超音速火焰喷涂简介

维摩诘

1、 超音速火焰喷涂原理
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" L" |* p: |. }( f6 t　　用作热喷涂热源的超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气等燃气与高压氧气，或利用如煤油与酒精等液体燃料与高压氧气在特制的燃烧室内，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速燃烧焰流，其燃烧焰流速度可达 1500m ∕ s~2000m ∕ s （五马赫）以上。
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- s1 ]1 V# L9 Y# U　　目前，习惯上通常被称作 HVOF(High Velocity Oxy-Fuel 的头文字 ) ，即高速氧燃料火焰喷涂。当火焰达到超音速火焰时，火焰中可以观察到马赫锥的存在。将粉末轴向或测向送进火焰流中，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同时，可以被加速到高达 300~650m ∕ s 的速度，从而获得结合强度高、致密的高质量涂层。
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- Y$ o7 J" O+ c3 g+ W9 n　　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，速度高而温度低（约为 3000 ℃）、对于 WC-CO 系硬质合金，可以有效地抑制 WC 在喷涂过程中的分解，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发展。
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2、 HVOF 系统的发展状态

　　喷涂方法与设备的发展对于涂层的制备具有重要的影响。超音速火焰喷涂是在八十年代初期，由美国 Browning 公司研制成功，并首先以 JET-KOTE 为商品推出 [1] 。经过多年的应用开发，其优点逐渐被认识和接受。由此，世界上发达国家，投入了大量的财力对 HVOF 进行研究和开发。于八十年代末九十年代初，先后又有数种 HVOF 喷涂系统研制成功，并投入市场。如金刚石射流（ Diamond-Jet ） [2] ，冲锋枪（ Top-Gun ） [3] ，连续爆炸喷涂（ CDS, Continuous Detonation Spraying ） [4] ，射流枪（ J-Gun ） [5] ，高速空气燃料系统（ HVAF, High Velocity Air-Fuel ） [6] 等。这些系统各有特点，如表 1 所示。涂层的质量在很大程度上取决于喷涂方法，但也将受到喷涂系统特点的影响。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-Kote Ⅱ ,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 [7] 。最近又发表了高频脉冲 HVOF 系统，通过控制可以使爆炸频率远高于传统的爆炸喷涂。
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; R: @( i$ I' n, ]# y0 u' B$ r　　基于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 DJ-2000 系列被称为第三代 HVOF 系统。其它 HVOF 系统成为第二代 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 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 [8] 。

　　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 （ High Velocity Impact Fusion ）喷涂法 [9] ，冷喷涂法（ Cold Spraying ） [10] ，特别是冷喷工艺，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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　　在国内， HVOF 喷涂技术的发展也很受关注，喷涂系统主要依赖于进口，西安交通大学焊接研究所于 1995 年初研制成功了 CH-2000 （ CH ：为 Continuous Hypersonic ，或超音速的拼音的头文字） HVOF 系统 [11] ，迄今使用该系统已经开展了大量的研究工作并成功的用于高性能耐磨涂层制备的应用 [12-21] 。
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表 1 典型 HVOF 系统的特点

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  K* E6 \  F8 j$ Z" R8 J9 @系统简称  燃料种类  主要特点  相关初始型
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Jet-Kote Ⅱ  气体  燃烧室与喷嘴垂直  Jet-Kote

DJ 2600 DJ 2700  气体  采用拉伐尔喷管。原 DJ 系列仅采用特殊收 DJ缩型喷嘴，用压缩空气冷却枪体  DJ
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CDS  气体  燃烧室与喷嘴同轴线  
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HV-2000  气体  可以使用低压气体，如乙炔  Top-Gun
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6 T/ O$ e8 _$ N) D2 PJP-5000  液体  采用拉伐尔喷管，粉末侧向对称送入，喷嘴口径大，耗氧量大  J-Gun

: _1 q9 v! r6 O- a' o7 ~( `HVAF  液体  用压缩空气代替氧气，并用其冷却枪体  

( m8 `0 Y2 l2 B. u' bCH-2000  气体  燃烧室与喷嘴同轴线，气体压力流量均可调
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* b) s3 Z9 ]7 ^, Z3、 HVOF 喷制的 WC-Co 涂层的结合强度

1 U2 C% ?  T# d* y: T: w　　表 2 为采用 CH-2000 系统制备的典型涂层的结合强度及硬度测试结果。结合强度测试主要根据 ASTM 标准，采用圆棒试样，在其一端经喷砂预处理后喷涂涂层，用粘结剂与另一圆棒对偶粘结在一起，通过拉伸试验进行涂层结合强度测试。

