介绍了一种新型的超音速火焰喷涂技术———活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF) ,该工艺的喷涂过程对喷涂材料的氧化及热退化影响非常小,可以制备出极低氧化物含量和极高致密度的涂层 , 该涂层具有优越的耐磨损和耐腐蚀能力 , 同时其喷涂速度和沉积效率均优于传统超音速火焰喷涂 (HVOF) 。

前 　言

  热喷涂技术具有广泛的应用领域,与其他技术相比, 有许多优越性 ,20 世纪 80 年代出现的超音速火焰喷涂更促进了热喷涂技术的发展 , 扩大了其应用领域。氧与燃料以高速、高压喷入燃烧室 , 燃烧后产生 2 727 ℃的高温和1500 m/s 的高速膨胀气流 , 喷涂粉末送入这种气流中 , 粉末颗粒被加热并被加速喷射到基体上 ,得到高质量的涂层。

  对于许多金属、合金、金属陶瓷等材料 ,尤其是WC-Co材料,超音速火焰喷涂涂层的硬度、致密度及结合强度均优于等离子喷涂层,并且表面光滑、化学分解少、氧化物含量少,其涂层质量与爆炸喷涂涂层性能相当 , 成本却低得多。由于其优良的性能、技术的改进及可喷涂材料的拓宽 , 超音速火焰喷涂得到了越来越广的应用。

  虽然超音速火焰喷涂具有许多的优点 , 但也存在不足之处。目前的超音速火焰喷涂基本上都是用纯氧作助燃剂,氧气消耗大。例如 : 以煤油作为燃料的超音速火焰喷枪,耗氧量达10瓶/ h , 以丙烷、丙烯等作燃料的超音速火焰喷枪也超过3瓶/ h , 给操作、供气带来诸多不便 , 沉积速度和沉积效率也不高 ,如喷涂镍铬碳化铬粉末 , 沉积速度和沉积效率分别只有 1.8～4.4 kg/ h 和 30 % ～ 40 % , 由于以上原因使其成本相对较高。另外, 涂层的孔隙率、氧化物夹杂含量等还有降低的余地。

  近年来出现了活性燃烧高速燃气喷涂工艺 , 它是介于传统超音速火焰喷涂和冷喷涂之间的新喷涂工艺 ,可以称为热动能喷涂 , 其特点是通过压缩空气与燃料燃烧产生高速气流加热粉末 , 但并未使之完全熔化 , 同时将粉末加速至 700 m/s 以上 , 撞击基体 , 形成极低氧化物含量和极高致密度的涂层。这种喷涂工艺过程对喷涂材料的热退化影响非常低 , 制备的涂层表现出卓越的耐磨损及耐腐蚀特性;另一个突出的特点是生产效率高 , 其喷涂速率是传统超音速火焰喷涂的5～10倍 , 沉积效率也优于传统超音速火焰喷涂 。所有这些特点使热动能喷涂在很大程度上降低了涂层的加工成本 , 更有利于热喷涂技术的推广应用。现就国外新出现的 AC-HVAF 工艺的一些特征介绍如下。

1 　粒子温度和速度

  用 SprayWatch -i 热喷涂光学在线监测系统测量热动能喷涂系统在喷涂距离内喷涂粒子的表面温度和速度 ,燃料为丙烷 ,空气助燃 , 喷涂粉末为合金 625 和WC -10Co-4Cr 。

测量数据见表1 。

表 1 粒子的平均速度和表面温度

  喷涂粉末粒子的表面温度比所用的金属合金的熔点低200 ～ 250 ℃ , 这主要是使用燃烧温度相对较低的丙烷燃料的结果 , 从某种意义上说 ,AC-HVAF 喷涂技术也可以称得上是一种冷喷涂。另外 , 这两种粉末喷涂的粒子速度均比HVOF工艺有显著提高。理论计算得知 , 气体焰流速度仅为900 m/s,但却提供了极高的喷涂粉末加速效率 , 这正是其值得重视的特点。

