超音速火焰噴涂工藝探索

虞揚

（河北省邯鄲市永年區(qū)海翔機械廠 河北邯鄲 057150）

超音速火焰噴涂工藝是現(xiàn)代熱噴涂工藝的一種，也是現(xiàn)代熱噴涂工藝的主要發(fā)展方向。超音速火焰噴涂工藝的應(yīng)用，在很大程度上滿足了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)娡抗に嚨男枨?。但是，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的高要求背景下，超音速火焰噴涂工藝應(yīng)用也存在一定的問題急需解決。所以，在當(dāng)前研究超音速火焰噴涂工藝的過程中，對工藝進行全面的解析非常關(guān)鍵。在工藝原理基礎(chǔ)上，對影響工藝實施的各項因素進行分析，繼而實現(xiàn)對工藝的優(yōu)化探索，促進超音速火焰噴涂工藝的發(fā)展。

1 超音速火焰噴涂工藝的研發(fā)背景分析

噴涂工藝是工業(yè)中需求量非常高的工藝，所以工業(yè)生產(chǎn)對于噴涂工藝的研發(fā)也從未停止。在20世紀(jì)50年代左右，爆炸噴涂D-gun工藝是應(yīng)用非常廣泛的工藝手段，同時噴涂工藝的應(yīng)用效果也符合當(dāng)時社會生產(chǎn)的要求。但是，隨著工業(yè)生產(chǎn)的效率提高、工業(yè)生產(chǎn)對于噴涂工藝的應(yīng)用需求也隨之提高。傳統(tǒng)的D-gun噴涂工藝應(yīng)用問題也逐漸暴露，在爆炸噴涂工藝應(yīng)用中，存在工作環(huán)境差、工藝操作危險系數(shù)高、噴涂時間慢、效率較差的問題。所以，在噴涂工藝應(yīng)用過程中，相關(guān)專家開始了對新噴涂工藝的研發(fā)。另外，研發(fā)新的噴涂工藝也是噴涂工藝市場的需求，因為在當(dāng)時爆炸噴涂工藝一直都被Unine Carbide 所壟斷，所以研發(fā)新噴涂工藝也是在研發(fā)打破市場壟斷的新技術(shù)［1］。

在噴涂工藝專家的不斷研究下，到20世紀(jì)的80年代左右，超音速火焰噴槍在美國出現(xiàn)，是利用超音速噴漆原理研制的噴漆設(shè)備。超音速噴漆工藝具體是在1985年開始投入到社會生產(chǎn)當(dāng)中，一經(jīng)問世就得到了良好的評價。該工藝的應(yīng)用不僅打破了傳統(tǒng)爆炸噴涂工藝的壟斷，同時也創(chuàng)建了屬于自己的技術(shù)時代［2］。

超音速噴涂技術(shù)之后也在不斷地創(chuàng)新發(fā)展。1991年，METCO公司在初始的超音速噴涂技術(shù)之上，研發(fā)了2600 和2700 兩種型號的噴涂工藝。在技術(shù)創(chuàng)新過程中，超音速火焰噴涂技術(shù)不斷革新自身的技術(shù)方向，分別完成了燃燒空間改進、燃油類型改進、冷卻方式改進等多方面內(nèi)容。通過冷卻方式的綜合改進，確保噴涂工藝的應(yīng)用更加合理，也能夠最大程度上提升噴涂工藝效果，確保技術(shù)應(yīng)用更加合理。另外，在當(dāng)前社會生產(chǎn)力的不斷要求下，超音速噴涂工藝還在不斷創(chuàng)新，現(xiàn)代社會中應(yīng)用最為廣泛的就是HVOF技術(shù)，該技術(shù)為超音速火焰噴涂工藝的第三代技術(shù)。在該技術(shù)的應(yīng)用過程中，其火焰速度特性有所提升，并且與前兩代工藝相同，都是采用軸向送粉技術(shù)。HVOF技術(shù)在應(yīng)用過程中，與前兩代技術(shù)相比，可以用更快的速度和較低的溫度輸送粒子，在沉積過程中粒子碰撞基體表面時能產(chǎn)生一定的噴丸效應(yīng)，從而在涂層產(chǎn)生壓應(yīng)力，也能顯著提高涂層結(jié)合強度［3］。

2 超音速火焰噴涂工藝研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)代社會生產(chǎn)中，應(yīng)用超音速火焰噴涂工藝都屬于HVOF系統(tǒng)，該技術(shù)已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，同時該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會的各項生產(chǎn)當(dāng)中。

