超音速火焰喷涂技术的发展和应用
陈利斌，王雪元，徐群飞，傅肃嘉
浙江冶金
超音速火焰喷涂(High Velocity Oxy fuel,简称HVOF)是20世纪80年代初在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。它是利用氢、乙炔、丙烯、煤油等做燃料,用氧气作助燃剂,在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧,产生高达2000 ~3000℃、2100m/s以上速度的超音速燃焰,同时将粉末送进火焰中,产生熔化或半熔化的粒子,高速撞击在基体表面上沉积形成涂层,其涂层比普通火焰喷涂或等离子喷涂结合强度更高,更致密。
HVOF发展非常迅速。从1982年美国的James.A.Browning开发出第一代超音速火焰喷涂装置Jet Kote I以来,仅10余年,HVOF工艺及装置取得了长足的进展,其优异的涂层质量及与自动控制系统的结合使用,使该工艺从问世之初的仅用于飞行发动机零部件耐磨层喷涂,发展到航空、冶金、纺机、汽车、铁路等领域的大量应用,代表了现代热喷涂技术发展的方向。
超音速火焰喷涂技术在带来显著社会效益的同时也具有显著的经济效益。据市场估计,目前全球每年超音速火焰喷涂服务费已达2.1亿美元,预计到2015年,HVOF工艺将在热喷涂业拥有25%的市场,占据喷涂业第二的位置。
摘 要:超音速火焰喷涂(HVOF)具有火焰速度高、温度低、涂层结合强度高、致密性好等优点。主要介绍超音速火焰喷涂的原理、发展历程、材料应用及对未来发展的展望。
关键词:超音速火焰喷涂;喷涂材料;涂层性能;发展
1 发展
自1953年以来的几十年间,热喷涂界一致公认的最佳热喷涂工艺方法是Linde Division Union Carbide所拥有的爆炸喷涂,即D-Gun。D-Gun具有很多突出的优点,它可以生产出具有非常高的硬度、密度以及良好结合强度的涂层,D-Gun喷涂的WC-Co涂层就是最典型的涂层之一。D-Gun喷涂涂层的质量一直是其它热喷涂工艺方法所追求的目标。然而,D-Gun仅仅是Union Carbide的工艺与技术,而其它用户只能得到Union Carbide的独家涂层服务,并为此不得不付出高额的费用。独家垄断限制了爆炸喷涂技术的推广与应用。HVOF技术耗气量非常高,供气系统庞大,推广应用受到限制。降低氧气和燃料消耗就成了这一领域攻关的主要目标。早在20世纪50年代,为了生产出高质量的WC-Co热喷涂涂层,Linde Divi-sion Union Carbide开发了一种轴向送粉水冷却喉部燃烧的喷涂枪。这个系统的优点是结构简单,减小了燃烧室的表面积从而降低了喷涂枪的热损失。这种喷涂枪的热效率可达到80%,也就是说,燃料燃烧所释放的80%能量都转化为有效的喷涂动能和热能。然而令人遗憾的是,这个具有高热效率的喷涂装置却有一个致命的弱点,为了保持稳定地燃烧,其燃烧功率受到了严格地限制,所以此喷涂枪的燃烧室压力和出口速度只能维持在一个较低的水平。由于喷涂枪燃流的出口速度是由燃烧室的压力所决定的,喷涂颗粒的飞行速度只能达到燃流速度的25%~50%,而且喷涂颗粒的飞行速度是影响热喷涂涂层质量的关键因素,所以此喷涂装置喷涂的涂层质量较差,没有达到预期目的。