 2 　涂层特性

2.1 　氧化物含量与孔隙率

  由于热动能喷涂过程中喷涂粒子并没有完全熔化 ,并且其粒子速度极高,喷涂粒子在AC-HVAF焰流中的停留时间短,喷涂材料在喷涂过程中的氧化反应受到了抑制, 使涂层中的氧化物含量非常低例如 ,在标准喷涂条件下 , 喷涂合金 671 材料(Ni-45Cr -1Ti)使用AC-HVAF工艺喷涂后的涂层中氧化物质量分数仅为 0.20 %( 粉末原料中的氧化物质量分数为0.06%),但采用 AC -HVAF 工艺可以使这种材料保持很低的氧化水平。另外 ,在AC -HVAF工艺涂层金相中观察不到氧化物夹杂。作为比较 , 利用不同的 HVOF喷涂系统喷涂了同样的 671合金粉末, 所得涂层中的氧化物质量分数均在0.95%～2.00 % 之间 , 数倍于AC -HVAF工艺的喷涂层。通常情况下, 在AC -HVAF工艺涂层的金相照片中很难检测到可见的金相孔隙,涂层与基体结合状态非常好,界面处也看不出缺陷.

2.2 　结合强度

  由于喷涂粒子的冲击速度极高,在金属基材上,AC -HVAF 工艺涂层可达到极高的结合强度 , 在碳钢上 , 碳化物金属陶瓷涂层的结合强度超过 70 ～ 84 MPa , 金属涂层的结合强度在 47 ～ 84 MPa 之间。 AC - HVAF 金属涂层可用榔头敲打而不开裂 , 有些涂层甚至可以经受焊接的热冲击而不会产生退化和脱落现象。以下为 AC- HVAF 涂层结合强度方面的的两个特性 , 充分体现了涂层优越的力学性能。

(1)  涂层的结合强度几乎不随其厚度的增加而变化 , 这说明涂层的残余应力极低。例如Ni-Si-B合金对灰铸铁基材的涂层厚度在 0.5 ～ 2. 0 mm 时 , 涂层的结合强度可维持在 70 ～ 77 MPa 之间 , 几乎不随涂层厚度发生变化。

(2)  对铝、镁、钛类基材而言 , 由于这些材料非常活泼,表面极易形成氧化物保护膜 , 阻止其得到较好结合强度的热喷涂涂层。但是利用 AC -HVAF 工艺制备的涂层却表现出很高的结合强度。这是由于AC-HVAF工艺中喷涂粒子具有极高速度,并且未完全熔化 , 这样就可以使这些高速固态粒子冲破这些材料的表面氧化薄层而嵌入到基材中,从而形成结合强度很高的涂层。例如铝基材(99%铝) 上 , 用AC -HVAF 工艺制备的奥氏体不锈钢涂层 ( 厚度为4 mm ) 的结合强度可达53MPa以上。

2.3  抗高温腐蚀

  AC -HVAF 涂层极低的氧化物含量和极高的致密度, 使得其在高温腐蚀环境下表现出优秀的性能。对比电弧喷涂、常规超音速火焰喷涂和AC -HVAF喷涂制备的 671 合金涂层在 N₂-1%H₂S-1%HCl气态环境中, 在 400 ℃温度下,经过1440h 之后的增重, 结果表明, 电弧喷涂层的增重为5.64mg/cm³、常规超音速火焰喷涂层的增重为 5.28 mg/cm³,而 AC -HVAF 喷涂层的增重只有3.98 mg/ cm³。由此可知 ,AC- HVAF工艺涂层的耐硫化腐蚀性能优于其他工艺制备的涂层。分别用电弧喷涂、常规超音速火焰喷涂和 AC-HVAF 喷涂制备625合金和671合金涂层 , 然后在空气中、700 ℃高温下,氧化1 000 h。625 合金及 671 合金涂层的氧化增重分别为 : 电弧喷涂层的增重为3.50 mg/ cm³和3.25mg/cm³,常规超音速火焰喷涂层的增重为2. 90 mg/ cm 3 和1. 85 mg/cm³,而AC- HVAF喷涂层的增重只有0. 60 mg/ cm³和0.70mg/cm³,625合金和671合金样块的氧化增重分别为0. 45mg/cm³和0.55mg/cm³。由此可知 ,使用AC- HVAF 工艺喷涂的合金 625 和合金 671 涂层相对于电弧喷涂层和常规超音速火焰喷涂层表现出更加优异的抗氧化性能 ,几乎与合金原材料的抗氧化性能相同 。这是因为用 AC - HVAF 工艺喷涂过程中,喷涂材料的热退化程度非常小 , 涂层中的氧化物含量极低 , 在温度升高时 ,AC - HVAF 工艺涂层将形成有效的烧结并形成弥散区 ,表现为固态金属特性。而对于其他的热喷涂工艺 , 由于喷涂材料在飞行过程中的氧化所产生的氧化膜的阻碍,使这种烧结与内部弥散现象被抑制住了。另外 ,这一结果也可以说明 AC - HVAF 工艺涂层的孔隙率是非常低的。

