胡堯強(qiáng)，陳永雄，商俊超，梁秀兵，徐濱士

（1.裝甲兵工程學(xué)院再制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；2.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京 100072）

利用某種熱源將金屬、合金、陶瓷等材料加熱至合適的狀態(tài)（一般為熔融或半熔融狀態(tài)），并用高速氣流將其加速（或霧化并加速）至一定速度噴射至基體表面形成各種特定功能涂層的加工技術(shù)即熱噴涂技術(shù)。由于可以形成防腐、抗磨、導(dǎo)電、絕緣、隔熱等各種功能的涂層，熱噴涂技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械化工、電子通訊等領(lǐng)域。高速燃?xì)鉄釃娡考夹g(shù)是熱噴涂技術(shù)中十分重要的一類(lèi)。高速燃?xì)鉄釃娡考夹g(shù)是利用燃料劇烈燃燒產(chǎn)生的并經(jīng)過(guò)特定噴嘴加速的高速燃?xì)饧铀?、加熱噴涂材料，使其獲得超過(guò)音速的高速度，并以此高速撞擊基體表面來(lái)獲得具有特定功能涂層的一類(lèi)熱噴涂技術(shù)。它主要包括興起于上世紀(jì)80年代[12-13]出現(xiàn)的高速氧氣助燃火焰噴涂（HVOF）技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展出高速空氣助燃火焰噴涂（HVAF）技術(shù)、活性燃燒高速燃?xì)鈬娡浚ˋCHVAF）技術(shù)和高速燃?xì)怆娀?fù)合噴涂（HVAF-ARC）技術(shù)。其中HVOF、HVAF和AC-HVAF單一以燃?xì)鉃闊嵩炊鳫VAF-ARC以燃?xì)夂碗娀」餐瑸闊嵩?。這四種噴涂技術(shù)的共同特點(diǎn)是噴涂粒子飛行速度高，涂層致密，氧化物含量低，結(jié)合強(qiáng)度高，耐磨及耐腐蝕性能優(yōu)良，但又各有不同。

1 高速氧氣助燃火焰噴涂(HVOF)技術(shù)

人們對(duì)火焰噴涂的不斷改進(jìn)在20世紀(jì)80年代取得了突破性的進(jìn)展[1-2]，在其基礎(chǔ)上發(fā)展出了HVOF技術(shù)。根據(jù)噴涂材料的形態(tài)可以將火焰噴涂分為線材火焰噴涂、棒材火焰噴涂和粉末火焰噴涂三類(lèi)[13]。它們的噴涂原理相近，都是利用氧—燃?xì)猓ㄒ话銥橐胰玻┗鹧娴臒崃繉娡坎牧霞訜嶂寥刍虬肴刍癄顟B(tài)，然后利用燃?xì)鈱娡苛Ｗ蛹铀?，使其以一定速度（一般?00m/s以下）撞擊基體表面形成涂層。粉末火焰噴涂的噴涂原理如圖1所示[33]。由于火焰噴涂的噴槍既無(wú)燃燒室也無(wú)加速?lài)娮欤云淙細(xì)夂蛧娡苛Ｗ语w行速度較低，而噴涂粒子撞擊基體的速度是決定涂層性能的關(guān)鍵因素，所以火焰噴涂制得的涂層質(zhì)量無(wú)法與同時(shí)期的爆炸噴涂相提并論。為了改善其噴涂性能，增大其噴涂粒子的飛行速度，人們對(duì)其噴槍進(jìn)行改進(jìn)，從既無(wú)燃燒室也無(wú)加速?lài)娮斓拈_(kāi)放式結(jié)構(gòu)逐步完善成為現(xiàn)今的噴槍結(jié)構(gòu)。燃燒室和加速?lài)娮斓墓餐饔檬沟闷淇梢允褂酶罅髁康难鯕夂腿細(xì)?，焰流速度也大大提高，噴涂粒子的飛行速度達(dá)到2倍聲速的水平，涂層性能可與爆炸噴涂、等離子噴涂等噴涂技術(shù)相媲美。

圖1 粉末火焰噴涂原理[33]Fig.1 Schematic of powder flame spraying[33]

