超音速火焰噴涂技術(shù)的研究與應(yīng)用

安浩

摘 要：超音速火焰噴涂是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種高能噴涂方法，它的開發(fā)是繼等離子噴涂之后熱噴涂工業(yè)最具創(chuàng)造性的進(jìn)展。雖然超音速火焰噴涂方法可噴涂的材料很多，但因其火焰含氧量少，溫度適中，焰流速度很高，可以有效地防止粉末涂層材料的氧化和分解，所以被廣泛地應(yīng)用于碳化物類涂層的噴涂。本文采用超音速火焰噴涂制備T800涂層，利用金相顯微鏡對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并通過顯微硬度測試、表面硬度測試、拉伸試驗(yàn)等測試方法確定涂層的最佳噴涂參數(shù)

關(guān)鍵詞：T800;涂層;超音速火焰噴涂技術(shù)

前言

超音速火焰噴涂（HighVelocityOxygenFuel，HVOF）的出現(xiàn)使得制備高質(zhì)量非晶涂層成為了可能。HVOF具有火焰速度快、火焰溫度低、噴涂粒子冷卻速度快等特點(diǎn)。一般非晶形成的條件是最大臨界冷卻速度達(dá)到106K/s以上，而HVOF熱噴涂可以獲得臨界冷卻速度107K/s左右，使得多數(shù)合金成分都可在臨界速度以上噴涂而形成非晶態(tài)組織。通過HVOF噴涂制備的涂層往往比較致密、氧化物含量低、同時(shí)具有比等離子噴涂等噴涂方式更高的結(jié)合強(qiáng)度。此外，超音速噴涂與等離子噴涂相比能夠在較低溫度條件下進(jìn)行減少WC的分解。當(dāng)然，超音速火焰噴涂也有其局限性，相對(duì)于WC-Co燒結(jié)技術(shù)，超音速火焰噴涂層仍然會(huì)受到WC脫碳和分解的影響，導(dǎo)致形成W2C、W和W-Co-C相。需要指出的是，超音速涂層顯微組織、性質(zhì)和孔隙率主要取決于涂層形成前的氣體噴射和飛行粒子的傳熱和傳質(zhì)。燃料的性質(zhì)和化學(xué)計(jì)量比以及相關(guān)的燃燒氣體是決定涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵條件。

1 超音速火焰噴涂的原理及特點(diǎn)

圖1為超音速火焰噴涂原理。燃料氣體（氫氣，丙烷，丙烯或乙炔-甲烷-丙烷混合氣體等）與助燃劑（O2）以一定的比例導(dǎo)入燃燒室內(nèi)混合，通過爆炸式燃燒產(chǎn)生的高溫氣體高速通過膨脹管獲得超音速;同時(shí)通入送粉氣（Ar或N2），并定量地沿燃燒頭內(nèi)碳化鎢中心套管送入高溫燃?xì)庵?，最終一同射出并噴涂于工件上形成涂層。

1-粉末及送粉氣;2，3-冷卻水;4-氧氣;5-燃料氣圖1超音速火焰噴涂原理在噴涂機(jī)噴嘴出口處產(chǎn)生的焰流速度一般為音速的4倍，即約為1520m/s，最高可達(dá)2400m/s（具體與燃燒氣體種類、混合比例、流量、粉末質(zhì)量和粉末流量等有關(guān)），粉末撞擊到工件表面的速度估計(jì)為550m/s～760m/s。之所以能有這么高的速度，關(guān)鍵在于按流體力學(xué)的原理合理設(shè)計(jì)制造了一個(gè)噴嘴，稱之為Laval管的膨脹管。目前利用超音速火焰噴涂技術(shù)制備T800鈷基合金涂層的相關(guān)研究較多，應(yīng)用T800鈷基高溫耐磨合金進(jìn)行表面強(qiáng)化的工藝主要包括堆焊工藝、激光熔覆技術(shù)以及等離子噴涂技術(shù)。與等離子噴涂制備的T800涂層相比，超音速火焰噴涂制備的T800涂層具有更致密（更低的孔隙率）、更高硬度、更好的結(jié)合強(qiáng)度等特點(diǎn)。

