第二章 热喷涂 - 图文(9)

GP=

lTg?TpTg?GP(T)d

TTP粒子所获得的动量等于火焰动量的损失，粒子的速度可以是粉末输送速度的函数，粒子的速度随着粉末的输送速率的增加而减小，同时随直径材料的密度增加而减少。

粒子在喷枪出口的速度取决于： 1）输送气体的流速 2）粒子的尺寸 3）粒子的输送速度 4）喷管的长度和直径

4.5颗粒尺寸对飞行特性的影响

颗粒飞行特性主要由两个指标所确定，一个是颗粒的飞行速度，另一个是颗粒的表面温度。从上述的颗粒速度和温度公式中可以看到，颗粒的温度主要与颗粒的密度、颗粒尺寸和颗粒的比热及热传导系数所决定。

颗粒的尺寸因素在整个飞行过程中对粒子速度和温度的变化都有强烈的影响。具有不同尺寸的颗粒在枪管中和自由射流的前期（这时颗粒速度小于火焰气体的速度）均被加速，当其速度增至与气体速度相当时开始转为减速。小尺寸颗粒由于其动量惯性和热量惯性较小，所以速度和温度的改变比大尺寸颗粒要容易，相应地，速度和温度达到最大值后转向衰减时所对应的轴向距离也越近。虽然小尺寸颗粒在飞行过程中容易获得较高的速度和温度，但它们很难将这种优势保持至基板位置，其速度和温度均会随着气流迅速衰减，最终甚至被气流捕获，这也说明了尺寸过小的颗粒不适合用于热喷涂的原因。而大尺寸颗粒无论进行加速或升温都比小尺寸颗粒要难一些。对于尺寸较大的颗粒，当其达到与火焰气体相近的速度或温度后，它的速度和温度分布曲线趋于平坦，这一特点为涂层沉积时控制工艺参数提供了便利。但尺寸过大时，直至飞行到基板处粒子仍不能被加速至很高的速度。基于粒子撞击基板速度越大，形成的涂层越致密这一被普遍认同的观点，尺寸过大的喷涂颗粒同样不利于形成高质量涂层。

随着颗粒直径的增加，颗粒的速度和温度均呈现先增加然后逐渐降低的趋势。

4.6颗粒密度对其飞行特性的影响

颗粒密度的增大会导致其速度的降低，使达到速度最大值的位置向基板方向推移。气流速度的变化对粒子速度的影响随颗粒密度的减小而增强。热力学方面，速度的降低会引起粒子在高温区域滞留时间延长，导致颗粒温度升高。颗粒的初始温度随密度的增大而升高，较重的颗粒在燃烧火焰条件下的初始温度和焰流中的滞留时间都要高于较轻的颗粒，因此通常具有更好的熔化状态。

4.7超音速火焰喷涂的历史

超音速火焰喷涂（HVOF）的出现是在等离子喷涂之后，是热喷涂技术的又一个重大发

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展，超音速火焰喷涂包括超音速氧气火焰喷涂（HVOF：High velocity Oxy—Fuel）和超音速空气火焰喷涂（HVAF：High velocity Air—Fuel）两种。该技术及设备在20世纪80年代初期首先由美国SKS公司的Browning.J.A公司研制成功，至今已经历了3个发展阶段。第一代的HVOF喷涂系统以“JET—KOTE”为代表，第二代超音速火焰喷涂系统以1989年出现的TOP—Gun，Diamond—Jet和CDS(continuous Detonation Spray gun)为代表，第三代超音速火焰喷涂系统以JP—5000喷涂系统为代表。第一、二代设备的功率偏小，粒子速度偏低，涂层的整体性能不够理想。第三代在设计上有了较大改进，使粒子飞行速度大幅度提高，涂层质量显著改善。

4.8超音速火焰喷涂的基本原理

通过氧气与可燃性气体（如氢气、丙烷或丙烯等）在燃烧室混合并点燃，剧烈膨胀的气体受水冷喷嘴的约束形成超音速高温焰流，粉末由氮气经送粉嘴入口送到燃烧室中心的粉末通道，经焰流加速可以达到1500m/s——2000m/s（五马赫）以上，火焰中可以观察到马赫锥的存在。当火焰达到超音速火焰时，将粉末轴向或径向送进火焰流中，即可以实现粉末粒子的加热与加速、涂层的沉积。由于火焰流的速度极高，喷涂粒子在被加热至熔化或半熔化状态同时，可以被加速到高达300m/s—650m/s的速度，从而获得结合强度高、致密的高质量涂层。高速（可使颗粒获得高的动能和较短的氧化暴露时间）和相对较低的温度是HVOF热喷涂工艺方法最重要的两个特征。