20世 紀(jì)50年 代Linden Division Union Carbide[2]開(kāi)發(fā)出了一種軸向送粉水冷卻喉部燃燒的噴涂槍。由于其燃燒功率受到極大限制，其燃燒室壓力和焰流的出口速度較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)噴涂粒子的高速?lài)娡?。隨后Meteco[2]公司對(duì)該噴槍進(jìn)行了改進(jìn)，研制出了空氣冷卻喉部的燃燒裝置。然而這一改變使焰流中的空氣含量增多，導(dǎo)致涂層氧化物含量增多，且此種噴槍不能使用有利于噴涂粒子加速的長(zhǎng)噴管，所以也未能從本質(zhì)上提升火焰噴涂的涂層性能。直到20世紀(jì)80年代，Browning等人[1/2/5]開(kāi)發(fā)出了帶有較大直徑的燃燒室的噴槍?zhuān)⒉捎酶L(zhǎng)的隔絕空氣的噴管，從而克服了喉部燃燒的噴槍的噴涂粒子速度低、溫度低的缺陷。這種新研制的噴槍被命名為Jet-kote，它是第一代的HVOF噴槍。在投入商業(yè)應(yīng)用以后，高速氧氣助燃火焰噴涂的優(yōu)點(diǎn)漸漸被人們意識(shí)和接受。對(duì)HVOF的研究和噴涂設(shè)備的開(kāi)發(fā)成為熱噴涂界的熱點(diǎn)，而噴槍的結(jié)構(gòu)決定著涂層質(zhì)量的優(yōu)劣，所以對(duì)噴涂技術(shù)的研發(fā)主要集中在噴槍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上。80年代末90年代初先后出現(xiàn)了數(shù)種HVOF噴槍?zhuān)篊DS（連續(xù)爆炸噴涂）、Top-Gun（其改進(jìn)型稱(chēng)為HV-2000）、DJ-2700、JP-5000、θ-Gun、Aerospray等[2-5]。HVOF技術(shù)的核心是噴槍的設(shè)計(jì)，因此HVOF技術(shù)的發(fā)展也是圍繞噴槍的發(fā)展而推進(jìn)的。

Jet-kote作為第一代的HVOF噴槍?zhuān)捎玫氖侵苯侨紵?軸向送粉的燃燒器，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2[13]。這種結(jié)構(gòu)使得燃燒產(chǎn)物在進(jìn)入噴嘴之前發(fā)生90（°）的轉(zhuǎn)向，從而使焰流均勻地進(jìn)入噴嘴，但這也會(huì)降低焰流的動(dòng)能與溫度，致使噴涂效率降低。這種結(jié)構(gòu)增大了系統(tǒng)的熱損失，而且過(guò)高的熱梯度還有可能導(dǎo)致噴槍破裂。軸向燃燒裝置的出現(xiàn)是水冷HVOF噴槍的一項(xiàng)革命[2]。1989年，Miller公司和Sulzer公司分別生產(chǎn)出采用這種結(jié)構(gòu)噴槍的噴涂系統(tǒng)Top-Gun和CDS，屬第二代HVOF噴槍系統(tǒng)。圖3[34]為CDS-100型噴槍噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。這些噴涂系統(tǒng)均采用軸向送粉方式[2]，能夠提高噴槍熱效率并使粉末的加熱更加均勻，從而得到高質(zhì)量的涂層。但是當(dāng)采用較大功率噴涂時(shí)會(huì)使一些噴涂粉末過(guò)度加熱，如WC粉末。WC在噴涂過(guò)程中會(huì)發(fā)生分解和氧化，難以得到理想的涂層。雖然WC粉末的噴涂不盡人意，但Top-Gun系統(tǒng)可以使用壓力比較低的燃?xì)?，如乙炔氣體，而氧乙炔焰的高溫特性使高熔點(diǎn)材料的噴涂成為現(xiàn)實(shí)，如氧化物陶瓷、金屬鉬等[4]。同樣是軸向送粉的噴涂裝置，DJ-2700卻擁有更廣泛、成熟的應(yīng)用，同時(shí)噴涂涂層性能優(yōu)異，與JP5000一起，被譽(yù)為HVOF的第三代產(chǎn)品。DJ型噴槍的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4(a)所示。DJ2700是Metco公司繼Diamond Jet之后投入市場(chǎng)的復(fù)合型噴槍?zhuān)员闉槿剂希滹L(fēng)帽比標(biāo)準(zhǔn)DJ槍長(zhǎng)，燃燒部位采用氣冷（其余部位水冷），省去了熱交換器減少了熱損失。JP5000是TAFA公司于1991年推出的噴涂系統(tǒng)[2]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4(b)所示。這種噴槍以航空煤油為燃料，節(jié)省了成本（大約只有氫氣的1/10、丙烯的1/5），而且安全性高[1]。其送粉方式是徑向送粉，送粉部位為噴嘴喉部與槍管結(jié)合部的負(fù)壓區(qū)，可以采用多點(diǎn)、低壓送粉，降低了成本,同時(shí)可以使火焰中的粉末更加均勻，提高熱效率,還可加大每道涂層之間的允許距離[2-3]。JP5000噴槍噴涂的粒子速度更高，可以在噴涂層產(chǎn)生壓應(yīng)力從而增大其結(jié)合強(qiáng)度和涂層厚度，如銅基體上WC-Co涂層厚度可達(dá)12.7mm[2-4]。

圖2 Jet-Kote噴槍結(jié)構(gòu)示意圖[13]Fig.2 Structure chart of the Jet-Kote gun[13]

圖3 CDS-100型噴槍噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)[34]Fig.3 Interior structure chart of the CDS-100 gun[34]

圖4 兩種典型HVOF噴槍的結(jié)構(gòu)示意圖[13]Fig.4 Structure charts of the(a) DJ gun and(b) JP5000 gun[13]

