1.技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵
1).高速燃?xì)鈬娡吭O(shè)備
高速燃?xì)鈬娡吭O(shè)備并不復(fù)雜，它由噴涂槍，送粉器，控制系統(tǒng)及供氣系統(tǒng)等組成。圖1是DeloroStellite公司的Jet KoteⅡ系統(tǒng)的示意圖。
圖1 高速燃?xì)鈬娡吭O(shè)備
1-噴涂槍 2-冷卻水 3-控制箱 4-送粉器 5-氣體供給
圖2 Jet Kote高速燃?xì)鉄釃娡繃娡繕?/p>
1-超音速火焰 2-冷卻水 3-噴嘴 4-燃燒室
5-由氣流輸送的粉末 6-冷卻水 7-氧氣 8-燃?xì)?/p>
高速燃?xì)鈬娡繕屜褚粋�小型的火箭發(fā)動機(jī)，圖2顯示了Jet Kote噴涂槍的結(jié)構(gòu)。它由封閉的燃燒室和噴嘴組成。燃?xì)馀c氧氣以0.5～3.5MPa的壓力和高達(dá)0.016m3/s的流量注入到燃燒室中，混合氣連續(xù)燃燒，燃燒產(chǎn)物劇烈膨脹，從一個長噴嘴噴出，形成超音速火焰。作為高溫超音速氣流的征兆，可以看到火焰中明暗相間的菱形激波。粉末的噴涂材料從燃燒室與噴嘴相接處注入到噴嘴，進(jìn)入到焰流的中心，經(jīng)加熱與加速，獲得很高的動能而從噴嘴噴出。噴涂粒子在燃燒產(chǎn)物中不會受到氧化。由于粒子處于焰流的中心，在離開噴嘴到達(dá)工件表面的過程中，受到的氧化也極其輕微，燃燒室中火焰的溫度通常不超過3000℃。從噴嘴噴出的焰流溫度會更低。其速度則與燃燒室壓力直接相關(guān)。初期的Jet Kote可以達(dá)到1770m/s 的火焰平均速度，它可以將直徑為5～45μm的WC-Co粒子噴涂粒子加速到315m/s的高飛行速度。這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他熱噴涂方法所能達(dá)到的速度。但這還只是高速燃?xì)鈬娡康淖畛跛�。�?984年初，經(jīng)改進(jìn)的Jet KoteⅡ的粒子速度又有大幅度的提高，計算的粒子速度要超過800m/s。噴涂的碳化鎢涂層硬度已經(jīng)明顯高于D-Gun涂層的水平。
各家公司商品化的高速燃?xì)鉄釃娡繕尩木唧w結(jié)構(gòu)在冷卻方式，粉末注入方式(徑向或軸向)，燃料的成分與流量，燃燒室的形狀與工作壓力，粉末注入的部位以及噴嘴的形式與長度等方面各有差異，由于焰流的熱焓非常高，絕大多數(shù)的噴槍都使用水冷，以防止噴嘴的熔化或損壞。冷卻水的溫度直接影響到焰流的熱焓及粒子加熱的程度。從而成為重要的工藝參數(shù)之一，不同的噴槍在噴涂中粒子達(dá)到的溫度與速度是不同的，從而也獲得不同的涂層質(zhì)量。
Jet Kote噴槍的燃燒室是噴槍的手柄，它與噴嘴成直角。這種設(shè)計是為了便于向噴嘴中注入粉末噴涂材料。氧與燃?xì)獾娜紵a(chǎn)物由燃燒室通過4個孔道進(jìn)入到噴嘴，噴涂粉末就在這個部位注入到焰流中。Top Gun，HV-2000以及CDS等噴槍在氣體燃燒的同時即將粉末注入，焰流與粉末的方向都是軸向的。Top Gun的燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)的設(shè)計獨特，使它能夠使用包括乙炔在內(nèi)的多種燃?xì)�。其他公司的噴涂槍均不能使用乙炔作為燃�(xì)狻６褂帽�，丙烯或氫等。Metco的Diamond Jet沒有燃燒室和長噴嘴。它用一個環(huán)形的壓縮空氣噴嘴來約束燃?xì)饬�，也不必使用水冷措施，噴槍簡單輕便。Tafa公司的JP-5000與其他的噴槍差別較大。它使用煤油做燃料，燃燒室的壓力更高(達(dá)1.7MPa)。粉末從徑向燃燒室與噴嘴相接的喉管處注入。由于這個部位壓力較低，粉末與焰流的混合與加熱得到改善。更高的燃燒室壓力提供了更高的粒子速度，涂層質(zhì)量進(jìn)一步提高。