4.8.1粒子飞行特性

当粉末粒子受到高速气体的冲击和加热后，粒子获得很高的速度和温度。粒子以很高的动能冲击表面后，其能量的一部分转换成新的表面而另一部分使表面温度升高。根据热力学热传导定义和物理量纲，可以建立作用于工件表面的热量与其温度之间关系式

dQds公式中

KT2T1 (4-1)

dQ为粒子的热量(J)

ds为瞬间一束粒子流作用的面积(s2) T2为工件新表面温度(?C) T1为原来温度(?C)

K为与材料有关热传导系数(J/s2?C)

在公式(4-1)中，ds=hvdt,v是喷枪的横向移动速度，h是粉末粒子一次扫描的高度。通过几何关系得到扫描高度h与靶距L和喷嘴直径d之间关系式

hd (4-2)

在公式(4-2)中，α是火焰粒子发散角度，L是靶距，d是喷枪出口直径。把上述变量代入到公式（4-1）中并经过整理得到

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T2T1qvdK (4-3)

公式中q=dQ/dt,可以看成是粒子冲击表面的热功率，从公式中的物理量纲分析，系数K为表面热扩散系数，单位为J/s2?C。从公式中可以看到工件表面的温度主要与喷枪的横向移动速度v和靶距L成反比，与粒子束热功率成正比，而粒子束热功率是一个比较复杂的量，这里包括粒子本身的动能所产生的热量同时又包括气体本身的热量。如果单独考虑到粒子的动能E，并且认为热量直接由动能转换而来。则

dQ/dt=dE/dt=d(Σ1/2miVi2)/dt= ΣFiVi (4-4)

在公式(4-4)中mi-每个粒子的质量，Fi-每个粒子的冲击力，Vi-每个粒子的速度。从上式中可以看到，q实际上由粒子的冲击力和其速度所决定，而粒子的冲击力和速度由气体的燃烧温度和压力所决定。因此公式（4-3）可以综合反应出工件表面温度和各参数之间关系。

（1） 喷枪移动速度对工件表面温度的影响

喷枪的出口温度可以达到2000?C，如果工件距离为300mm时，粒子的飞行速度为680m/s，在0.00044秒时间内达到工件表面的温度为1600?C，温度下降梯度为9×105?C/s。当粒子快速结晶并转化成固态，其温度下降梯度将会变成更大。冷却过程主要是热量与周围空气的扩散造成的，导致温度急剧下降。图4-1是喷射角度为0?，靶距为250mm，λ=1.0的条件下喷枪速度与工件表面温度关系曲线。从图4-1中可以看到，工件表面温度随喷枪的移动速度增加而减少，当横向喷射速度增加，单位长度上的喷涂时间减少，喷射能量减少，导致表面温度降低，同时粒子数量减少，这与理论公式（4-3）的分析是一致的。横向移动速度影响表面温度。从喷射粉末的水平面来看，粉末粒子的运动轨迹应该为两个速度的合成，一个是粉末粒子从喷枪射出并沿着喷枪轴线方向速度V1，另一个是喷抢横向移动的速度V2，这两个速度互相垂直。粉末离子的速度V1从喷枪出口的速度一般为1020m/s，而喷枪的移动速度V2为0.9m/s，即倾斜角度tgα=8.8×10-4，α=0.05o。由此可以忽略喷枪的移动速度，认为粉末粒子的速度垂直于工件。由于空气的阻力和热传导，当粉末粒子的速度和温度达到工件表面时降低很多。因此工件表面温度主要由两部分构成，一部分是粒子本身的温度，另一部分是燃烧气体的温度。由于粒子的飞行速度很快，当它瞬时冲击工件表面时，温度向工件和周围空气扩散。而另一部分热量是燃烧的气体所产生的热量直接作用在工件表面上，这部分热量分成两部分传递，一部分向工件进行传递，另一部分向周围空气进行传递，但大部分热量都是传递到工件上。