为了提高涂层质量,Meteco公司对此喷涂枪进行了改进,研制出了空气冷却喉部燃烧装置。这种设计更加简化了喷涂枪的结构(减掉了水冷壁),并减轻了喷枪重量。然而这种喷涂装置的主要缺点是,冷却空气向燃流中的扩散与混合加大了喷涂燃流的氧化性,从而导致涂层中氧化物含量的增高。此外,空气对焰流的搅动和混合降低了火焰的温度并且使喷枪不能使用有利于喷涂颗粒加速的长喷管。总而言之,喉部燃烧喷涂装置喷涂的涂层质量还远远不能与D-Gun涂层相比。
20世纪80年代,Browning等人在高速火焰喷涂枪的设计上做了大量的工作,他们使用直径较大的燃烧室在保证火焰稳定燃烧的前提下增加喷涂枪的输出功率,目的是提高燃烧室的压力,进而提高喷涂燃流和颗粒的飞行速度。与喉部燃烧器相比,燃烧室燃烧的喷涂装置喷涂颗粒的飞行速度高而且加热更充分,因为它采用了更长的隔绝空气的喷管。随后美国各个著名的热喷涂公司亦竞相开发高速火焰喷涂技术。根据燃烧室形式的不同,目前市场上可以见到7种HVOF喷涂装备。它们分别是Jet-Kote、Diamond Jet、Top Gun、CDS、HV2000、JP-5000和Aerospray。Jet-Kote是最早的直角燃烧室/轴向送粉的燃烧器。Metco公司开发出的Di-amond Jet(D-J)技术、Miller Thermal Inc研制出TopGun高速火焰喷枪,使燃气消耗仅为HVOF的一半。
TAFA公司研制的JP-5000高速火焰喷枪,采用价格低廉的煤油作燃料,可进一步降低成本。特别是Amoco Oil Company研制出一种屏蔽装置,能在HVOF高速射流的周围产生一个高压螺旋状流动的惰性气流,保护喷射粒子不被氧化,并使用氢气作燃料气。用这种改进的HVOF技术喷涂的哈氏合金和不锈钢涂层,无气孔,组织均匀,其耐蚀性与这些材料锻件的耐蚀性相当,甚至更好。这就为石化工业解决高温、高压、强腐蚀介质条件下大面积喷涂优质耐蚀涂层找到了有效途径,并已成功地应用于一些大型部件上。
在HVOF技术中,喷枪是产生稳定的高速火焰的必要保证,是保证涂层质量的关键。HVOF喷枪主要由三部分组成:供空气与燃料混合后燃烧的燃烧室,将焰流加速到超音速的Laval喷嘴和使喷涂材料粒子得到充分加热加速的等截面长喷管。喷枪设计就是根据燃烧学及空气动力学理论以燃烧室或加速管内高速焰流的稳定燃烧作为目标函数,建立系统设计的理论模型。超音速火焰喷枪的基本工作原理为:由Laval喷嘴进入燃烧室内的液体燃料如煤油,经雾化与空气混合后点燃,发生剧烈的气相反应,燃烧放出的热能使燃烧产物剧烈膨胀,此膨胀气体流经Laval喷嘴时,受喷嘴的约束作用形成超音速高温焰流,喷涂材料粒子在超音速高温焰流的作用下,得到加热和加速后喷出。
以JP-5000喷枪为例,燃油和高压氧气分别通过小孔进入燃烧室,在其中混合、雾化并由火花塞点火燃烧,温度可达3000K,压力可达150 Psi。燃气通过一个Laval喷管从枪筒喷出,涂层材料的粉末从该喷管出口处注入,喷管尺寸及形状设计使得在粉末注入处产生超音速过度膨胀,使粉末注入更容易,然后涂层粉末被高速燃气流携带加速、混合并熔化或半熔化,最后高速冲击到基体表面,形成牢固的涂层。在枪筒出口可看到若干个马赫节。由于燃烧室、喷管及枪简中高温燃气的流动,因此必须对器壁进行冷却。该喷枪使用煤油作燃料,其喷涂成本大约只有氢气的1/10和丙烯的1/5,而且随处可得、贮存安全。
评判HVOF喷涂系统的优劣标准是涂层质量。决定热喷涂涂层质量的因素为:高的燃烧室压力-高的燃流速度-高的颗粒飞行速度-高的涂层质量。JP-5000喷涂系统恰好符合这一原则,它有目前最高的燃烧室压力,其喷涂颗粒的飞行速度可达1000m/s~l200m/s,所以它喷涂制作的涂层具有非常高的结合强度和密度,同时氧化物含量也非常低,其原因一是HVOF的火焰温度低,再一个是由于颗粒的飞行速度快,致使颗粒在空气中的氧化暴露时间非常短。特别是当喷涂制作WC-Co涂层时,JP-5000喷涂系统的工艺特点尤为突出,因为WC颗粒在高温下很容易发生脱碳分解反应。