（1）HVOF 超音速火焰噴涂技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。航天壓縮機的葉片、航天壓縮機靜子葉片都需要使用到超音速火焰噴涂技術(shù)進行噴涂。而與之前使用的爆炸噴涂工藝相比，采用HVOF 超音速火焰噴涂技術(shù)也具有低成本、高效率的特點［4］。

（2）HVOF超音速火焰噴涂技術(shù)更多地應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。在石油化工生產(chǎn)過程中，石油化工生產(chǎn)對于儲存裝置、管道設(shè)備的抗腐蝕要求非常高，所以需要采用良好的噴涂工藝將防腐材料及金屬材料噴涂于設(shè)備表面或者內(nèi)表面。而通過不斷的技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，采用HVOF 技術(shù)可以實現(xiàn)WC-CO、Cr3+等金屬粉末有效噴涂。在噴涂工藝研究過程中發(fā)現(xiàn)，采用該工藝還能夠提升腐蝕層表面的耐磨性能，所以該工藝應(yīng)用不僅提升了石油化工設(shè)備抗腐蝕性，同時也具有提升結(jié)構(gòu)硬度和結(jié)構(gòu)使用性能的功能。另外，進一步研究發(fā)現(xiàn)，使用超音速火焰噴涂工藝進行石油設(shè)備噴涂中，能夠保證涂層的抗溫度性能達到540℃、壓力在140～150MPa即可，也是比較理想工作溫度耐力和壓力耐力［5］。

（3）冶金領(lǐng)域中也開始應(yīng)用超音速火焰噴涂工藝?，F(xiàn)代礦產(chǎn)冶金領(lǐng)域中，大部分使用錕道結(jié)構(gòu)進行金屬物質(zhì)輸送，按時在輸送過程中，由于長時間的金屬摩擦，很容易造成物料損傷及錕道損傷。所以，冶金裝備相關(guān)專家在研究過程中，提出了利用HVOF超音速火焰噴涂技術(shù)將Co基WC粉末噴涂于輥道之上技術(shù)。該技術(shù)在應(yīng)用過程中，能夠提升輥道的使用壽命，提升表面抗磨性及硬度性能。另外，在相關(guān)性能研究過程中，發(fā)現(xiàn)采用該金屬材料及HVOF超音速火焰噴涂技術(shù)進行表面噴涂，能夠使錕道噴涂表層的抗高溫度性能達到450℃。

（4）在印刷領(lǐng)域中，相關(guān)研究利用HVOF超音速火焰噴涂技術(shù)進行印刷琨的鍍鉻。在印刷琨噴涂鉻金屬，提升了表面硬度，也提升了物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)硬度。

研究發(fā)現(xiàn)，HVOF 超音速火焰噴涂技術(shù)主要應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的裝置保護層噴涂當(dāng)中，具有工藝操作簡單、工藝應(yīng)用性能良好的特點。而在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展的背景下，噴涂工藝行業(yè)也應(yīng)該不斷地創(chuàng)新發(fā)展，保證與工業(yè)生產(chǎn)同步前進，確保技術(shù)始終不出現(xiàn)落后的問題［6］。

3 超音速火焰噴涂工藝原理分析

3.1 超音速火焰噴涂工藝原理

超音速火焰噴涂工藝之所以在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，正是由于其工藝的應(yīng)用特點。而在其工藝的具體應(yīng)用過程中，也是延續(xù)了基本的熱噴涂工藝原理。在熱噴涂工藝應(yīng)用過程中，噴涂溫度與噴涂速度是十分重要的兩項因素，直接影響到噴涂工藝應(yīng)用與涂層效率。而超音速火焰噴涂工藝實施過程中，主要是利用丙烷、丙烯等碳?xì)湎等細(xì)饣蚝娇彰河蜑樵?，利用原料在燃燒室燃燒后產(chǎn)生的火焰流將金屬粉末噴涂到被噴物件當(dāng)中。在超音速火焰噴涂工藝實施過程中，該工藝的噴涂溫度可以達到3100～3200℃，噴涂速度也可以達到1500m/s以上。

在具體的噴涂中，噴涂粉末通過超音速火焰噴涂槍的管徑進入到火焰中，火焰的溫度足以將粉末熔化成固體粒子及半熔化粒子，并且半熔化的粒子具有非常強的黏附性能，在噴射路徑中與固體粒子連接，最后也粘附到被噴涂物體表面，從而形成了噴涂層。所以，采用超音速火焰噴涂工藝進行噴涂過程中，是一種粒子與半熔化粒子的有效結(jié)合層，也使表層具有雙重性能，提升了表面的物理硬度性能。

