超音速火焰噴涂簡介（文字版　無需下載）

wanglinyou · 發表于 2006-9-22 20:06:13

　　1、超音速火焰噴涂原理

　　用作熱噴涂熱源的超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳氫系燃氣或氫氣等燃氣與高壓氧氣，或利用如煤油與酒精等液體燃料與高壓氧氣在特制的燃燒室內，或在特殊的噴嘴中燃燒產生的高溫高速燃燒焰流，其燃燒焰流速度可達 1500m ∕ s~2000m ∕ s （五馬赫）以上。

　　目前，習慣上通常被稱作 HVOF(High Velocity Oxy-Fuel 的頭文字 ) ，即高速氧燃料火焰噴涂。當火焰達到超音速火焰時，火焰中可以觀察到馬赫錐的存在。將粉末軸向或測向送進火焰流中，即可以實現粉末粒子的加熱與加速、涂層的沉積。由于火焰流的速度極高，噴涂粒子在被加熱至熔化或半熔化狀態同時，可以被加速到高達 300~650m ∕ s 的速度，從而獲得結合強度高、致密的高質量涂層。

　　超音速火焰由于受燃燒焰流溫度的限制，與等離子熱源相比，速度高而溫度低（約為 3000 ℃）、對于 WC-CO 系硬質合金，可以有效地抑制 WC 在噴涂過程中的分解，涂層不僅結合強度高、致密，而且可以最大限度地保留粉末中的硬質耐磨 WC 相，因此，涂層耐磨損性能優越，與爆炸噴涂層相當，大幅度超過等離子噴涂層，也優于電鍍硬鉻層與噴焊層，目前已獲得了廣泛的發展。

2、 HVOF 系統的發展狀態

　　噴涂方法與設備的發展對于涂層的制備具有重要的影響。超音速火焰噴涂是在八十年代初期，由美國 Browning 公司研制成功，并首先以 JET-KOTE 為商品推出 [1] 。經過多年的應用開發，其優點逐漸被認識和接受。由此，世界上發達國家，投入了大量的財力對 HVOF 進行研究和開發。于八十年代末九十年代初，先后又有數種 HVOF 噴涂系統研制成功，并投入市場。如金剛石射流（ Diamond-Jet ） [2] ，沖鋒槍（ Top-Gun ） [3] ，連續爆炸噴涂（ CDS, Continuous Detonation Spraying ） [4] ，射流槍（ J-Gun ） [5] ，高速空氣燃料系統（ HVAF, High Velocity Air-Fuel ） [6] 等。這些系統各有特點，如表 1 所示。涂層的質量在很大程度上取決于噴涂方法，但也將受到噴涂系統特點的影響。隨著 HVOF 的開發與應用，各種噴涂系統也均相應地進行了不斷改進與完善，為此，取代原型的新型 HVOF 噴涂系統不斷涌現，如 J-K 的改進型 Jet-Kote Ⅱ ,Top-Gun 的派生型 HV-2000 型，分別由 DJ 與 J-Gun 派生的 DJ-2600 ， DJ-2700 與 JP-5000 型 [7] 。最近又發表了高頻脈沖 HVOF 系統，通過控制可以使爆炸頻率遠高于傳統的爆炸噴涂。

　　基于系統發展過程及其速度特性， Jet-Kote 被稱為第一代 HVOF ， JP-5000 型與 DJ-2000 系列被稱為第三代 HVOF 系統。其它 HVOF 系統成為第二代 HVOF 。第一代與第二代 HVOF 具有類似的火焰速度特性，因此，涂層的沉積特性及其性能無大幅度的變化。第三代 HVOF 具有更高的速度，噴涂過程中粒子的熔化程度更有限，在噴涂過程中除了可以有效抑制 WC 的分解外，粒子在沉積過程中，將會產生明顯的噴丸效應，使涂層產生壓縮殘余應力，可以有效地提高涂層的表觀結合強度 [8] 。

　　基于 HVOF 在制備金屬陶瓷涂層時的特點，近年來又提出了主要依靠粒子的高速度制備涂層的新的方法，如 HVIF （ High Velocity Impact Fusion ）噴涂法 [9] ，冷噴涂法（ Cold Spraying ） [10] ，特別是冷噴工藝，由于可以制備氧化非常有限的金屬涂層，受到了廣泛的關注，目前發展很快。