2 材料及其应用
从表1可以看出,HVOF涂层特点是结合强度、硬度高,孔隙率、氧化物含量低。
HVOF喷涂具有优异的低温高速特性,这特别适合于喷涂耐磨性能良好的碳化钨类材料,因为在高温和氧化条件下喷涂,很难避免WC脱碳分解。除了碳化钨类材料之外,碳化铬材料、某些金属材料、陶瓷材料等,都非常适合HVOF,在不同领域都有各自的应用[1]。常用的涂层材料有六类。
2.1 碳化钨类材料
HVOF技术首先在WC-Co类合金上开始应用。与等离子喷涂相比,HVOF的燃焰温度较低、粒子速度快,因此涂层的残余应力低,结合强度高,氧化物少、密度高,涂层性能更加优越。碳化钨涂层材料一般有WC/10Ni、WC/10Co、WC/10Co4Cr等,这些涂层材料可以提供非常好的抗磨损和抗腐蚀性能。
HVOF技术具有低温、高速特点,在喷涂碳化钨类涂层材料时碳化钨相的氧化分解得到抑制,保留了碳化钨相的耐磨特性,因此涂层的耐磨性能优良。这类涂层应用在关键机械零部件上效果良好,已经大量应用在注塑机螺杆表面,造粒机写切料模具的刃口,拔丝塔轮工作面上的抗磨损涂层上。近年来,HVOF喷涂工艺已经开始在飞机起落架的制造中应用,并在一些零件制造逐步代替镀硬铬工艺。与传统的镀铬工艺相比,HVOF喷涂的碳化钨涂层除了具有孔隙率小、结合强度高、硬度高、沉积速率高等优点外,而且由于不接触酸液,避免了氢脆对零件的影响,也避免了对环境造成严重的污染,因此HVOF喷涂是电镀硬铬的理想替代工艺。
2.2 碳化铬类材料
由于碳化钨涂层在使用中有一定的温度限制,因此其它耐热涂层材料如碳化铬类材料得到了发展,例如Cr3C2-25NiCr材料。HVOF喷涂Cr3C2-25NiCr能得到残余应力为压应力的涂层,涂层组织更为致密且内聚力极高,涂层与基体有更高的结合力,喷涂过程中粉末脱碳甚少,因而涂层的硬度更高、可靠性更好。
Cr3C2-NiCr材料已广泛应用于关键零部件的耐磨涂层,在机械、冶金等行业有着广泛的应用前景,如泵类密封件、活塞件、轧辊等工作表面。HVOF工艺制备的Cr3C2-NiCr的涂层具有硬度高、孔隙率低(<0.9%)、与基体结合强度高(>70MPa)等特点。所制备的涂层能满足高耐磨零部件的使用要求[2]。
2.3 金属类材料
做为热喷涂材料的金属材料一般要求具有较好的抗磨损或抗腐蚀性能。在锅炉管道、化学溶槽衬里等大体积零件一般用NiCr合金或其它高合金/超合金组合金属材料,如各种类型的MCrAlY涂层材料,包括CoNiCrAlY、NiCoCrAlY、NiCrAlY及Fe-CrA1Y等。这些材料能为热隔离提供了稳定的涂层,同时也可作为独立高耐磨抗腐蚀涂层应用于高温环境。
大中型水电站的水轮机使用超音速火焰喷涂的MCrAlY,涂层致密且结合强度高,能够有效抵抗泥砂的强烈冲刷和磨损,提高了水轮机过流部件的使用寿命[3]。固定式燃气机中的叶片不仅要遭受到高温导致硬度降低,还要经受到空气和燃料污染等侵蚀。为了避免这种现象并改善其抗腐蚀性能,绝大多数叶片均喷涂上MCrA1Y涂层。
2.4 陶瓷类材料
陶瓷粉末可采用HVOF技术进行喷涂。HVOF技术制备的Al2O3基涂层比用等离子喷涂的涂层密度更高,更能形成光滑的喷涂表面。采用HVOF技术的某些陶瓷涂层实质上是无空隙的,并且表现出优异的性能。
2.5 塑料
