超音速热喷涂技术的发展与现状
鲍君峰，崔颖，侯玉柏，张康
热 喷 涂 技 术
内容导读：超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂技术发展如何？本文对国内外的具体情况给予了说明。
摘 要：本文简要介绍了超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂技术的国内外研究现状与技术特点。
关键词：超音速火焰喷涂；超音速等离子喷涂；特性；研究现状；应用
热喷涂技术作为一种较好的金属材料表面防护和强化技术，以其独特的优势，在提高产品可靠性和延长部件使用寿命方面起着越来越重要的作用。随着航空、航天等尖端技术的飞速发展，迫切需要高熔点、高强度、高硬度和低摩擦系数的涂层，热喷涂技术正是为了适应这种需要不断发展起来。针对热喷涂工艺中影响涂层质量的基本因素，喷涂材料的加热温度、喷涂材料撞击到基体材料上的速度以及在加热、喷涂和冷却时，喷涂材料和基体的氧化程度，人们对热喷涂装置在提高热喷涂气氛等方面进行不断的探索，如何使喷涂过程产生最大的热能及动能，从而使热喷涂材料达到最佳的熔化状态及尽可能高的飞行速度，是热喷涂设备进行改进和发展的重要依据。
近些年来，国际上热喷涂技术已向高能高速喷涂方向发展。从而出现了超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂等喷涂设备，它们都是通过大幅度提高喷涂的速度来获得高质量的涂层。
1.超音速火焰喷涂技术
1.1 超音速火焰喷涂的发展状况
近年来世界上许多发达国家都致力于对超音速火焰（HVOF）喷涂技术进行研究和开发。八十年代末九十年代初期，先后有多种喷涂系统研制成功，并投入市场，如 Top- Gun、Diamond- Jet、JP- 5000、JP- 8000 等。由于 HVOF 系统工作使用气体燃料和氧气来产生超音速射流，其成本很高。例如JP- 5000，按 TAFA 公司所采用的典型工艺参数需氧气流量为 0.9438m3·min- 1，则每瓶氧气仅可维持5～6 分钟。因此开发空气超音速火焰喷涂系统（HVAF 即 High Velocity Air- Fuel）成为近年来各国竞相研究的热点，但燃烧效率较低，射流速度较低。目前，美国、英国、日本等发达日家己成功研制了HVAF 系统[1]。
超音速火焰喷涂都是利用超音速焰流来加热、加速喷涂粒子的。在喷枪结构上都是将燃料（气体或液体）和助燃剂（氧气或空气）送进燃烧室燃烧，并使其沿着喷嘴喷出，在瑞利流和范诺流效应下，对于等截面喷嘴在喷嘴出口或对于拉伐尔喷嘴在喷嘴内部焰流达到阻塞状态，从而可获得超音速火焰射流[2]。这类似火箭发动机燃烧所喷出的焰流。图1 为两种超音速火焰喷枪（DJ- 2700 和 JP- 5000）的结构图，其中 DJ- 2700 是 Metco 公司在推出 Dia-mond Je（tDJ）标准型后投放市场的复合型超音速火焰喷枪，该喷枪以丙烷为燃料、氧气为助燃气体，燃烧部位气冷，其余部份水冷，不设热交换器，从而减少了热损失，而 JP- 5000 型超音速火焰喷枪是TAFA 公司推出的产品，该喷枪是以安全的航空煤油为燃料，吸入式送粉，热效率高，将氧气和液体燃料送进喷枪后部的燃烧室，并用火花塞点燃，粉末沿径向双孔加入到内喷嘴喉管后的过渡膨胀负压区，从而不需要高压送粉系统。
1.2 超音速火焰喷涂（HVOF）的特点
热喷涂粉末喷涂粒子的极高飞行速度和相对较低的温度是 HVOF 的最显著的两个特点，因此 HVOF 喷涂涂层具有非常高的密度、结合强度和硬度，相对于普通亚音速燃气火焰喷涂 HVOF 喷涂涂层中的氧化物含量也较低。但是 HVOF 仍然存在以下其自身难以克服的缺陷[3- 4]：
（1）适宜喷涂的材料较少现今热喷涂，尤其是等离子喷涂材料已发展到550 种以上，涂层功能几乎涉及到各种工业领域。而最能发挥 HVOF 特长的只是少数几种喷涂碳化物基的金属陶瓷粉，目前在工业上应用最多的的主要是 WC- Co，WC- Co- Cr 和 NiCr- Cr3C2喷涂层。不少文章论述了 HVOF 喷涂 WC- Co，WC- Co- Cr和NiCr- Cr3C2等热喷涂粉末的工艺特点及涂层性能，从中指出：高速度及较低的温度保证了粉末在喷涂中更少的氧化和失碳，从而使涂层有更高的硬度和更好的耐磨损性[5- 6]。但 HVOF 喷涂一些金属和合金粉，优越性并不突出。
