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  介紹了一種新型的超音速火焰噴涂技術(shù)———活性燃燒高速燃氣噴涂(AC-HVAF) ,該工藝的噴涂過程對噴涂材料的氧化及熱退化影響非常小,可以制備出極低氧化物含量和極高致密度的涂層 , 該涂層具有優(yōu)越的耐磨損和耐腐蝕能力 , 同時其噴涂速度和沉積效率均優(yōu)于傳統(tǒng)超音速火焰噴涂 (HVOF) 。

前 　言

  熱噴涂技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,與其他技術(shù)相比, 有許多優(yōu)越性 ,20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的超音速火焰噴涂更促進了熱噴涂技術(shù)的發(fā)展 , 擴大了其應(yīng)用領(lǐng)域。氧與燃料以高速、高壓噴入燃燒室 , 燃燒后產(chǎn)生 2 727 ℃的高溫和1500 m/s 的高速膨脹氣流 , 噴涂粉末送入這種氣流中 , 粉末顆粒被加熱并被加速噴射到基體上 ,得到高質(zhì)量的涂層。

  對于許多金屬、合金、金屬陶瓷等材料 ,尤其是WC-Co材料,超音速火焰噴涂涂層的硬度、致密度及結(jié)合強度均優(yōu)于等離子噴涂層,并且表面光滑、化學(xué)分解少、氧化物含量少,其涂層質(zhì)量與爆炸噴涂涂層性能相當(dāng) , 成本卻低得多。由于其優(yōu)良的性能、技術(shù)的改進及可噴涂材料的拓寬 , 超音速火焰噴涂得到了越來越廣的應(yīng)用。

  雖然超音速火焰噴涂具有許多的優(yōu)點 , 但也存在不足之處。目前的超音速火焰噴涂基本上都是用純氧作助燃劑,氧氣消耗大。例如 : 以煤油作為燃料的超音速火焰噴槍,耗氧量達10瓶/ h , 以丙烷、丙烯等作燃料的超音速火焰噴槍也超過3瓶/ h , 給操作、供氣帶來諸多不便 , 沉積速度和沉積效率也不高 ,如噴涂鎳鉻碳化鉻粉末 , 沉積速度和沉積效率分別只有 1.8～4.4 kg/ h 和 30 % ～ 40 % , 由于以上原因使其成本相對較高。另外, 涂層的孔隙率、氧化物夾雜含量等還有降低的余地。

  近年來出現(xiàn)了活性燃燒高速燃氣噴涂工藝 , 它是介于傳統(tǒng)超音速火焰噴涂和冷噴涂之間的新噴涂工藝 ,可以稱為熱動能噴涂 , 其特點是通過壓縮空氣與燃料燃燒產(chǎn)生高速氣流加熱粉末 , 但并未使之完全熔化 , 同時將粉末加速至 700 m/s 以上 , 撞擊基體 , 形成極低氧化物含量和極高致密度的涂層。這種噴涂工藝過程對噴涂材料的熱退化影響非常低 , 制備的涂層表現(xiàn)出卓越的耐磨損及耐腐蝕特性;另一個突出的特點是生產(chǎn)效率高 , 其噴涂速率是傳統(tǒng)超音速火焰噴涂的5～10倍 , 沉積效率也優(yōu)于傳統(tǒng)超音速火焰噴涂 。所有這些特點使熱動能噴涂在很大程度上降低了涂層的加工成本 , 更有利于熱噴涂技術(shù)的推廣應(yīng)用?，F(xiàn)就國外新出現(xiàn)的 AC-HVAF 工藝的一些特征介紹如下。

1 　粒子溫度和速度

  用 SprayWatch -i 熱噴涂光學(xué)在線監(jiān)測系統(tǒng)測量熱動能噴涂系統(tǒng)在噴涂距離內(nèi)噴涂粒子的表面溫度和速度 ,燃料為丙烷 ,空氣助燃 , 噴涂粉末為合金 625 和WC -10Co-4Cr 。

測量數(shù)據(jù)見表1 。

表 1 粒子的平均速度和表面溫度

  噴涂粉末粒子的表面溫度比所用的金屬合金的熔點低200 ～ 250 ℃ , 這主要是使用燃燒溫度相對較低的丙烷燃料的結(jié)果 , 從某種意義上說 ,AC-HVAF 噴涂技術(shù)也可以稱得上是一種冷噴涂。另外 , 這兩種粉末噴涂的粒子速度均比HVOF工藝有顯著提高。理論計算得知 , 氣體焰流速度僅為900 m/s,但卻提供了極高的噴涂粉末加速效率 , 這正是其值得重視的特點。