HVOF工艺允许粒子热比率到粒子动能(速度)的柔性变化,这种双重控制适应喷涂塑料。热塑性塑料和热固性塑料均可以作为完整的涂层应用而不影响它们的基本化学结构及特异性能。
2.6 其它新材料
通过HVOF喷枪沉积各种合金成分正在不断地被开发出来,包括超合金、新MCrAIY成分、非晶合金以及独一无二的准结晶成分,以及碳化钛/钼和碳化钛-碳化钨/钼成分等,它们能提供上乘的抗磨损能力,以及高的覆盖率和低的成本。
3 发展方向
3.1 HVIF系统
尽管目前市场上有多种型号的超音速火焰喷涂系统可供选择,但它们都存在一个共同的问题就是枪管堵塞。为了解决这一难题和彻底消除热喷涂涂层中的氧化物,J.B.Browning于1992年首次提出了一种新的热喷涂工艺设想———超音速撞击熔化喷涂(HVIF)。HVIF设想的理论依据是,喷涂燃流从高压的燃烧室到大气环境中所发生的剧烈膨胀会导致喷涂燃流的温度大幅度下降,这样就可能使喷涂颗粒所进入的超音速燃流的温度低于颗粒的熔点,从而保证喷涂颗粒在撞击基体表面之前不发生熔化而只得到软化,因此不至于堵塞枪管。当喷涂颗粒以非常高的速度撞击到基体表面时,撞击的生成热再将颗粒熔化并形成涂层。这种热喷涂工艺方法的突出特点是最大限度地降低了喷涂颗粒在喷涂过程中发生的氧化等化学反应的可能性,同时也解决了超音速火焰喷涂枪管堵塞的难题。Browning的初步实验表明,HVIF涂层的密度几乎达到100%,而且涂层与基体间的结合强度也非常高,所以HVIF是超音速火焰喷涂的未来发展趋势之一。
3.2 HVAF系统
HVAF是一种采用压缩空气代替氧气助燃的超音速火焰喷涂技术,具有成本低,涂层质量好的优点。
HVOF喷涂使用氧气助燃,易造成材料氧化,成本也很高,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,则每瓶氧气可维持5~6 min;HVAF采用压缩空气,节约了氧气成本。
从涂层性能来看,由于HVOF燃焰温度一般为3000℃,粒子速度为350-650m/s,而HVAF燃焰温度只有2000℃,粒子速度可达1000- 1200m/s,因此可抑制材料氧化和WC相分解,残余应力低,结合强度更好,因此,HVAF也是目前超音速火焰喷涂技术的重要发展方向之一。近年来各国竞相研究空气超音速火焰喷涂系统(HAVF),美国、英国、日本等发达国家均己成功研制了HVAF系统,我国的HVAF系统也已经研发成功,但应用还比较少。
3.3 SHS与HVOF的结合系统
超音速火焰喷涂温度比等离子喷涂低,因此不适于喷涂高熔点的金属和陶瓷材料。如果将自蔓延高温合成(Self-propagatingHigh-temperature Syn-thesis,简称SHS)技术和超音速火焰喷涂技术相结合,采用高放热反应体系材料为喷涂材料,喷涂材料合成时放出大量的热,再和火焰热相叠加,提高熔滴的温度,可使高熔点的陶瓷硬质相熔化、球化和细化,改善金属与陶瓷的结合性,从而提高涂层与基体以及涂层层间的结合强度,同时超音速率可以缩短熔滴在空气中的氧化时间,达到近无孔、低氧结构的优质涂层。因此将自蔓延高温合成技术和超音速火焰喷涂技术相结合也是超音速火焰喷涂的未来发展趋势之一。
也许最终的热喷涂技术是一个组合系统,它合并等离子喷涂的高热能优点和超音速喷涂的无孔隙、无氧化物的特点———具有外加完整操作的无限控制,如果这样的系统研制出来,热喷涂将会在抗磨损和腐蚀领域得到更广泛应用。
图略
参考文献略
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