　　在國內， HVOF 噴涂技術的發展也很受關注，噴涂系統主要依賴于進口，西安交通大學焊接研究所于 1995 年初研制成功了 CH-2000 （ CH ：為 Continuous Hypersonic ，或超音速的拼音的頭文字） HVOF 系統 [11] ，迄今使用該系統已經開展了大量的研究工作并成功的用于高性能耐磨涂層制備的應用 [12-21] 。

表 1 典型 HVOF 系統的特點

系統簡稱燃料種類主要特點相關初始型

Jet-Kote Ⅱ 氣體燃燒室與噴嘴垂直 Jet-Kote

DJ 2600 DJ 2700 氣體采用拉伐爾噴管。原 DJ 系列僅采用特殊收 DJ縮型噴嘴，用壓縮空氣冷卻槍體 DJ

CDS 氣體燃燒室與噴嘴同軸線

HV-2000 氣體可以使用低壓氣體，如乙炔 Top-Gun

JP-5000 液體采用拉伐爾噴管，粉末側向對稱送入，噴嘴口徑大，耗氧量大 J-Gun

HVAF 液體用壓縮空氣代替氧氣，并用其冷卻槍體

CH-2000 氣體燃燒室與噴嘴同軸線，氣體壓力流量均可調

wanglinyou · 發表于 2006-9-22 20:06:47

3、 HVOF 噴制的 WC-Co 涂層的結合強度

　　表 2 為采用 CH-2000 系統制備的典型涂層的結合強度及硬度測試結果。結合強度測試主要根據 ASTM 標準，采用圓棒試樣，在其一端經噴砂預處理后噴涂涂層，用粘結劑與另一圓棒對偶粘結在一起，通過拉伸試驗進行涂層結合強度測試。

　　結果表明對于 WC-Co 系與 Cr 3 C 2 -NiCr 系涂層斷裂通常發生在粘結劑處，結合強度通常都超過現有粘結劑的強度，即大于 70Mpa ，噴涂工藝參數等對結果影響較小 [21] 。

　　采用拉銷法測試表明， HVOF 金屬陶瓷涂層的結合強度可達到 150Mpa [22] 。

　　日本高溫學會熱噴涂試驗方法委員會組織日本企業各界采用普通拉伸法和拉銷法系統地對用等粒子噴涂與兩種 HVOF 噴涂系統、爆炸噴涂制備的 WC-Co 涂層的結合強度進行了對比試驗研究，其結果表明用普通拉伸法測試，等離子 WC-Co 涂層的結合強度約為 40Mpa, 而 HVOF 涂層和爆炸噴涂層的斷裂發生在粘結劑處，結合強度大于 70~80Mpa ；拉銷法結果表明 HVOF 涂層的結合強度與爆炸噴涂層相當，達到 150Mpa [23] 。但是，應該指出 HVOF 金屬涂層的結合強度受噴涂粒子熔化程度的影響很大 [19-20] ，當噴涂粒子達到完全熔化時，沉積的涂層的結合強度難以大幅度提高，而采用熔化有限的粒子制備涂層可以顯著提高涂層的結合 [19-20] 。

　表 2 CH-2000 型 HVOF 典型涂層特性

涂層硬度結合強度

WC-17Co 1280Hv >65Mpa

WC-12Co 1300Hv >65Mpa

NiCrBSi(Ni60) 900 Hv >65Mpa

Cr 3 C 2 -NiCr 900 Hv >90Mpa

說明：結合強度測試時，基體為低碳鋼，全部斷在膠中，為此結合強度大于表中的數值， Ni60 涂層采用 75~105 μm的粉末制備。

4、 HVOF WC-Co涂層的耐磨損性能

4.1噴涂工藝條件對HVOF WC-Co涂層耐磨損性能的影響

　　HVOF工藝條件直接影響粒子的加熱與加速特性，決定粒子的溫度、速度以及在火焰流中的停留時間，從而影響涂層的組織結構，特別是涂層中WC顆粒的含量與大小、涂層的致密度。因此，在HVOF噴涂系統不斷發展的同時，進行了大量的關于涂層結構與性能變化規律的工藝研究。