 2 　涂層特性

2.1 　氧化物含量與孔隙率

  由于熱動能噴涂過程中噴涂粒子并沒有完全熔化 ,并且其粒子速度極高,噴涂粒子在AC-HVAF焰流中的停留時間短,噴涂材料在噴涂過程中的氧化反應(yīng)受到了抑制, 使涂層中的氧化物含量非常低例如 ,在標(biāo)準(zhǔn)噴涂條件下 , 噴涂合金 671 材料(Ni-45Cr -1Ti)使用AC-HVAF工藝噴涂后的涂層中氧化物質(zhì)量分數(shù)僅為 0.20 %( 粉末原料中的氧化物質(zhì)量分數(shù)為0.06%),但采用 AC -HVAF 工藝可以使這種材料保持很低的氧化水平。另外 ,在AC -HVAF工藝涂層金相中觀察不到氧化物夾雜。作為比較 , 利用不同的 HVOF噴涂系統(tǒng)噴涂了同樣的 671合金粉末, 所得涂層中的氧化物質(zhì)量分數(shù)均在0.95%～2.00 % 之間 , 數(shù)倍于AC -HVAF工藝的噴涂層。通常情況下, 在AC -HVAF工藝涂層的金相照片中很難檢測到可見的金相孔隙,涂層與基體結(jié)合狀態(tài)非常好,界面處也看不出缺陷.

2.2 　結(jié)合強度

  由于噴涂粒子的沖擊速度極高,在金屬基材上,AC -HVAF 工藝涂層可達到極高的結(jié)合強度 , 在碳鋼上 , 碳化物金屬陶瓷涂層的結(jié)合強度超過 70 ～ 84 MPa , 金屬涂層的結(jié)合強度在 47 ～ 84 MPa 之間。 AC - HVAF 金屬涂層可用榔頭敲打而不開裂 , 有些涂層甚至可以經(jīng)受焊接的熱沖擊而不會產(chǎn)生退化和脫落現(xiàn)象。以下為 AC- HVAF 涂層結(jié)合強度方面的的兩個特性 , 充分體現(xiàn)了涂層優(yōu)越的力學(xué)性能。

(1)  涂層的結(jié)合強度幾乎不隨其厚度的增加而變化 , 這說明涂層的殘余應(yīng)力極低。例如Ni-Si-B合金對灰鑄鐵基材的涂層厚度在 0.5 ～ 2. 0 mm 時 , 涂層的結(jié)合強度可維持在 70 ～ 77 MPa 之間 , 幾乎不隨涂層厚度發(fā)生變化。

(2)  對鋁、鎂、鈦類基材而言 , 由于這些材料非常活潑,表面極易形成氧化物保護膜 , 阻止其得到較好結(jié)合強度的熱噴涂涂層。但是利用 AC -HVAF 工藝制備的涂層卻表現(xiàn)出很高的結(jié)合強度。這是由于AC-HVAF工藝中噴涂粒子具有極高速度,并且未完全熔化 , 這樣就可以使這些高速固態(tài)粒子沖破這些材料的表面氧化薄層而嵌入到基材中,從而形成結(jié)合強度很高的涂層。例如鋁基材(99%鋁) 上 , 用AC -HVAF 工藝制備的奧氏體不銹鋼涂層 ( 厚度為4 mm ) 的結(jié)合強度可達53MPa以上。

2.3  抗高溫腐蝕

  AC -HVAF 涂層極低的氧化物含量和極高的致密度, 使得其在高溫腐蝕環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能。對比電弧噴涂、常規(guī)超音速火焰噴涂和AC -HVAF噴涂制備的 671 合金涂層在 N₂-1%H₂S-1%HCl氣態(tài)環(huán)境中, 在 400 ℃溫度下,經(jīng)過1440h 之后的增重, 結(jié)果表明, 電弧噴涂層的增重為5.64mg/cm³、常規(guī)超音速火焰噴涂層的增重為 5.28 mg/cm³,而 AC -HVAF 噴涂層的增重只有3.98 mg/ cm³。由此可知 ,AC- HVAF工藝涂層的耐硫化腐蝕性能優(yōu)于其他工藝制備的涂層。分別用電弧噴涂、常規(guī)超音速火焰噴涂和 AC-HVAF 噴涂制備625合金和671合金涂層 , 然后在空氣中、700 ℃高溫下,氧化1 000 h。625 合金及 671 合金涂層的氧化增重分別為 : 電弧噴涂層的增重為3.50 mg/ cm³和3.25mg/cm³,常規(guī)超音速火焰噴涂層的增重為2. 90 mg/ cm 3 和1. 85 mg/cm³,而AC- HVAF噴涂層的增重只有0. 60 mg/ cm³和0.70mg/cm³,625合金和671合金樣塊的氧化增重分別為0. 45mg/cm³和0.55mg/cm³。由此可知 ,使用AC- HVAF 工藝噴涂的合金 625 和合金 671 涂層相對于電弧噴涂層和常規(guī)超音速火焰噴涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗氧化性能 ,幾乎與合金原材料的抗氧化性能相同 。這是因為用 AC - HVAF 工藝噴涂過程中,噴涂材料的熱退化程度非常小 , 涂層中的氧化物含量極低 , 在溫度升高時 ,AC - HVAF 工藝涂層將形成有效的燒結(jié)并形成彌散區(qū) ,表現(xiàn)為固態(tài)金屬特性。而對于其他的熱噴涂工藝 , 由于噴涂材料在飛行過程中的氧化所產(chǎn)生的氧化膜的阻礙,使這種燒結(jié)與內(nèi)部彌散現(xiàn)象被抑制住了。另外 ,這一結(jié)果也可以說明 AC - HVAF 工藝涂層的孔隙率是非常低的。

