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超音速火焰噴塗技術的發展和應用

時間:2012-09-27 08:34:07  來源:浙江冶金  作者:陳利斌,王雪元,徐群飛,傅肅嘉

  超音速火焰噴塗技術的發展和應用
  陳利斌,王雪元,徐群飛,傅肅嘉
  浙江冶金
  
  超音速火焰噴塗(High Velocity Oxy fuel,簡稱HVOF)是20世紀80年代初在普通火焰噴塗的基礎上發展起來的一種新型熱噴塗技術。它是利用氫、乙炔、丙烯、煤油等做燃料,用氧氣作助燃劑,在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒,產生高達2000 ~3000℃、2100m/s以上速度的超音速燃焰,同時將粉末送進火焰中,產生熔化或半熔化的粒子,高速撞擊在基體表麵上沉積形成塗層,其塗層比普通火焰噴塗或等離子噴塗結合強度更高,更致密。
  HVOF發展非常迅速。從1982年美國的James.A.Browning開發出第一代超音速火焰噴塗裝置Jet Kote I以來,僅10餘年,HVOF工藝及裝置取得了長足的進展,其優異的塗層質量及與自動控製係統的結合使用,使該工藝從問世之初的僅用於飛行發動機零部件耐磨層噴塗,發展到航空、冶金、紡機、汽車、鐵路等領域的大量應用,代表了現代熱噴塗技術發展的方向。
  超音速火焰噴塗技術在帶來顯著社會效益的同時也具有顯著的經濟效益。據市場估計,目前全球每年超音速火焰噴塗服務費已達2.1億美元,預計到2015年,HVOF工藝將在熱噴塗業擁有25%的市場,占據噴塗業第二的位置。
  摘 要:超音速火焰噴塗(HVOF)具有火焰速度高、溫度低、塗層結合強度高、致密性好等優點。主要介紹超音速火焰噴塗的原理、發展曆程、材料應用及對未來發展的展望。
  關鍵詞:超音速火焰噴塗;噴塗材料;塗層性能;發展
  1 發展
  自1953年以來的幾十年間,熱噴塗界一致公認的最佳熱噴塗工藝方法是Linde Division Union Carbide所擁有的爆炸噴塗,即D-Gun。D-Gun具有很多突出的優點,它可以生產出具有非常高的硬度、密度以及良好結合強度的塗層,D-Gun噴塗的WC-Co塗層就是最典型的塗層之一。D-Gun噴塗塗層的質量一直是其它熱噴塗工藝方法所追求的目標。然而,D-Gun僅僅是Union Carbide的工藝與技術,而其它用戶隻能得到Union Carbide的獨家塗層服務,並為此不得不付出高額的費用。獨家壟斷限製了爆炸噴塗技術的推廣與應用。HVOF技術耗氣量非常高,供氣係統龐大,推廣應用受到限製。降低氧氣和燃料消耗就成了這一領域攻關的主要目標。早在20世紀50年代,為了生產出高質量的WC-Co熱噴塗塗層,Linde Divi-sion Union Carbide開發了一種軸向送粉水冷卻喉部燃燒的噴塗槍。這個係統的優點是結構簡單,減小了燃燒室的表麵積從而降低了噴塗槍的熱損失。這種噴塗槍的熱效率可達到80%,也就是說,燃料燃燒所釋放的80%能量都轉化為有效的噴塗動能和熱能。然而令人遺憾的是,這個具有高熱效率的噴塗裝置卻有一個致命的弱點,為了保持穩定地燃燒,其燃燒功率受到了嚴格地限製,所以此噴塗槍的燃燒室壓力和出口速度隻能維持在一個較低的水平。由於噴塗槍燃流的出口速度是由燃燒室的壓力所決定的,噴塗顆粒的飛行速度隻能達到燃流速度的25%~50%,而且噴塗顆粒的飛行速度是影響熱噴塗塗層質量的關鍵因素,所以此噴塗裝置噴塗的塗層質量較差,沒有達到預期目的。