　　文獻[24]對HVOF WC-Co系涂層的結構變化規律進行了詳細的評述。涂層中的WC顆粒的大小及含量對涂層的耐磨損性能影響顯著。圖1為CH-2000系統在兩種不同條件下制備的涂層的磨粒磨損試驗結果[17]，表明噴涂條件對涂層耐磨性具有較大的影響。噴涂粉末為自貢硬質合金廠生產，磨損試驗采用SUGA（日本）試驗機進行，試驗條件與后述的表3、圖2及圖5相同。

圖 1噴涂條件對WC-17Co涂層磨損量的影響

4.2粉末種類對涂層耐磨性能的影響

　　表 2為四種典型WC-Co粉末采用Jet-Kote噴槍制備的涂層的磨損試驗結果[25]。粉末的結構對涂層的結構影響顯著，1-型粉末噴涂后，WC分解嚴重，涂層中存在著大量的金屬W[26]，4-型粉末在沉積涂層時，由于包覆層熔化而芯部WC仍為固態，發生熔融相的優先沉積與芯部WC顆粒反彈的現象[27]，涂層主要由Co-W-C合金構成，基于沉積過程的快速冷卻特征，該合金以非晶結構存在于噴態涂層中[28]。

　　與3-型聚合粉末相比，由金屬Co將細小WC致密地粘結在一起的2-型粉末，WC在噴涂過程中更有限[29]。為此，涂層的耐磨粒磨損性能最優。另一方面，對于WC非常容易分解的1-型粉末，通過采用加熱強度低的火焰等合適的工藝條件可將WC的分解程度限制在W 2 C的范圍內，可以大幅度提高涂層的耐磨損性能[29]。

　　HVOF WC-Co涂層磨損特征的理論與實驗表明，涂層的耐磨粒磨損性能與WC顆粒相對大小的平方根呈反比，與其含量呈正比[25]。因此，需要選擇WC顆粒細小的粉末。

表 3典型粉末制備的HVOF涂層結構特點及其磨損量比較

粉末類型 1- 型 2 - 型 3- 型 4- 型

制造方法燒結 - 粉碎燒結 - 粉碎聚合制粉包覆型

公稱成分 WC-12Co WC-12Co WC-17Co WC-18Co

粉末結構特點粉末致密， WC 顆粒細小分布均勻，分布均勻，粘結在粗大的 WC均勻，粘結相為 Co 3 W 3 C 復合碳化物粉末致密，WC顆粒細小分布均勻，粘結相為 Co 粉末疏松，WC顆粒細小分布均勻，粘結相為 Co Co均勻包覆在粗大的WC表面

涂層結構特點涂層致密,大部分WC分解為W 涂層致密,WC 分解非常有限涂層致密,WC 分解有限致密的CO-W -C 非晶合金為主成分，存在有限的WC

磨損量（ mg ） 14 6 10 19

5、 HVOF 涂層與其它方法制備的涂層的性能比較

5.1 與其它熱噴涂方法的比較

HVOF WC-Co 涂層的硬度可以達到 1100 — 1300Hv ，與爆炸噴涂層相當，顯著高于等離子噴涂層，一般等離子 WC-Co 涂層的顯微硬度為 800 — 1000Hv 。表 2 為文獻 [30] 所報導的幾種涂層的硬度值。

表 2 幾種 WC-Co 涂層與電鍍硬鉻層的硬度 [30]

涂層 HVOF HVOF 電鍍硬鉻層爆炸噴涂

成分 WC-12Co WC-27NiCr Cr WC-13Co

硬度（ Hv 0.3 ） 1100~1270 1000~1100 800~900 1100~1200

　　圖 2 為 HVOF WC-12Co 涂層與爆炸噴涂 WC-13Co 涂層的耐磨料磨損試驗結果比較 [30] 。試驗采用 SUGA （日本）型磨損試驗機， HVOF 采用 Jet-Kote 系統。

　　其中，實線表示表面為噴涂狀態下的涂層的試驗結果，而點線表示表面精磨至 Ra=0.2 μm后的試驗結果。結果說明無論在那種表面狀態下，HVOF涂層的耐磨損性能超過了爆炸噴涂層。