2 超音速噴涂實(shí)驗(yàn)

2.1 噴涂設(shè)備

噴涂設(shè)備包括JKIII超音速火焰噴涂設(shè)備、GS943噴砂設(shè)備、ABB2600六軸機(jī)器人和AMS16000轉(zhuǎn)臺(tái)。

2.2 試樣準(zhǔn)備

試樣基材為Inconel718，規(guī)格為Φ25.4mm×5.5mm。

2.3 噴涂粉末

噴涂粉末采用司太立Tribaloy-T800，粉末為球形，平均粒徑為45μm。

2.4 噴涂流程

基體材料經(jīng)60#白剛玉砂進(jìn)行噴砂處理，涂層粗糙度控制在Ra2.5～Ra3.5。采用型號(hào)為JKIII型超音速火焰噴涂設(shè)備制備T800涂層。為比較不同噴涂參數(shù)對(duì)涂層性能與金相結(jié)構(gòu)的影響，選取5組不同噴涂參數(shù)進(jìn)行分析。需要說明的是，噴嘴直徑與噴距在實(shí)驗(yàn)中采用的是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，保持不變。

3 超音速火焰噴涂與等離子噴涂T800涂層對(duì)比

為了更好地對(duì)比超音速噴涂制備T800涂層與等離子噴涂T800涂層的性能差異，特采用等離子F4制備一組T800涂層。對(duì)等離子噴涂T800涂層試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)得出拉伸強(qiáng)度為26.58MPa，進(jìn)行硬度測試得出表面硬度HR15N為86.3。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與超音速噴涂T800涂層的拉伸強(qiáng)度與表面硬度相比，等離子噴涂T800涂層的拉伸強(qiáng)度與表面硬度都略低。

4 工藝參數(shù)對(duì)超音速火焰噴涂的影響

超音速火焰噴涂是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，其中所有工藝參數(shù)都會(huì)影響到涂層的顯微組織和涂層成分。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）顯微硬度隨著孔隙率的降低和粒子結(jié)合強(qiáng)度的增大而增大，而孔隙率和粒子結(jié)合強(qiáng)度主要是受到粒子飛行速度和熔融溫度的影響。（2）顯微硬度會(huì)受到涂層中W2C含量的影響較大，W2C相的硬度要高于WC相，WC分解量越大涂層硬度越高，但是容易導(dǎo)致涂層熱硬性的降低;相反，涂層中WC和Co相含量越高，涂層硬度越低。（3）顯微硬度與晶粒尺寸的關(guān)系，大體趨勢就是涂層中碳化物的晶粒尺寸越小，涂層的顯微硬度越高。在某些情況下，例如采用壓頭加壓觀察其痕跡，可以發(fā)現(xiàn)硬度與晶粒尺寸是負(fù)相關(guān)的。這是因?yàn)閴汉叟c涂層的孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)。（4）顯微硬度還會(huì)與基體的預(yù)熱溫度有關(guān)，較高的基體溫度能夠改善涂層的結(jié)合強(qiáng)度以及使熔融的粒子平坦化。

5 結(jié)論

（1）本文利用超音速火焰噴涂工藝，通過改變不同噴涂參數(shù)制備T800涂層，對(duì)涂層分別進(jìn)行顯微硬度測試、表面硬度測試與拉伸測試，并對(duì)其進(jìn)行金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，氧氣與氫氣流量比保持在2.95左右，噴涂角度保持在90°，送粉量保持在20g/min，噴涂溫度保持在250℃～300℃下進(jìn)行噴涂，得到的涂層的拉伸性能、表面硬度與顯微硬度均為最佳。

（2）與等離子噴涂相比，超音速火焰噴涂T800涂層在拉伸強(qiáng)度與表面硬度性能上都有較大優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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