  為了提高塗層質量,Meteco公司對此噴塗槍進行了改進,研製出了空氣冷卻喉部燃燒裝置。這種設計更加簡化了噴塗槍的結構(減掉了水冷壁),並減輕了噴槍重量。然而這種噴塗裝置的主要缺點是,冷卻空氣向燃流中的擴散與混合加大了噴塗燃流的氧化性,從而導致塗層中氧化物含量的增高。此外,空氣對焰流的攪動和混合降低了火焰的溫度並且使噴槍不能使用有利於噴塗顆粒加速的長噴管。總而言之,喉部燃燒噴塗裝置噴塗的塗層質量還遠遠不能與D-Gun塗層相比。
  20世紀80年代,Browning等人在高速火焰噴塗槍的設計上做了大量的工作,他們使用直徑較大的燃燒室在保證火焰穩定燃燒的前提下增加噴塗槍的輸出功率,目的是提高燃燒室的壓力,進而提高噴塗燃流和顆粒的飛行速度。與喉部燃燒器相比,燃燒室燃燒的噴塗裝置噴塗顆粒的飛行速度高而且加熱更充分,因為它采用了更長的隔絕空氣的噴管。隨後美國各個著名的熱噴塗公司亦競相開發高速火焰噴塗技術。根據燃燒室形式的不同,目前市場上可以見到7種HVOF噴塗裝備。它們分別是Jet-Kote、Diamond Jet、Top Gun、CDS、HV2000、JP-5000和Aerospray。Jet-Kote是最早的直角燃燒室/軸向送粉的燃燒器。Metco公司開發出的Di-amond Jet(D-J)技術、Miller Thermal Inc研製出TopGun高速火焰噴槍,使燃氣消耗僅為HVOF的一半。
  TAFA公司研製的JP-5000高速火焰噴槍,采用價格低廉的煤油作燃料,可進一步降低成本。特別是Amoco Oil Company研製出一種屏蔽裝置,能在HVOF高速射流的周圍產生一個高壓螺旋狀流動的惰性氣流,保護噴射粒子不被氧化,並使用氫氣作燃料氣。用這種改進的HVOF技術噴塗的哈氏合金和不鏽鋼塗層,無氣孔,組織均勻,其耐蝕性與這些材料鍛件的耐蝕性相當,甚至更好。這就為石化工業解決高溫、高壓、強腐蝕介質條件下大麵積噴塗優質耐蝕塗層找到了有效途徑,並已成功地應用於一些大型部件上。
  在HVOF技術中,噴槍是產生穩定的高速火焰的必要保證,是保證塗層質量的關鍵。HVOF噴槍主要由三部分組成:供空氣與燃料混合後燃燒的燃燒室,將焰流加速到超音速的Laval噴嘴和使噴塗材料粒子得到充分加熱加速的等截麵長噴管。噴槍設計就是根據燃燒學及空氣動力學理論以燃燒室或加速管內高速焰流的穩定燃燒作為目標函數,建立係統設計的理論模型。超音速火焰噴槍的基本工作原理為:由Laval噴嘴進入燃燒室內的液體燃料如煤油,經霧化與空氣混合後點燃,發生劇烈的氣相反應,燃燒放出的熱能使燃燒產物劇烈膨脹,此膨脹氣體流經Laval噴嘴時,受噴嘴的約束作用形成超音速高溫焰流,噴塗材料粒子在超音速高溫焰流的作用下,得到加熱和加速後噴出。
  以JP-5000噴槍為例,燃油和高壓氧氣分別通過小孔進入燃燒室,在其中混合、霧化並由火花塞點火燃燒,溫度可達3000K,壓力可達150 Psi。燃氣通過一個Laval噴管從槍筒噴出,塗層材料的粉末從該噴管出口處注入,噴管尺寸及形狀設計使得在粉末注入處產生超音速過度膨脹,使粉末注入更容易,然後塗層粉末被高速燃氣流攜帶加速、混合並熔化或半熔化,最後高速衝擊到基體表麵,形成牢固的塗層。在槍筒出口可看到若幹個馬赫節。由於燃燒室、噴管及槍簡中高溫燃氣的流動,因此必須對器壁進行冷卻。該噴槍使用煤油作燃料,其噴塗成本大約隻有氫氣的1/10和丙烯的1/5,而且隨處可得、貯存安全。
  評判HVOF噴塗係統的優劣標準是塗層質量。決定熱噴塗塗層質量的因素為:高的燃燒室壓力-高的燃流速度-高的顆粒飛行速度-高的塗層質量。JP-5000噴塗係統恰好符合這一原則,它有目前最高的燃燒室壓力,其噴塗顆粒的飛行速度可達1000m/s~l200m/s,所以它噴塗製作的塗層具有非常高的結合強度和密度,同時氧化物含量也非常低,其原因一是HVOF的火焰溫度低,再一個是由於顆粒的飛行速度快,致使顆粒在空氣中的氧化暴露時間非常短。特別是當噴塗製作WC-Co塗層時,JP-5000噴塗係統的工藝特點尤為突出,因為WC顆粒在高溫下很容易發生脫碳分解反應。