2.4 　抗裂性能

  脆性材料的抗裂系數(shù) K _1C 的測量方法之一是測量維氏硬度時將錐形載荷加載至涂層表面 , 然后測量所產(chǎn)生裂痕的長度。因為 K _1C 正比于 (a/ c)^{3/ 2}, 其中 a 是壓痕對角線 ,c是產(chǎn)生的裂痕長度 , 當(dāng) a > c 時 ,a/ c 值就可體現(xiàn)其抗裂能力。試驗結(jié)果表明 , 不同的 HVOF 工藝噴涂制備的 WC - 基和 Cr ₃ C ₂ - 基涂層其抗裂系數(shù)為 1 ～ 4 之間 , 而在相同的測試條件下 ,AC -HVAF 工藝制備的涂層的抗裂系數(shù)在 100 ～ 200之間 , 表明其涂層的殘余應(yīng)力非常低 , 抗裂性能顯著提高。這不僅表明涂層性能有了顯著的提高 , 而且對熱噴涂在應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用也有很重要的意義。事實上 , 涂層抗裂系數(shù)的提高 , 為制備厚涂層提供了可能 , 用 AC - HVAF 工藝可以制備出厚十幾毫米的涂層。在涂層應(yīng)用中 , 表面溫度變化對 AC-HVAF 涂層的影響更小 , 這樣實際上是增加了涂層質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2. 5 　加工性能

     AC -HVAF涂層拋光后, 可以達到極高的表面質(zhì)量 , 特別是碳化物涂層 , 如 WC -17Co ,WC-12Co,WC-10Co-4Cr ,WC -20Cr -7Ni , Cr ₃ C ₂-25 % (Ni -20Cr) 和Cr ₃ C ₂ -20 % (Ni -20Cr)等涂層均可用常規(guī)的手段將其拋光至光學(xué)鏡面 , 即R a 值小于 0.012 μ m 。例如在直徑為 350 mm 的膠片精整輥上 , 使用 AC - HVAF 工藝噴涂厚度為 0. 5 mm WC -10Co -4Cr涂層 , 硬度為1 250 HV ₃₀₀ , 經(jīng)常規(guī)拋光后表面粗糙度 R a 為0.010 μ m , 完全達到光學(xué)鏡面的水平 , 具有一定的抗沖擊性能和抗工具刮擦磨損性能。

2. 6 　高溫抗沖蝕

    AC -HVAF 工藝涂層具有優(yōu)良的高溫抗沖蝕能力。選用從流化床鍋爐中收集的爐床灰 ( 平均硬度 780 HV ₁₀₀ , 平均粒子尺寸 0.3 mm) 作為沖蝕劑, 在沖蝕劑速度為 60 m/ s , 樣品溫度為 300 ℃ , 沖擊角度為30 ° , 沖蝕時間為 5 h , 爐床灰總量 375 g , 測量了常規(guī)超音速火焰噴涂和 AC -HVAF 噴涂制備的涂層的厚度損失狀況 , 結(jié)果見表 2

表 2 　高溫沖蝕條件下不同噴涂工藝制備

不同涂層的涂層厚度損失

從表 2 可以看出 , 相同測試條件下 ,AC-HVAF 工藝制備的碳化鉻基涂層 , 其抗沖蝕能力與常規(guī)超音速火焰噴涂層相近 , 而 WC-基涂層的抗沖蝕能力要優(yōu)于常規(guī)超音速火焰噴涂層。

3 　結(jié) 　語

(1)   活性燃燒高速燃氣火焰噴涂是一種新型的高速燃氣噴涂工藝 , 通過將粉末加熱但未完全熔化的方法 , 來沉積金屬和合金涂層 , 粉末粒子的表面溫度比所用噴涂材料的熔點低 200～250 ℃ 。

(2)  AC- HVAF 技術(shù)能提供極高的噴涂粉末加速效率,使粉末的飛行速度達750～900 m/s。

(3)  AC-HVAF 涂層具有極低的氧化物含量、極高的致密度、優(yōu)良的結(jié)合強度和可靠的力學(xué)性能 , 并且提高了涂層的抗腐蝕和抗沖蝕能力。

(4)  AC-HVAF 工藝涂層優(yōu)異的性能使其在航空航天、電力、冶金、造紙、紡織、石油化工、食品、印刷等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。