2.4 　抗裂性能

  脆性材料的抗裂系数 K _1C 的测量方法之一是测量维氏硬度时将锥形载荷加载至涂层表面 , 然后测量所产生裂痕的长度。因为 K _1C 正比于 (a/ c)^{3/ 2}, 其中 a 是压痕对角线 ,c是产生的裂痕长度 , 当 a > c 时 ,a/ c 值就可体现其抗裂能力。试验结果表明 , 不同的 HVOF 工艺喷涂制备的 WC - 基和 Cr ₃ C ₂ - 基涂层其抗裂系数为 1 ～ 4 之间 , 而在相同的测试条件下 ,AC -HVAF 工艺制备的涂层的抗裂系数在 100 ～ 200之间 , 表明其涂层的残余应力非常低 , 抗裂性能显著提高。这不仅表明涂层性能有了显著的提高 , 而且对热喷涂在应用领域的开发与应用也有很重要的意义。事实上 , 涂层抗裂系数的提高 , 为制备厚涂层提供了可能 , 用 AC - HVAF 工艺可以制备出厚十几毫米的涂层。在涂层应用中 , 表面温度变化对 AC-HVAF 涂层的影响更小 , 这样实际上是增加了涂层质量的稳定性。

2. 5 　加工性能

     AC -HVAF涂层抛光后, 可以达到极高的表面质量 , 特别是碳化物涂层 , 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)等涂层均可用常规的手段将其抛光至光学镜面 , 即R a 值小于 0.012 μ m 。例如在直径为 350 mm 的胶片精整辊上 , 使用 AC - HVAF 工艺喷涂厚度为 0. 5 mm WC -10Co -4Cr涂层 , 硬度为1 250 HV ₃₀₀ , 经常规抛光后表面粗糙度 R a 为0.010 μ m , 完全达到光学镜面的水平 , 具有一定的抗冲击性能和抗工具刮擦磨损性能。

2. 6 　高温抗冲蚀

    AC -HVAF 工艺涂层具有优良的高温抗冲蚀能力。选用从流化床锅炉中收集的炉床灰 ( 平均硬度 780 HV ₁₀₀ , 平均粒子尺寸 0.3 mm) 作为冲蚀剂, 在冲蚀剂速度为 60 m/ s , 样品温度为 300 ℃ , 冲击角度为30 ° , 冲蚀时间为 5 h , 炉床灰总量 375 g , 测量了常规超音速火焰喷涂和 AC -HVAF 喷涂制备的涂层的厚度损失状况 , 结果见表 2

表 2 　高温冲蚀条件下不同喷涂工艺制备

不同涂层的涂层厚度损失

从表 2 可以看出 , 相同测试条件下 ,AC-HVAF 工艺制备的碳化铬基涂层 , 其抗冲蚀能力与常规超音速火焰喷涂层相近 , 而 WC-基涂层的抗冲蚀能力要优于常规超音速火焰喷涂层。

3 　结 　语

(1)   活性燃烧高速燃气火焰喷涂是一种新型的高速燃气喷涂工艺 , 通过将粉末加热但未完全熔化的方法 , 来沉积金属和合金涂层 , 粉末粒子的表面温度比所用喷涂材料的熔点低 200～250 ℃ 。

(2)  AC- HVAF 技术能提供极高的喷涂粉末加速效率,使粉末的飞行速度达750～900 m/s。

(3)  AC-HVAF 涂层具有极低的氧化物含量、极高的致密度、优良的结合强度和可靠的力学性能 , 并且提高了涂层的抗腐蚀和抗冲蚀能力。

(4)  AC-HVAF 工艺涂层优异的性能使其在航空航天、电力、冶金、造纸、纺织、石油化工、食品、印刷等领域具有很好的应用前景。