  2 材料及其應用
  從表1可以看出,HVOF塗層特點是結合強度、硬度高,孔隙率、氧化物含量低。
  HVOF噴塗具有優異的低溫高速特性,這特別適合於噴塗耐磨性能良好的碳化鎢類材料,因為在高溫和氧化條件下噴塗,很難避免WC脫碳分解。除了碳化鎢類材料之外,碳化鉻材料、某些金屬材料、陶瓷材料等,都非常適合HVOF,在不同領域都有各自的應用[1]。常用的塗層材料有六類。
  2.1 碳化鎢類材料
  HVOF技術首先在WC-Co類合金上開始應用。與等離子噴塗相比,HVOF的燃焰溫度較低、粒子速度快,因此塗層的殘餘應力低,結合強度高,氧化物少、密度高,塗層性能更加優越。碳化鎢塗層材料一般有WC/10Ni、WC/10Co、WC/10Co4Cr等,這些塗層材料可以提供非常好的抗磨損和抗腐蝕性能。
  HVOF技術具有低溫、高速特點,在噴塗碳化鎢類塗層材料時碳化鎢相的氧化分解得到抑製,保留了碳化鎢相的耐磨特性,因此塗層的耐磨性能優良。這類塗層應用在關鍵機械零部件上效果良好,已經大量應用在注塑機螺杆表麵,造粒機寫切料模具的刃口,拔絲塔輪工作麵上的抗磨損塗層上。近年來,HVOF噴塗工藝已經開始在飛機起落架的製造中應用,並在一些零件製造逐步代替鍍硬鉻工藝。與傳統的鍍鉻工藝相比,HVOF噴塗的碳化鎢塗層除了具有孔隙率小、結合強度高、硬度高、沉積速率高等優點外,而且由於不接觸酸液,避免了氫脆對零件的影響,也避免了對環境造成嚴重的汙染,因此HVOF噴塗是電鍍硬鉻的理想替代工藝。
  2.2 碳化鉻類材料
  由於碳化鎢塗層在使用中有一定的溫度限製,因此其它耐熱塗層材料如碳化鉻類材料得到了發展,例如Cr3C2-25NiCr材料。HVOF噴塗Cr3C2-25NiCr能得到殘餘應力為壓應力的塗層,塗層組織更為致密且內聚力極高,塗層與基體有更高的結合力,噴塗過程中粉末脫碳甚少,因而塗層的硬度更高、可靠性更好。
  Cr3C2-NiCr材料已廣泛應用於關鍵零部件的耐磨塗層,在機械、冶金等行業有著廣泛的應用前景,如泵類密封件、活塞件、軋輥等工作表麵。HVOF工藝製備的Cr3C2-NiCr的塗層具有硬度高、孔隙率低(<0.9%)、與基體結合強度高(>70MPa)等特點。所製備的塗層能滿足高耐磨零部件的使用要求[2]。
  2.3 金屬類材料
  做為熱噴塗材料的金屬材料一般要求具有較好的抗磨損或抗腐蝕性能。在鍋爐管道、化學溶槽襯裏等大體積零件一般用NiCr合金或其它高合金/超合金組合金屬材料,如各種類型的MCrAlY塗層材料,包括CoNiCrAlY、NiCoCrAlY、NiCrAlY及Fe-CrA1Y等。這些材料能為熱隔離提供了穩定的塗層,同時也可作為獨立高耐磨抗腐蝕塗層應用於高溫環境。
  大中型水電站的水輪機使用超音速火焰噴塗的MCrAlY,塗層致密且結合強度高,能夠有效抵抗泥砂的強烈衝刷和磨損,提高了水輪機過流部件的使用壽命[3]。固定式燃氣機中的葉片不僅要遭受到高溫導致硬度降低,還要經受到空氣和燃料汙染等侵蝕。為了避免這種現象並改善其抗腐蝕性能,絕大多數葉片均噴塗上MCrA1Y塗層。
  2.4 陶瓷類材料
  陶瓷粉末可采用HVOF技術進行噴塗。HVOF技術製備的Al2O3基塗層比用等離子噴塗的塗層密度更高,更能形成光滑的噴塗表麵。采用HVOF技術的某些陶瓷塗層實質上是無空隙的,並且表現出優異的性能。
  2.5 塑料