2). 工藝特點
參考文獻(xiàn)報道的高速燃?xì)鈬娡繒r的燃?xì)馑俣葹?370～2930m/s。與之相應(yīng)的噴涂粒子飛行速度為480～1020m/s。高速燃?xì)庋媪鞯牡湫蜏囟热Q于燃料種類及反應(yīng)條件，在1650到2760℃之間。這差不多比等離子噴涂時的溫度低10000℃。由于很高的燃燒室壓力及較長的噴嘴長度，粒子在焰流中可以得到很好的加速與有效的熱交換。不過，噴涂粒子仍難以加熱到充分熔化的程度，更不會過熱。而速度極高，有很大的動量的粒子在撞擊基體表面時會發(fā)生足夠的變形，使涂層非常致密，結(jié)合可靠，氧化物細(xì)小分散。粒子的加熱時間取決于噴嘴的長度。依噴槍結(jié)構(gòu)，噴涂材料的種類以及粒度分布的不同，噴嘴長度通常在75～305mm之間。粒子的加熱程度對工藝過程十分關(guān)鍵。過分的加熱會導(dǎo)致熔化的粒子黏附于噴嘴內(nèi)壁，噴嘴內(nèi)壁的堆積會嚴(yán)重影響噴涂的正常進(jìn)行。防止這種堆積現(xiàn)象是高速燃?xì)鈬娡康囊粋�重要問題。
3). 噴涂材料
高速燃?xì)鉄釃娡考夹g(shù)始于碳化鎢涂層，但是它可以實現(xiàn)任何金屬、合金以及復(fù)合粉末的噴涂。噴涂材料的種類與應(yīng)用不斷發(fā)展。為了得到最佳的噴涂效果，對于粉末粒子的粒度及其分布有相當(dāng)苛刻要求。過分微細(xì)的粉末粒子會在焰流中熔化而沉積在長噴嘴的內(nèi)壁，使噴涂工作不能長時間地連續(xù)進(jìn)行。粉末的形態(tài)和制造工藝對其使用性能也有顯著的影響，專用的噴涂粉末的沉積率通常可以達(dá)到70%～75%�，F(xiàn)在商品化的高速燃?xì)鉄釃娡恳呀?jīng)有上百種。
2.優(yōu)缺點及使用范圍
高速燃?xì)鈬娡康淖钔怀龅膬?yōu)點在于可以噴涂高質(zhì)量的碳化鎢涂層。涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高，氧化物含量低。它用于航空與空間技術(shù)，泵及壓縮機(jī)軸，閥門，密封面，造紙業(yè)的輥子以及石化工業(yè)中需要耐磨耐腐蝕的場合。HVOF比等離子噴涂層具有更高的結(jié)合強(qiáng)度，低氧化物含量，更好的耐磨性能以及更高的沉積率。由于涂層內(nèi)應(yīng)力較低，涂層可以更厚。而且HVOF噴涂時需要控制的參數(shù)只有等離子噴涂的一半，因而噴涂簡單，涂層質(zhì)量重復(fù)性好。
由于HVOF的溫度較低，一般說來不適于陶瓷材料的噴涂。但是有的噴涂槍(例如 Top Gun，HV-2000)具有較高的加熱能力，可以獲得十分致密的陶瓷涂層。
用HVOF涂層代替鍍硬鉻層已經(jīng)取得很大的成功。這免除了非常困難的電鍍廢液處理問題，也解決了厚鍍層(0.5mm以上)電鍍的困難。
HVOF帶來的涂層質(zhì)量的提高使熱噴涂層的應(yīng)用領(lǐng)域也有了新飛躍。噴涂的Inconel涂層已經(jīng)成功地解決了某些應(yīng)力腐蝕問題。用HVOF涂層取代耐腐蝕的堆焊層的工作也有樂觀的進(jìn)展。
HVOF的缺點在于較高的使用成本與高噪音，為了在很高的粒子速度下對粒子進(jìn)行足夠的加熱，它需要很高的熱功率，從而需要非常高的燃料與氧氣消耗量。相當(dāng)比例的熱能要損失于冷卻水。例如JP-5000在工作時，冷卻水帶走80kW，占總?cè)紵裏崮艿?0%。很高的熱功率也使工件基體受到強(qiáng)烈的加熱。這需要通過強(qiáng)烈冷卻基體�；蛴煤芨叩臉屌c工件的相對移動速度來解決。這也進(jìn)一步提高了使用成本。