5 e$ d; x9 |) o6 D' Q! e/ Y　　结果表明对于 WC-Co 系与 Cr 3 C 2 -NiCr 系涂层断裂通常发生在粘结剂处，结合强度通常都超过现有粘结剂的强度，即大于 70Mpa ，喷涂工艺参数等对结果影响较小 [21] 。
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1 S! t# a) K5 H4 K　　采用拉销法测试表明， HVOF 金属陶瓷涂层的结合强度可达到 150Mpa [22] 。
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　　日本高温学会热喷涂试验方法委员会组织日本企业各界采用普通拉伸法和拉销法系统地对用等粒子喷涂与两种 HVOF 喷涂系统、爆炸喷涂制备的 WC-Co 涂层的结合强度进行了对比试验研究，其结果表明用普通拉伸法测试，等离子 WC-Co 涂层的结合强度约为 40Mpa, 而 HVOF 涂层和爆炸喷涂层的断裂发生在粘结剂处，结合强度大于 70~80Mpa ；拉销法结果表明 HVOF 涂层的结合强度与爆炸喷涂层相当，达到 150Mpa [23] 。但是，应该指出 HVOF 金属涂层的结合强度受喷涂粒子熔化程度的影响很大 [19-20] ，当喷涂粒子达到完全熔化时，沉积的涂层的结合强度难以大幅度提高，而采用熔化有限的粒子制备涂层可以显著提高涂层的结合 [19-20] 。

3 C: j6 y/ N; v, \　表 2 CH-2000 型 HVOF 典型涂层特性
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涂层  硬度  结合强度

WC-17Co  1280Hv  >65Mpa
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3 @$ }$ h. }8 T! |9 Z- f, G1 BWC-12Co  1300Hv  >65Mpa

NiCrBSi(Ni60)  900 Hv  >65Mpa
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Cr 3 C 2 -NiCr  900 Hv  >90Mpa
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7 P" o3 a: }3 u说明：结合强度测试时，基体为低碳钢，全部断在胶中，为此结合强度大于表中的数值， Ni60 涂层采用 75~105 μm的粉末制备。
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4、 HVOF WC-Co涂层的耐磨损性能
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; V5 e6 b1 ~& F( J; f7 e7 s4.1喷涂工艺条件对HVOF WC-Co涂层耐磨损性能的影响

　　HVOF工艺条件直接影响粒子的加热与加速特性，决定粒子的温度、速度以及在火焰流中的停留时间，从而影响涂层的组织结构，特别是涂层中WC颗粒的含量与大小、涂层的致密度。因此，在HVOF喷涂系统不断发展的同时，进行了大量的关于涂层结构与性能变化规律的工艺研究。

　　文献[24]对HVOF WC-Co系涂层的结构变化规律进行了详细的评述。涂层中的WC颗粒的大小及含量对涂层的耐磨损性能影响显著。图1为CH-2000系统在两种不同条件下制备的涂层的磨粒磨损试验结果[17]，表明喷涂条件对涂层耐磨性具有较大的影响。喷涂粉末为自贡硬质合金厂生产，磨损试验采用SUGA（日本）试验机进行，试验条件与后述的表3、
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5 ?+ u  J. s: ~4.2粉末种类对涂层耐磨性能的影响

4 V2 l' a( q! \3 _　　表 2为四种典型WC-Co粉末采用Jet-Kote喷枪制备的涂层的磨损试验结果[25]。粉末的结构对涂层的结构影响显著，1-型粉末喷涂后，WC分解严重，涂层中存在着大量的金属W[26]，4-型粉末在沉积涂层时，由于包覆层熔化而芯部WC仍为固态，发生熔融相的优先沉积与芯部WC颗粒反弹的现象[27]，涂层主要由Co-W-C合金构成，基于沉积过程的快速冷却特征，该合金以非晶结构存在于喷态涂层中[28]。

　　与3-型聚合粉末相比，由金属Co将细小WC致密地粘结在一起的2-型粉末，WC在喷涂过程中更有限[29]。为此，涂层的耐磨粒磨损性能最优。另一方面，对于WC非常容易分解的1-型粉末，通过采用加热强度低的火焰等合适的工艺条件可将WC的分解程度限制在W 2 C的范围内，可以大幅度提高涂层的耐磨损性能[29]。
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! \9 `# z+ p0 k　　HVOF WC-Co涂层磨损特征的理论与实验表明，涂层的耐磨粒磨损性能与WC颗粒相对大小的平方根呈反比，与其含量呈正比[25]。因此，需要选择WC颗粒细小的粉末。
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表 3典型粉末制备的HVOF涂层结构特点及其磨损量比较
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$ `+ ~7 x$ ~' s) H" B% ?粉末类型  1- 型  2 - 型  3- 型  4- 型
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制造方法  烧结 - 粉碎  烧结 - 粉碎  聚合制粉  包覆型
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# O0 ?3 S( u; D: v4 U% ?公称成分  WC-12Co  WC-12Co  WC-17Co  WC-18Co
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+ m* Y9 V3 Q9 B& B4 X0 y粉末结构特点  粉末致密， WC 颗粒细小分布均匀， 分布均匀，粘结 在粗大的 WC均匀，粘结相 为 Co 3 W 3 C 复合碳化物  粉末致密，WC颗粒细小分布均匀，粘结相为 Co  粉末疏松，WC颗粒细小分布均匀，粘结相为 Co  Co均匀包覆在粗大的WC表面