  HVOF工藝允許粒子熱比率到粒子動能(速度)的柔性變化,這種雙重控製適應噴塗塑料。熱塑性塑料和熱固性塑料均可以作為完整的塗層應用而不影響它們的基本化學結構及特異性能。
  2.6 其它新材料
  通過HVOF噴槍沉積各種合金成分正在不斷地被開發出來,包括超合金、新MCrAIY成分、非晶合金以及獨一無二的準結晶成分,以及碳化鈦/鉬和碳化鈦-碳化鎢/鉬成分等,它們能提供上乘的抗磨損能力,以及高的覆蓋率和低的成本。
  3 發展方向
  3.1 HVIF係統
  盡管目前市場上有多種型號的超音速火焰噴塗係統可供選擇,但它們都存在一個共同的問題就是槍管堵塞。為了解決這一難題和徹底消除熱噴塗塗層中的氧化物,J.B.Browning於1992年首次提出了一種新的熱噴塗工藝設想———超音速撞擊熔化噴塗(HVIF)。HVIF設想的理論依據是,噴塗燃流從高壓的燃燒室到大氣環境中所發生的劇烈膨脹會導致噴塗燃流的溫度大幅度下降,這樣就可能使噴塗顆粒所進入的超音速燃流的溫度低於顆粒的熔點,從而保證噴塗顆粒在撞擊基體表麵之前不發生熔化而隻得到軟化,因此不至於堵塞槍管。當噴塗顆粒以非常高的速度撞擊到基體表麵時,撞擊的生成熱再將顆粒熔化並形成塗層。這種熱噴塗工藝方法的突出特點是最大限度地降低了噴塗顆粒在噴塗過程中發生的氧化等化學反應的可能性,同時也解決了超音速火焰噴塗槍管堵塞的難題。Browning的初步實驗表明,HVIF塗層的密度幾乎達到100%,而且塗層與基體間的結合強度也非常高,所以HVIF是超音速火焰噴塗的未來發展趨勢之一。
  3.2 HVAF係統
  HVAF是一種采用壓縮空氣代替氧氣助燃的超音速火焰噴塗技術,具有成本低,塗層質量好的優點。
  HVOF噴塗使用氧氣助燃,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藝參數,需氧氣流量為0.9438m3/min,則每瓶氧氣可維持5~6 min;HVAF采用壓縮空氣,節約了氧氣成本。
  從塗層性能來看,由於HVOF燃焰溫度一般為3000℃,粒子速度為350-650m/s,而HVAF燃焰溫度隻有2000℃,粒子速度可達1000- 1200m/s,因此可抑製材料氧化和WC相分解,殘餘應力低,結合強度更好,因此,HVAF也是目前超音速火焰噴塗技術的重要發展方向之一。近年來各國競相研究空氣超音速火焰噴塗係統(HAVF),美國、英國、日本等發達國家均己成功研製了HVAF係統,我國的HVAF係統也已經研發成功,但應用還比較少。
  3.3 SHS與HVOF的結合係統
  超音速火焰噴塗溫度比等離子噴塗低,因此不適於噴塗高熔點的金屬和陶瓷材料。如果將自蔓延高溫合成(Self-propagatingHigh-temperature Syn-thesis,簡稱SHS)技術和超音速火焰噴塗技術相結合,采用高放熱反應體係材料為噴塗材料,噴塗材料合成時放出大量的熱,再和火焰熱相疊加,提高熔滴的溫度,可使高熔點的陶瓷硬質相熔化、球化和細化,改善金屬與陶瓷的結合性,從而提高塗層與基體以及塗層層間的結合強度,同時超音速率可以縮短熔滴在空氣中的氧化時間,達到近無孔、低氧結構的優質塗層。因此將自蔓延高溫合成技術和超音速火焰噴塗技術相結合也是超音速火焰噴塗的未來發展趨勢之一。
  也許最終的熱噴塗技術是一個組合係統,它合並等離子噴塗的高熱能優點和超音速噴塗的無孔隙、無氧化物的特點———具有外加完整操作的無限控製,如果這樣的係統研製出來,熱噴塗將會在抗磨損和腐蝕領域得到更廣泛應用。
  
圖略
參考文獻略

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