400表面温度°C3002001000400650900横向移动速度mm/s

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图4-1 喷枪速度与工件表面温度关系曲线

（2）靶距对工件表面温度的影响

图4-2是喷射角度为0?，速度为900mm/s，λ=1.0的条件下靶距与工件表面温度关系曲线。从图4-2中可以看到，工件表面温度随靶距的增加而减少。从以往的测试结果上看，距喷嘴的出口距离越小，粒子的速度越高，热量越越大。一般来说，粉末粒子的飞行温度和速度都是靶距的函数并随靶距的增加而减少，当靶距为200mm时温度和速度都达到最大值。

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当靶距增大，热量和速度降低，表面温度降低。图4-1温度和速度的曲线斜率为0.24，图

4-2靶距和温度曲线的斜率为0.31，从两斜率对比来看，靶距对工件表面温度的影响要比速度对工件表面温度的影响大。由此可以看到喷枪的横向速度对粉末粒子的速度影响比较小，粉末粒子的速度和温度主要受到燃烧气体的热量和压力的影响。

250200表面温度°C150100500250300靶距mm350

图4-2 距离与工件表面温度关系曲线

（3）喷射角度对工件表面影响

喷射角度是喷枪轴线与喷射方向所形成的角度，当喷枪轴线与喷射方向一致时，喷射角度为0o度。从图4-3的曲线上看到，喷射角度对表面温度影响不大。

200表面温度°C150100500022.545喷射角度0o60

图4-3 喷射角度与工件表面温度之间关系

（4）燃料比值对工件表面温度的影响

高速燃气流的温度取决于燃料种类及反应条件，温度在1650～2760oC之间。标准的氧气与燃料比值λ分别为0.9，1.0和1.1，当氧气的流量为800L/min，煤气的流量分别为22.1，24.4和27.5L/min，该值是一个重要指标，它能直接反映燃料产生的热量和温度。同时燃烧气体热量和压力也决定粒子的温度和速度。从图4-4中可以看到，不同的燃料比值工件表面温度不同，当燃料比值为1时，表面温度为最低。

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400表面温度oC30020010000.91.0λ比值 1.1

图4-4 燃烧比值与工件表面温度之间关系

（5）工件表面温分布

图4-5 工件表面温度测量点示意图

在HVOF中，燃烧反应主要是氧气与各种燃料进行热化学反应，并释放大量的热量来熔化和加速粉末。[25]不同的加工参数工件上各点温度分布不同，同时温差也不相同。为了更好地研究工件上各点的温度分布，选择热喷涂工艺是速度900mm/s，靶距250mm，喷枪倾斜角0o的温度场进行测量。测量各点温度的分布我们选择了工件上圆周4点和圆心一点，分别记为1，2，3，4，5，如图4-5所示。测量温度从喷枪喷出的火焰接触1点起，进行横向扫描测量，喷枪每扫过一次对上述5个点测量一次，喷枪是从上部开始向下逐行进行喷射，测量结果如图4-6所示。从图4-6中可以看到，当火焰刚接触到2点时，2点的温度迅速上升，而这时其它各点的温度由热传导作用而缓慢上升。当扫描次数为7时，即到达工件中心线位置时，这时2点，4点，5点基本在一个水平线上，温度达到一个最大值，当喷枪继续向下运动，这时其它各点温度开始呈下降趋势，而最下边的3点温度开始上升，随喷枪继续向下运动，各点温度都开始下降。从图中温度分布曲线上看，1和4点的温度比其它点的温度都要高。这主要是因为1和4点都是火焰开始接触的点，1点是火焰从上部开始接触点，4点是火焰从最右边开始接触的点。火焰开始接触点热量传递速度比较慢，受到的热量冲击较其它点较大。温差较大的点是1点，最大温差为204oC，其次是4点为198oC，最小点是2点，温差为121oC。当喷枪结束第一周后，各点的温度基本趋于一致，温度都在150oC以上，更为巧合的是的是第二周进行扫描时，工件开始的温度几乎与第一周工件各点的最大温差一致，如表4-1所示。从第二周进行表面喷涂时，各点的温度曲线变化趋势基本与第一周一致，但温度差相应减少，同时各点的温差也趋近于一致，如表4-1所示。这是由于第二次

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