涂层结构特点  涂层致密,大部分WC分解为W  涂层致密,WC 分解非常有限  涂层致密,WC 分解有限  致密的CO-W -C 非晶合金 为主成分，存在有限的WC
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磨损量（ mg ）  14  6  10  19

" N# x% L) p2 x& o5、 HVOF 涂层与其它方法制备的涂层的性能比较
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+ M7 s! R# F! ~: ~  l# y  a5.1 与其它热喷涂方法的比较
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HVOF WC-Co 涂层的硬度可以达到 1100 — 1300Hv ，与爆炸喷涂层相当，显著高于等离子喷涂层，一般等离子 WC-Co 涂层的显微硬度为 800 — 1000Hv 。表 2 为文献 [30] 所报导的几种涂层的硬度值。

表 2 几种 WC-Co 涂层与电镀硬铬层的硬度 [30]

- M& R7 [. g. N9 I4 l% x! `( T' E涂层  HVOF  HVOF  电镀硬铬层  爆炸喷涂

( m% c/ `2 }# z3 b3 R成分  WC-12Co  WC-27NiCr  Cr  WC-13Co

9 n4 U1 A4 n1 o4 ~6 [) n8 l: O硬度（ Hv 0.3 ）  1100~1270  1000~1100  800~900  1100~1200

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　　 WC-13Co 涂层的耐磨料磨损试验结果比较 [30] 。试验采用 SUGA （日本）型磨损试验机， HVOF 采用 Jet-Kote 系统。
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　　其中，实线表示表面为喷涂状态下的涂层的试验结果，而点线表示表面精磨至 Ra=0.2 μm后的试验结果。结果说明无论在那种表面状态下，HVOF涂层的耐磨损性能超过了爆炸喷涂层。

　　为三种方法制备的涂层，即等离子喷涂层、HVOF涂层、爆炸喷涂层的磨粒磨损试验结果[31]。磨损试验采用的干式橡胶轮磨损试验机，HVOF采用连续爆炸喷涂CDS系统。
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. f+ |% f3 m0 n7 ?+ h1 c　　其中：1、4、6号所示结果分别为HVOF、等离子、爆炸喷涂制备的WC-12Co涂层的试验结果。2、3、5分别为HVOF WC-12%Ni,WC-10%Co-4%Cr,WC∕TiC-15%Ni涂层的试验结果。比较WC-Co涂层，表明HVOF涂层与爆炸喷涂相当，而显著优于等离子涂层。

0 M/ r* t# M+ E1 `7 X　　从以上结果可以看出， HVOF可以获得耐磨损性能显著优于等离子涂层，而优于或相当于爆炸喷涂的耐磨涂层。
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5.2 HVOF涂层与火焰喷焊层
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　　自熔合金喷焊层由于通过涂层的重熔，不仅能获得无气孔致密的、耐磨损性能及耐腐蚀性能优越的涂层，而且，可使涂层与基体达到冶金结合，在国民经济的各领域得到了广泛的应用，获得了良好的效果 [32]。
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5 l* s. b) s6 ~, f- C" e& k: m1 [　　但是，涂层的重熔工艺要求将工件表面加热到1000℃以上，加热温度高，不仅容易引起基体组织和性能的变化，而且，还会产生巨大的热应力，从而引起变形，对于要求比较严格的近终成形的零件，就难以适用。HVOF涂层的优越性能为取代喷焊层提供了可能。

　图 4各类HVOF喷涂层与NiCrBSi喷焊层，电镀硬铬层的耐磨料磨损性能试验结果的比较例[33]。HVOF采用DJ系统喷制。图中，NiCrBSi（相当于Ni60）喷焊层的耐磨损性作为1进行相对比较，该结果也说明通过选择合适的涂层材料，可以得到性能优于喷焊与电镀硬铬层的HVOF涂层。
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1 F0 \+ {% P- `4 V2 h5.3 HVOF 涂层与电镀硬铬层
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　　电镀硬铬层作为提高材料表面耐磨损性能的方法，由于可以在低温下进行电镀，涂层硬度高，同时，形成涂层后可以不需要进行加工，因此，作为已经精加工成最终形状的零件表面涂层强化方法，应用非常广泛。
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( K3 [9 q9 o6 j7 v　　但是，对于尺寸较大的零部件，电镀加工就难以适用，同时，硬铬层的最高使用温度约为 350 ℃，受到限制。此外，由于不可避免地存在着环境污染问题，随着对环境保护的要求越来越严，成本将会越来越高。因此，开发可以替代电镀硬铬层的涂层技术有着重要的意义。

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0 ?* I+ I# [9 [. w1 D4 w/ r+ r# a　　 HVOF 涂层采用 Jet-Kote 系统喷制。结果说明 HVOF 硬质合金涂层的耐磨损性能显著优于电镀硬铬层。图 4 所示结果也证明了上述结论。
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; @4 N+ u7 l  L( Y% b2 v5 [　　以上结果充分说明， HVOF 涂层完全可以取代电镀硬铬层。为此，迄今有许多关于用 HVOF 替代硬铬技术的研究报道。