第二章 热喷涂 - 图文(7)

3.4 工艺参数 （1）等离子气体：

气体的选择原则主要根据是可用性和经济性，N2气便宜，且离子焰热焓高，传热快，利于粉末的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。Ar气电离电位较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于小件或薄件的喷涂，此外Ar气还有很好的保护作用，但Ar气的热焓低，价格昂贵。

气体流量大小直接影响喷涂效率、涂层气孔率和结合力等。流量过高，则气体会从等离子射流中带走有用的热，并使喷涂粒子的速度升高，减少了喷涂粒子在等离子火焰中的“滞留”时间，导致粒子达不到变形所必要的半熔化或塑性状态，结果是涂层粘接强度、密度和硬度都较差，沉积速率也会显著降低。

等离子气体主要是氩气、氦气、 （2）电弧的功率：

电弧功率太高，电弧温度升高，更多的气体将转变成为等离子体，在大功率、低工作气体流量的情况下，几乎全部工作气体都转变为活性等粒子流，等粒子火焰温度也很高，这可能使一些喷涂材料气化并引起涂层成分改变，喷涂材料的蒸汽在基体与涂层之间或涂层的叠层之间凝聚引起粘接不良。此外还可能使喷嘴和电极烧蚀。而电弧功率太低，则得到部分离子气体和温度较低的等

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离子火焰，又会引起粒子加热不足，涂层的粘结强度，硬度和沉积效率较低。

（3）供粉：

供粉速度必须与输入功率相适应。过大，会出现生粉（未熔化），导致喷涂效率降低；过低，粉末氧化严重，并造成基体过热。送料位置也会影响涂层结构和喷涂效率，一般来说，粉末必须送至焰心才能使粉末获得最好的加热和最高的速度。

（4）喷涂距离和喷涂角

喷枪到工件的距离影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度，涂层的特征和喷涂材料对喷涂距离很敏感。喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。

喷涂角：指的是焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度。该角小于45度时，由于“阴影效应”的影响，涂层结构会恶化形成空穴，导致涂层疏松。

（5）喷枪与工件的相对运动速度

喷枪的移动速度应保证涂层平坦，每个行程的宽度之间应充分搭叠，在满足上述要求前提下，喷涂操作时，一般采用较高的喷枪移动速度，这样可防止产生局部热点和表面氧化。

（6）基体温度控制

较理想的喷涂工件是在喷涂前把工件预热到喷涂过程要达到的温度，然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。

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第五节 超音速喷涂

(High Velocity Oxygen Fuel)

为了与美国碳化物公司的爆炸喷涂抗争,上世纪60年代初期,美国人

J.Browning发明了超音速火焰喷涂技术,称之为\并于1983年获得美国专利。近些年来,国外超音速火焰喷涂技术发展迅速,许多新型装置出现,在不少领域正在取代传统的等离子喷涂。在国内,武汉材料保护研究所,北京钢铁研究总院,北京钛得新工艺材料有限公司等也在进行这方面研究,并生产出有自己特色的超音速喷涂装置。

4.1 工作原理

燃料气体(氢气,丙烷,丙烯或乙炔－甲烷-丙烷混合气体等)与助燃剂（O2）以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气（Ar或N2），定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。在喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，即约1520m/s，最高可高达2400m/s（具体与燃烧气体种类，混合比例，流量，粉末质量和粉末流量等有关）。粉末撞击到工件表面的速度估计为550-760m/s，与爆炸喷涂相当。

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图2-1 超音速火焰喷涂枪

图2-1为常用HVOF喷枪的工作原理图，它包括燃烧室、Laval喷嘴(收敛/扩展喷嘴)和枪管3个主要部分。燃烧室中的燃料气体（通常为丙烯、丙烷或氢气等）和氧气燃烧反应所产生的高温高压燃气通过Laval喷嘴被加速到超音速。在喷枪外部，具有超音速的自由射流通过一系列的压缩和膨胀波调整至外部压力，由于许多气体在高温下会发光，在枪管出口下游会形成肉眼可见的菱形激波。在Laval喷嘴出口处，压力较燃烧室有所降低，颗粒被轴向注入气流中，经过枪管内和自由射流中的加热和加速后，粉末颗粒以很高的速度和一定的温度撞击基板从而沉积形成涂层。

Laval管原理

1883年，瑞典工程师C.G.P.de拉瓦尔在他发明的汽轮机中，首先使用这种管道，因而得名。

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由流体力学知：对一维可压缩流体，则有： ? ? ?

ds/s=(M2-1)dv/v

其中： S―管器截面积,Ｍ＝v/v声（马赫数, V－流体速度 当V>v声，即Ｍ>1时，则dv与ds符号相同,即随管道截面积变大(ds为

正)时,流体速度也增大.

?

当V

负）时,流体速度亦增大.

?

所以,只要管子设计合理,则流体在速度低时,只要经过足够压缩,即

可在管器某一截面(如AB)达到声速,过了这一截面后,将获得超音速。

4.2火焰特性

火焰喷涂时，采用不同的气体及燃烧比例，所得到的火焰温度不同。火焰特性主要涉及到其速度、温度、变向分布以及它的密度、热传导、粒度。

4.2．1火焰燃烧气体特性

火焰喷涂所使用的气体主要有乙炔、煤油、丙烷、丙烯、氮气与氧气混合。气体的比列决定了火焰得温度。本研究采用的燃气和助燃剂分别为丙烷和氧气，二者在化学计量条件下完全燃烧时的化学方程主要有下述几项：

a.乙炔和氧气的燃烧式

1C2H2?2.5O2?2CO2?1H2O

在上式中当乙炔/氧气=1：1.5时，燃烧最高温度达到3160℃。 b.丙烷和氧气的燃烧反应式

1C3H8?5O2?3CO2?4H2O

当丙烷/氧气=1：4.3时，燃烧最高温度达到2828℃。 c.氢气和氧气的燃烧反应式 2H2?O2?2H2O

当氢气/氧气=1：0.42时，燃烧最高温度达到2856℃。 d.乙烯和氧气的燃烧反应式 1C2H4?3O2?2CO2?2H2O

当乙烯/氧气=1：2.4时，燃烧最高温度达到2924℃。 e.丙烯和氧气的燃烧反应式

1C3H6?4.5O2?3CO2?3H2O

当丙烯/氧气=1：3.7时，燃烧最高温度达到2896℃。

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