原霍巴特法公司開發(fā)成功，并購(gòu)為普雷克斯公司。這兩種設(shè)備也廣泛應(yīng)用于國(guó)外，代表了當(dāng)今世界高速火焰涂裝技術(shù)的發(fā)展水平。
(1)PraxairJP-5000。該設(shè)備以煤油為燃料，具有燃燒室壓力高(>10巴)、功率大、火焰出口速度高(2100米/秒)的特點(diǎn)。粉末從燃燒器噴嘴的低壓區(qū)域徑向注入，使粉末均勻充分加熱。與其他工藝相比，適合噴涂的粉末粒度更粗，有利于降低成本。迄今為止，JP-5000涂裝的WC-Co涂裝性能略優(yōu)于其他HVOF方法，但氧氣消耗量和煤油消耗量驚人。
(2)SulzerMetcoDJ-2700.該設(shè)備由SulzerMetco生產(chǎn)，使用丙烷或丙烯作為燃料氣體，丙烷在國(guó)內(nèi)作為燃料氣體使用較多。設(shè)備分為手動(dòng)控制型和自動(dòng)控制型。手動(dòng)設(shè)備由噴槍、送粉機(jī)和流量控制器組成，可操作性好，可用于現(xiàn)場(chǎng)噴涂生產(chǎn)。與JP-5000相比，DJ-2700具有配置簡(jiǎn)單實(shí)用、操作方便、耗氧量低的特點(diǎn)。

3.涂層和工藝特性。
高速火焰噴涂技術(shù)因其獨(dú)特的特點(diǎn)而具有超高的火焰速度和相對(duì)較低的溫度。
(1)火焰和噴射顆粒速度高?；鹧嫠俣瘸^1800m/s，粒子速度300-650m/s。..
(2)將粉末加熱均勻。噴出的粉末粒子沿軸向或徑向噴入燃燒室，使粉末在火焰中停留較長(zhǎng)時(shí)間，充分熔化，產(chǎn)生集中的噴射束。
(3)粉粒與周圍大氣接觸時(shí)間短，粉粒飛行速度快，粉粒與周圍大氣接觸時(shí)間短，與大氣反應(yīng)少，材料中活性元素燃燒損失少。這對(duì)碳化物材料特別有利，可以避免分解脫碳。
(4)噴涂粉末細(xì)膩，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)粒粉末。同時(shí)，噴涂顆粒在形成涂層時(shí)速度快，熔化充分，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。高速火焰涂裝的涂裝孔隙率一般在2%以下，結(jié)合強(qiáng)度在>70MPa以上。

4.主要工藝參數(shù)。
以DJ高速火焰噴涂系統(tǒng)為例，介紹了工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響。
(1)粉末特性。目前，粉末供應(yīng)商提供各種碳化物粉末，但由于研磨技術(shù)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、顆粒形狀、表面粗糙度等。對(duì)于DJ2700設(shè)備，適當(dāng)?shù)姆勰┝６葹?5mm-40μm。
(2)氧氣流量和比率。高速火焰噴涂的火焰溫度和特性取決于氧氣流量和混合比。高速火焰噴涂時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的規(guī)定要求確定氧氣和氣體的流量，以確保噴槍的火焰流量達(dá)到設(shè)計(jì)功率水平。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，會(huì)引起氧氣比波動(dòng)的因素很多，氧氣比對(duì)于決定最終的涂層結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。理論上，丙烷的完全燃燒要求氧氣與丙烷的比例為5∶1(C3H8+5O2=4H2O+3CO2)，并且這種燃燒比例產(chǎn)生中性火焰(即燃燒時(shí)氧氣和氣體分子完全耗盡)。氣體比例下降，火焰流中未消耗的氧分子產(chǎn)生氧化氣氛，熔化粉末粒子過度氧化，增加涂層中氧化物的含量?；旌蠚庵袣怏w過多會(huì)產(chǎn)生低溫貧氧火焰，涂層中未熔化的顆粒和孔增加，氧化物含量減少。其實(shí)中性火焰是不存在的。在高溫下，燃燒過程不是完全可逆的，反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物在熱平衡和化學(xué)平衡中共存。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在氧、氣比為4.2~5.6的條件下，DJ高速火焰噴涂系統(tǒng)可獲得高性能涂層。
(3)噴灑距離。研究表明，DJ高速火焰噴涂系統(tǒng)在粉末顆粒距離噴槍出口100mm以內(nèi)時(shí)達(dá)到最高溫度，顆粒溫度隨著噴涂距離的增加而逐漸降低。在100-230mm范圍內(nèi)，顆粒溫度降低60℃左右，降低幅度不大，顆粒仍能保持1775℃左右的高溫；但顆粒速度在距離噴槍出口190mm左右是一個(gè)逐漸加速的過程，在距離噴槍出口190-200mm左右達(dá)到480m/s以上的最高速度，在170-230mm的噴涂距離基本保持在480m/s以上，考慮到高溫火焰流對(duì)基體傳熱的不利影響，應(yīng)盡可能增大噴涂距離，因此，DJ高速火焰噴涂系統(tǒng)的合適噴涂距離應(yīng)為190-230毫米。與其他噴涂工藝相比，高速火焰噴涂的噴涂距離可調(diào)范圍相對(duì)較大，這是由于顆粒的高速運(yùn)動(dòng)。較大的噴涂距離可調(diào)范圍對(duì)實(shí)際生產(chǎn)非常有利，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)工件的形狀、尺寸和涂層厚度選擇合適的噴涂距離，從而獲得綜合性能良好的涂層。
(4)送粉量。對(duì)于任何熱噴涂工藝，送粉量都是影響涂層性能的重要參數(shù)。在特定的噴涂工藝條件下，某種粉末應(yīng)具有合適的送粉范圍。

如果輸送的粉末量太小，可能的不利影響是:
1)噴涂粉末過度熔化，粉末燒壞，產(chǎn)生濃煙，容易污染涂層。
2)每次噴涂不能完全覆蓋掃掠路徑，導(dǎo)致涂層孔隙率增加。
3)噴涂時(shí)間延長(zhǎng)，容易導(dǎo)致涂層過熱開裂，增加生產(chǎn)成本。

如果輸送的粉末量太大，可能的不利影響是:
1)粉末熔化不足會(huì)降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度并增加孔隙率。
2)涂層應(yīng)力增加，導(dǎo)致涂層開裂。
3)粉末沉積速率降低，生產(chǎn)成本增加。
研究表明，采用DJ體系噴涂碳化鎢鈷涂層時(shí)，涂層孔隙率為1.12-2%，顯微硬度為HV1000-1300，粉末沉積率為40-50%，涂層性能優(yōu)異。噴涂CrC-NiCr涂層時(shí)，當(dāng)送粉量在27-45g/min之間變化時(shí)，可獲得滿意的涂層質(zhì)量。

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