3.2 超音速火焰噴涂工藝分析

通過上述超音速火焰噴涂工藝的噴涂原理可以發(fā)現(xiàn)，在整個工藝應(yīng)用的過程中，影響到噴涂工藝應(yīng)用的主要參數(shù)包括燃油種類、燃?xì)饬髁?、氧氣流量、噴涂距離以、槍管長度、粉末性質(zhì)等。所以，在超音速火焰噴涂工藝實施過程中，影響到工藝效果的因素非常多。在現(xiàn)代超音速火焰噴涂工藝探索過程中，相關(guān)專家也對超音速噴涂火焰工藝的各方面影響性能進行研究分析。

（1）相關(guān)專家在分析過程中，針對超音速火焰噴涂工藝的粒子飛行速度因素進行了分析。在分析過程中，以陶瓷粉末為實驗材料，采用陶瓷粉末進行物質(zhì)表面噴涂過程中，陶瓷粉末的粒子飛行速度越大，就越能夠有效地減少飛行時間，而飛行時間減少，也減少了粒子在飛行過程中氧化的概率及粒子氧化的比例，從而也讓整個噴涂粒子著陸到被噴涂物質(zhì)表面的數(shù)量增加；同時，從粒子質(zhì)量守轉(zhuǎn)換定律而言，粒子速度越快、撞擊到被噴涂物質(zhì)表面的數(shù)量越多、撞擊力越大，也更有利于提升粒子的粘附性和展鋪性能，最終提升了面層的噴涂效果，面層的噴涂致密性更高。

（2）相關(guān)專家在研究分析過程中，為了詳細(xì)驗證超音速火焰噴涂工藝的主要影響因素，建立了相關(guān)正交實驗。在實驗過程中，將超音速火焰噴涂工藝的氧氣量設(shè)為不變量，將燃油流量、噴涂距離、送粉氣流量等參數(shù)設(shè)定為變量，采用鎳基復(fù)合粉末對鐵質(zhì)物體進行噴涂，最后判定噴涂層的性質(zhì)。在整個實驗過程中，通過對比各項變量對噴涂層性能的影響，發(fā)現(xiàn)燃油流量參數(shù)變化的情況下，超音速工藝應(yīng)用噴涂層的性能變化率最大，同時發(fā)現(xiàn)對工藝影響最小的因素是送粉量因素，也就是說，通過增加粉末數(shù)量的方法并不能對噴涂層的性能起到多少效果，假設(shè)如果粉末過多，反而會造成噴涂層較厚，影響物體其他性能的問題。

（3）另外也有專家通過針對性實驗，研究了被噴涂物體表層粗糙度是否對涂層性能造成影響。通過研究發(fā)現(xiàn)，粗糙度對涂層與基體間結(jié)合力影響巨大，提高基體粗糙度能夠顯著提高涂層與基體間的結(jié)合力［1］。

超音速火焰噴涂技術(shù)應(yīng)用過程中，相關(guān)專家的探索非常深入，針對影響噴涂工藝的各項性能都進行了具體的研究，相關(guān)專家也找出了一定的規(guī)律。但是，現(xiàn)代超音速火焰噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，在不同領(lǐng)域、不同噴涂基體、不同噴涂粉末材料的情況下，想要進行錯綜復(fù)雜的研究十分困難。所以，細(xì)致地研究僅能夠找尋一定固定規(guī)律，而要想細(xì)化研究火焰噴涂工藝的影響性能，還需要不同行業(yè)在工藝應(yīng)用過程中完成超音速火焰噴涂工藝的具體研究，從而促進工藝的快速發(fā)展。

4 超音速火焰噴涂工藝還存在的技術(shù)性問題

超音速火焰噴涂工藝在進行技術(shù)研究過程中，由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝在不斷進步，所以在火焰噴涂工藝應(yīng)用過程中，也暴露了一定的問題，影響了工藝的應(yīng)用效果，以下是現(xiàn)代工藝中應(yīng)用的主要問題研究。