　　圖 3為三種方法制備的涂層，即等離子噴涂層、HVOF涂層、爆炸噴涂層的磨粒磨損試驗結果[31]。磨損試驗采用的干式橡膠輪磨損試驗機，HVOF采用連續爆炸噴涂CDS系統。

　　其中：1、4、6號所示結果分別為HVOF、等離子、爆炸噴涂制備的WC-12Co涂層的試驗結果。2、3、5分別為HVOF WC-12%Ni,WC-10%Co-4%Cr,WC∕TiC-15%Ni涂層的試驗結果。比較WC-Co涂層，表明HVOF涂層與爆炸噴涂相當，而顯著優于等離子涂層。

　　從以上結果可以看出， HVOF可以獲得耐磨損性能顯著優于等離子涂層，而優于或相當于爆炸噴涂的耐磨涂層。

5.2 HVOF涂層與火焰噴焊層

　　自熔合金噴焊層由于通過涂層的重熔，不僅能獲得無氣孔致密的、耐磨損性能及耐腐蝕性能優越的涂層，而且，可使涂層與基體達到冶金結合，在國民經濟的各領域得到了廣泛的應用，獲得了良好的效果 [32]。

　　但是，涂層的重熔工藝要求將工件表面加熱到1000℃以上，加熱溫度高，不僅容易引起基體組織和性能的變化，而且，還會產生巨大的熱應力，從而引起變形，對于要求比較嚴格的近終成形的零件，就難以適用。HVOF涂層的優越性能為取代噴焊層提供了可能。

　圖 4各類HVOF噴涂層與NiCrBSi噴焊層，電鍍硬鉻層的耐磨料磨損性能試驗結果的比較例[33]。HVOF采用DJ系統噴制。圖中，NiCrBSi（相當于Ni60）噴焊層的耐磨損性作為1進行相對比較，該結果也說明通過選擇合適的涂層材料，可以得到性能優于噴焊與電鍍硬鉻層的HVOF涂層。

5.3 HVOF 涂層與電鍍硬鉻層

　　電鍍硬鉻層作為提高材料表面耐磨損性能的方法，由于可以在低溫下進行電鍍，涂層硬度高，同時，形成涂層后可以不需要進行加工，因此，作為已經精加工成最終形狀的零件表面涂層強化方法，應用非常廣泛。

　　但是，對于尺寸較大的零部件，電鍍加工就難以適用，同時，硬鉻層的最高使用溫度約為 350 ℃，受到限制。此外，由于不可避免地存在著環境污染問題，隨著對環境保護的要求越來越嚴，成本將會越來越高。因此，開發可以替代電鍍硬鉻層的涂層技術有著重要的意義。

　　圖 5 為電鍍硬鉻層與 HVOF WC-Co 涂層的耐磨料磨損試驗結果的比較例 [30] 。 HVOF 涂層采用 Jet-Kote 系統噴制。結果說明 HVOF 硬質合金涂層的耐磨損性能顯著優于電鍍硬鉻層。圖 4 所示結果也證明了上述結論。

　　以上結果充分說明， HVOF 涂層完全可以取代電鍍硬鉻層。為此，迄今有許多關于用 HVOF 替代硬鉻技術的研究報道。

wanglinyou · 發表于 2006-9-22 20:07:00

6、 HVOF 涂層的典型應用實例簡介

　　HVOF 涂層由于具有優越的性能，其應用已遍及從航空發動機、民用汽輪機、到石油化工、汽車、鋼鐵冶金、造紙、生物醫學等的各個領域。不僅用于磨損件的修復，而且更多的是用作 OEM 的新裝設備的性能強化。

　　文獻 [34] 介紹了美國應用 HVOF 涂層的情況。自從 HVOF 在航空發動機部件，如壓縮機葉片，壓縮機靜子葉片，軸承套等零部件上應用以來，已經基本實現了標準化，用來代替以前使用的爆炸噴涂層，旨在降低成本。美國噴氣式發動機制造商在完成了實驗室試驗的基礎上，對鈦合金表面的 HVOF WC-Co 涂層進行實機實驗，文章指出盡管實驗仍在進行之中，根據以前的經驗推測 HVOF 涂層將能獲得滿意的結果，而實驗的成功將能大大降低涂層的成本。 HVOF McrA1Y 涂層在汽輪機第一級靜葉片上的實際使用證明效果良好，可以代替比較昂貴的低氣壓等離子涂層和電子束物理氣相沉積涂層。