（2）热喷涂粉末的粒度要细，粒度分布狭窄由于 HVOF 喷涂时颗粒飞行速度很高，火焰温度又较低，热喷涂粉末被加热时间仅数千分之一秒，又由于气流带动大颗粒容易被滞后（如 10um 颗粒的WC- Co 可达气流速度的 53%，而 50um 颗粒只达26%），因此对喷涂粉末的粒度及分布要求很高。
（3）喷涂覆盖速度不够高HVOF 设备制造厂家们称：喷涂 WC- Co 粉每小时可达9公斤或更高。但实际生产过程验证只能达到这个数量的一半，送粉率再高，生粉加多，沉积率剧减。
（4）沉积效率较低
沉积效率不仅影响到涂层的形成速度，更直接影响生产成本，如果沉积效率仅 50%，这就意味着粉末单价升值一倍。据 SulzerMetco提供的数据：JP- 5000和 DJ- 2700 喷涂 C- Cr3C2- N（iLW5）粉，沉积效率分别为38%和 42%。多数国内用户认为，上述 HVOF系统喷 WC- Co粉，沉积效率通常低于 45%。一种现象是，喷涂起始时容易沉积，但一旦生成一层硬涂层之后，沉积效率骤然降低，反弹似乎加剧。
（5）枪管容易结瘤JP- 5000 配有长度不等的枪管，枪管的必要性和优越性在很多文章中都提到，但很少提到它经常结瘤。据有关用户反映，喷涂 WC- Co热喷涂粉末 30 分钟左右喷枪就会积瘤，必须停机进行清理。
（6）热利用率低对 HVOF 热利用率的计算，报道不多，但相对而言大量的气体高强度燃烧，冷却水和冷气带走了大量热量，实际用于热喷涂粉末的加热和加速的能量所占比例很少。
2 超音速等离子喷涂技术
2.1 概述
超音速等离子喷涂处于国际热喷涂技术的前沿，由于其等离子体射流通常可达到音速的5~8 倍，远高于普通亚音速等离子喷涂，由于速度提高可以制备各种高密度、高质量的难容金属和陶瓷涂层，特别是可以有效改善陶瓷涂层的致密性、韧性和结合强度，在航空、航天、原子能等高温工业具有广泛的应用前景，因而成为目前国际热喷涂界研究的热点。与 HVAF、HVOF、多功能超音速火焰喷涂技术相比，高效能超音速等离子喷涂的焰流温度范围可在 3000～10000℃大范围内调整，因此不仅能制备氧化物等高熔点陶瓷涂层，而且可以制备普通金属涂层及纳米陶瓷涂层。而 HVAF、HVOF 及类似多功能超音速火焰喷涂的温度大多在 3000℃以下，很难熔化高熔点陶瓷，目前主要应用于金属碳化物类（WC- Co，Ni- Cr3C2等）超细热喷涂粉末的喷涂，加之喷涂成本高，因而其应用范围受到了很大限制。
2.2 超音速等离子喷涂的原理
超音速等离子喷涂是在高能等离子喷涂的基础上，利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”，得到稳定聚集的超音速等离子射流进行喷涂的方法。美国从 80 年代中期率先投入研究，直至 90 年代中期才由美国 TAFA 公司向市场推出了能够满足工业化生产需要的 270 kW级大功率、大气体流量（21m3·h- 1）的“PlazJet”超音速等离子喷涂系统，其核心技术集中在超音速等离子喷枪的设计上，见图 2。该喷枪依靠增大等离子气体流量提高射流速度，弧电压可高达 200V，电流 400～500A，焰流速度超过 3000m/s。为了保证高速射流具有足够高的热焓值使喷涂粒子充分熔化，采用了提高弧流功率的措施。该喷枪的最大功率(270kW)比普通高能等离子（80 kW）提高了 3～4 倍。由于大幅提高了喷射粒子的速度（可达 400～600 m/s）和动能，涂层质量明显优于常规速度（200～300 m/s）的等离子喷涂层。但是由于能量消耗大，且为了保证连续工作，采用了外送粉方式，造成热喷涂粉末沉积率降低，喷涂成本很高，限制了其推广应用。
根据等离子喷涂技术的发展趋势，国内装甲兵工程学院装备再制造国防科技重点实验室自主研制成功了“HEPJet”高效能超音速等离子喷涂系统。该设备相对于美国“PlazJet”超音速等离子喷涂系统，采用了适合我国国情的“低功率（80kW）、小气体流量(6m3·h- 1)设计方案。