（1）槍管的結(jié)瘤問題。在工藝應(yīng)用過程中，粉末噴涂物需要在槍管飛行一段距離，雖然高溫已經(jīng)讓粉末產(chǎn)生熔化現(xiàn)象。但是，火焰機溫度不足以讓所有的粒子熔化，同時熔化后的粉末更容易粘附到槍管表面。久而久之，在不斷地使用過程中，槍管內(nèi)部開始出現(xiàn)結(jié)瘤問題，該問題的產(chǎn)生不僅會影響到超音速火焰噴涂的后續(xù)應(yīng)用效果，造成粉末堵塞、涂層致密性不足等問題，同時在不斷使用的過程中，也容易造成槍管損壞問題。

在相關(guān)專家的研究過程中，針對槍管結(jié)瘤問題進行了調(diào)查研究。在實驗調(diào)查古城中，采用超音速火焰槍對WC-CO、Cr3+等金屬粉末進行長時間噴涂，測量槍管的結(jié)瘤和報廢時間。在實際的技術(shù)研究過程中發(fā)現(xiàn)，WC-CO 噴涂過程中，槍管的最長使用時間為30min；Cr3+噴涂過程中，槍管的最長時間為15min。該問題的出現(xiàn)也影響到了超音速火焰噴涂工藝的使用成本，很多時候在完成以此噴涂作業(yè)過程中，需要更換多次槍管，不僅降低了使用效率，同時也提高了技術(shù)的應(yīng)用成本。

（2）適用性材料相對比較少。當(dāng)前，在超音速火焰噴涂工藝應(yīng)用過程中，該技術(shù)能夠應(yīng)用于石油化工、礦業(yè)生產(chǎn)，同時也適合應(yīng)用更多的金屬物質(zhì)噴涂。但是，該技術(shù)在應(yīng)用過程中，也有一定的弊端，就是可以適用的粉末材料比較少。在當(dāng)前，超音速火焰噴涂工藝應(yīng)用的粉末材料打大部分都是碳化物金屬基陶瓷粉末，雖然合金粉末以及金屬陶瓷粉末也有所應(yīng)用，但是存在有土層效果不佳、土層厚度和致密性較差的問題。例如，在超音速火焰噴涂工藝應(yīng)用過程中，如果應(yīng)用到金屬陶瓷粉末材料，金屬陶瓷粒子對于高溫環(huán)境過于敏感、很容易在高溫狀態(tài)下發(fā)生分解現(xiàn)象。所以，使用金屬陶瓷粉末材料的用量相對比較大，也造成了成本相對較高的問題［2］。

5 超音速火焰噴涂工藝技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)方向

5.1 技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)新方向

超音速火焰噴涂工藝在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用具有良好的效果，在未來一段時間內(nèi)，該技術(shù)依然會是噴涂技術(shù)的主流發(fā)展方向。而在近段時期內(nèi)，對于該技術(shù)的探索還應(yīng)該注重問題的解決。

（1）注重解決槍管結(jié)瘤問題。槍管結(jié)瘤問題是超音速火焰噴涂工藝應(yīng)用過程總的主要技術(shù)問題，對于該技術(shù)的應(yīng)用有非常重要的作用。所以，在該技術(shù)進行創(chuàng)新研究過程中，需要對超音速噴涂工藝的槍管結(jié)瘤問題進行有效地解決。例如，現(xiàn)代專家提出HVIF（超音速撞擊熔化噴涂）工藝，該工藝的主要特點是降低粒子的熔化程度，讓粒子在撞擊到噴涂基體之前僅是軟化的狀態(tài)，從而就不會有過多的粒子粘附到槍管內(nèi)表面，該工藝的應(yīng)用能夠良好地解決實際問題［3］。

（2）注重研發(fā)新粉末材料。在未來社會發(fā)展中，材料技術(shù)將是十分重要的技術(shù)。所以，在技術(shù)進行創(chuàng)新研發(fā)過程中，更需要完成對其技術(shù)的廣泛應(yīng)用，確保超音速火焰噴涂工藝應(yīng)用更加合理，也能夠提升火焰噴涂工藝應(yīng)用效果。研發(fā)更多的粉末材料，將是該技術(shù)研發(fā)的重要內(nèi)容［4］。

5.2 注重技術(shù)自主化研究

我國在1995 年才成功研究出CH-2000 超音速噴涂系統(tǒng)，對于該技術(shù)我國的自主化能力還比較差，所以在技術(shù)研究中，要加強超音速噴涂技術(shù)的自主研發(fā)，促進技術(shù)的新發(fā)展［5］。

6 結(jié)語

超音速火焰噴涂工藝是現(xiàn)代基體噴涂應(yīng)用的主要工藝技術(shù)，希望本文的相關(guān)探索能夠促進該工藝未來的發(fā)展。