　　在造紙行業，各種工作輥輪為了保持良好的表面光潔度，有些需要隔半個月到四個月必須精磨一次。經涂覆 100 μm后的鏡面HVOF WC-Co涂層，使用15個月后，涂層表面光潔度幾乎還與初始表面一樣[35]。

　　熱浸鍍鋅槽中的沉沒輥，一般采用鉻 13，或噴涂自熔合金，由于處于熔融的鋅液中，受鋅液熔蝕嚴重，因此，壽命很短，一般只有5—10天。通過噴涂HVOF WC-Co涂層，改善了耐融蝕性，使輥的壽命增加2 -8倍以上[36]。

　　有色金屬二次加工軋輥經過采用HVOF噴涂層，壽命顯著提高。如A1板冷軋線上的成形輥、輸送輥等經噴涂HVOF WC金屬陶瓷涂層后，上的成形輥、輸送輥等經噴涂HVOF WC金屬陶瓷涂層后，其壽命可以從0.5-1年，延長到2-3年[37]。

　　文獻 [38]總結了熱噴涂技術在鋼鐵冶金中應用及其效果。隨著熱噴涂技術的應用，各類易損件的壽命顯著提高，從而顯著提高了冶金產品的質量與成品率。如對于鋼板解卷或繞卷的張力輥，采用電鍍硬鉻強化時，壽命僅為2.5個月，而采用HVOF噴涂1㎜的WC-Co涂層，使用5年后，仍然在繼續使用。對于鋼廠自備電廠中的鍋爐管道噴涂0.25㎜厚的HVOF Cr 3 C 2 -NiCr涂層，試驗預測可以提高管道壽命10倍到15倍。

　　在石油化工領域， HVOF廣泛用于強化軸塞桿。爆炸噴涂制備的WC-17%Co涂層成功地用在鉆頭（Tricone drill bits）,鉆干（Rotors）[34]。根據爆炸涂層與HVOF涂層性能比較結果，認為HVOF也完全可以應用于這些零部件。對于工作在溫度高達540℃，壓力高達140Mpa的含有腐蝕性砂漿的管線中的金屬座球閥，HVOF WC-Co涂層，Cr 3 C 2 -NiCr涂層，Fe-Cr-Ni-Mo涂層，WC-Ni涂層的應用，大幅度提高了球閥的耐腐蝕和耐沖蝕性能，提高了使用可靠性和壽命[39]。

7 、結束語

　　HVOF 噴涂技術的發展是噴涂系統的開發與應用開發并行發展的。經過近 20 年的研究開發，該技術已經趨向于成熟。以上有限的應用實例充分說明 HVOF 涂層，可以顯著提高零部件的質量與壽命。

　　隨著對產品質量、可靠性的要求不斷提高，對產品高附加價值要求的提高， HVOF 的應用領域將不斷擴大，除了傳統采用熱噴涂強化的工業領域的應用外，其它涉及到所有裝配有易磨損零部件的機器、設備， HVOF 都將會獲得廣泛的應用。作為對環境友好取代電鍍硬鉻的工藝， HVOF 也具有很大的潛力。

　　但是，在應用 HVOF 時，也應該注意到涂層的性能取決于涂層的結構，而涂層的結構又受到噴涂工藝條件、對于 WC-Co 硬質合金，特別還顯著受到噴涂粉末結構的影響。此外，基體材料種類與噴涂材料種類直接影響著 HVOF 涂層與基體的結合。為此，噴涂粉末的選擇與噴涂工藝的優化等對于有效地發揮 HVOF 技術的潛力具有重要影響。

zsk2000 · 發表于 2006-9-22 22:25:07

不錯，不錯。

不過就是所說的圖片看不到呀。

LZ是從事熱噴涂的嗎？

最好把熱噴涂工藝系統的給發上來，以便我輩學習，呵呵、、、

lfuguang · 發表于 2007-10-8 16:45:49

說的非常好，但是，參考文獻怎么都沒有啊？

lfuguang · 發表于 2007-10-8 21:47:04

樓主，你的這篇文章有沒有發表？很想有機會拜讀一下阿。

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