图 2 中可看出该喷枪采用了拉伐尔喷嘴型面的单阳极结构，压缩孔道长度缩短，但对电弧初始段的机械压缩增强，迫使阳极斑点前移来拉长电弧（弧压可达 200V），由于提前对电弧区段的加速，提高了喷枪热效率，在低功率、小气体流量下获得了高热焓值的超音速（6～8 马赫数）射流，由于配套采用了内送粉结构，有效提高了粉末沉积率，喷涂成本只有 PlazJet 的 1/2。此外，该系统还在国际热喷涂界率先采用先进的 IGBT 逆变技术研制了紧凑型小体积的 80 kW级喷涂电源，采用先进的 PLC过程控制系统和氟利昂制冷的热交换器等，标志着我国等离子喷涂技术已达到国际先进水平[7]。
2.3 超音速等离子喷涂的性能特点[8]
（1）能在较低功率和较小气体流量（高效能的特点）下得到满足超音速等离子喷涂要求的超音速等离子焰流，既在普通等离子喷涂的电参数下实现超音速等离子喷涂，又能获得高质量的涂层；
（2） 通过调节气体流量与电参数的合理匹配，获得能够满足各种喷涂材料所需的超音速等离子焰流；
（3）适用工作电压范围宽（60～200V）。以满足适用不同工作气体和不同材料喷涂参数的需要；
（4）适用工作气体范围宽。可使用氩气加氢气、氩气加氮气、纯氮气、氮气加氢气的配气方案；
（5）设计和确定单阳极拉伐尔喷嘴结构，为将粉末送入焰流高温区创造条件；
（6）喷枪结构紧凑、轻巧，使喷枪的重量功率比
（G/W）尽可能的小。喷枪装配、调节方便，可维修性比较强，易损件更换容易。机动和手动操作互换性强，不用更换枪座即可实现这两种功能；
（7）独特的内送粉结构设计。以解决因超音速等离子焰流速度快、刚性大、热焓低、加热时间短所造成的粉末难以熔化等不足，既能实现超音速等离子喷涂的高效能，降低成本，又能克服外送粉所造成的边界效应，改善涂层质量。但是超音速等离子喷涂有其自身难以克服的缺点：
（1）对于超音速等离子喷涂工艺的影响因素较多，喷涂前需进行工艺参数的优化，有些最优工艺参数很难控制。影响超音速等离子喷涂的工艺参数主要有电弧功率、送粉量、气体流量、喷涂距离、喷枪移动速度以及基体金属的温度等，喷涂前需要对其进行优化。
（2）热喷涂粉末的粒度要细，粒度分布狭窄。由于超音速等离子喷涂大幅度提高了喷涂过程中颗粒的飞行速度，火焰温度又较低，粉末被加热时间仅数千分之一秒，因此对喷涂粉末的粒度及分布要求很高，对于 WC/Co 热喷涂粉末 HEPJet 喷涂粒度一般在 37～44 微米之间。
（3）对于超音速等离子喷涂设备，在喷涂参数适宜的情况下，一般采用高电压运行方案，喷嘴寿命不长。
（4）能耗高，因而涂层成本高，另外喷涂时噪声较大。
2.4 超音速等离子喷涂系统配置
装甲兵工程学院装备再制造国防科技重点实验室自行研制的超音速等离子喷涂系统由单阳极内送粉高效能超音速等离子喷枪、控制系统、冷却系统、配气系统、送粉系统、进给系统及先进的 IG-BT 逆变电源组成，如图 3。
（每组 3 个样本取平均值），并绘出试样的氧化动力学曲线。对获得的曲线形状、走势和斜率进行分析和计算，则有助于了解试样的氧化过程和抗氧化性，结合对涂层氧化形貌的分析，即可对涂层试样的氧化性能进行评价，图 8 是 MCrAlY 涂层 1000℃下，通过测量绘制的氧化动力学曲线。
2.7.2 氧化动力学试验结果
图 8 的氧化动力学曲线也可看出，MCrAlY 涂层 1000℃、400H 氧化动力学试验曲线有呈抛物线形态趋势，说明氧化过程逐渐趋于稳定。
3 试制结论
（1）MCrAlY 涂层经 1000℃、25H~ 400H 的高温氧化实验结果表明，该涂层系统有较好的高温稳定性。
（2）试验结果显示，涂层中各组元分布的均匀性，对涂层系统的高温稳定性、结合强度和内聚强度具有显著的影响。
（3）合金铬铝钇、粘结材料和填充料不同比例混合后形成的是复合梯度涂层，满足了某发动机结构件高温封严设计要求。
（4）涂层结构设计和材料体系选择，与该涂层的技术要求相符合，说明，采用常压等离子喷涂能够满足设计需求，涂层性能高于相关规定标准要求。
参考文献略
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