總的來(lái)說(shuō)，與其它熱噴涂技術(shù)相比，HVOF具有以下特點(diǎn)：

（1）涂層致密，氧化物和孔隙較少(噴涂WC-Co涂層孔隙率小于1%[13])；

（2）可制備較大厚度涂層且涂層結(jié)合強(qiáng)度高；

（3）噴涂成本高，安全性較差；

（4）適宜的噴涂材料少：只有在噴涂碳化鎢基金屬陶瓷時(shí)才能發(fā)揮其優(yōu)越性，但在噴涂其它材料時(shí)并不突出；

（5）噴涂粉末粒度要求高，粒度細(xì)且分布窄；

（6）覆蓋速度和沉積效率均較低，噴涂WC-Co粉末時(shí)沉積效率通常不高于45%[13]；

（7）熱利用率低，僅為60%[9]；

（8）槍管易結(jié)瘤[3-5]。

由于HVOF性能并不完美，不能完全滿足人們的廣泛需求，所以人們?cè)诟倪M(jìn)它的過(guò)程中也開(kāi)發(fā)了一些新的高速燃?xì)鉄釃娡考夹g(shù)。這些技術(shù)各有其優(yōu)點(diǎn)，為工程人員提供了更多的選擇。其中高速空氣助燃火焰噴涂技術(shù)擺脫了對(duì)氧氣助燃的依賴(lài)，降低了噴涂成本和焰流溫度。

2 高速空氣助燃火焰噴涂（HVAF）技術(shù)

HVAF是上世紀(jì)90年代在HVOF的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，它的原理和HVOF的原理基本相同，如圖5所示。HVAF的燃料可以是氣體燃料，也可以是液體燃料（一般用航空煤油），其與空氣混合均勻后被通入燃燒區(qū)。噴涂材料可以是絲狀也可以是粉末狀（一般當(dāng)噴涂材料為金屬或合金時(shí)制成噴涂絲材，為WC等硬質(zhì)材料時(shí)制成噴涂粉末）。粉末噴涂材料可以由軸向和徑向兩個(gè)方向送入噴嘴。噴嘴是HVAF系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。從燃燒室中噴出的膨脹氣體流經(jīng)拉法爾噴嘴時(shí)，受?chē)娮斓募s束作用形成超音速高溫焰流，噴涂材料粒子在超音速高溫焰流的作用下得到加熱和加速后噴出。

圖5 HVAF噴槍原理圖Fig.5 Schematic of HVAF gun

HVAF 技術(shù)采用空氣代替氧氣作為燃燒介質(zhì)，焰流溫度大大降低(約1300℃，介于HVOF與冷噴涂的噴涂溫度之間),不需用水來(lái)冷卻噴槍,省去了水冷結(jié)構(gòu)用壓縮空氣做冷卻劑，降低了成本，提高了熱效率[9]。在噴涂過(guò)程中，粉末顆粒溫度一般低于其熔點(diǎn)，因此噴嘴不容易積瘤；噴涂顆粒速度高，可達(dá)到兩倍左右聲速；噴涂涂層的氧化和涂層材料分解(如WC顆粒脫碳)情況比HVOF有很大程度的減少。因此，HVAF噴涂的金屬、WC 等涂層，不僅十分致密，氧化物含量低，而且涂層殘余應(yīng)力小，可獲得較厚涂層[10]。但與HVOF相比其噴涂顆粒速度偏低，所以在噴涂某些材料時(shí)其涂層性能不及HVOF。

3 活性燃燒高速燃?xì)鈬娡?AC-HVAF)技術(shù)

為了進(jìn)一步改善HVAF系統(tǒng)，得到更加致密、結(jié)合強(qiáng)度更高、氧化物含量更少、表面更光滑的涂層，美國(guó)的Baranovski V[11]率先開(kāi)發(fā)出了活性燃燒高速燃?xì)鈬娡肯到y(tǒng)。

AC-HVAF技術(shù)建立在活性燃燒的基礎(chǔ)上。活性燃燒是一種催化燃燒，在催化介質(zhì)的作用下，燃料分子被激活，使燃燒可以在較低的溫度下進(jìn)行，并且容易維持,能在寬范圍的氣壓下穩(wěn)定進(jìn)行[14-15]?；谶@個(gè)原理，AC-HVAF的開(kāi)發(fā)者用含高溫觸媒的陶瓷片作為噴槍燃燒室的后壁以催化燃料的燃燒，這樣可以在較短的燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料的穩(wěn)定燃燒。配合這種穩(wěn)定的活性燃燒，開(kāi)發(fā)者們?cè)O(shè)計(jì)出了AC-HVAF獨(dú)特的噴槍結(jié)構(gòu)[14-15]。

如圖6所示[16]，與燃燒室連接的一次噴嘴還連有孔徑大于它的二次噴嘴。噴涂粒子會(huì)首先在一次噴嘴里被燃燒室噴出的燃?xì)饧铀俸图訜?，而通入二次噴嘴里的冷卻噴槍用的空氣和額外的燃料也會(huì)發(fā)生燃燒，并產(chǎn)生燃?xì)饫^續(xù)對(duì)粒子進(jìn)行加速和加熱。這種設(shè)計(jì)可以提高噴槍的效率，并精確控制噴涂粒子的溫度和速度。在使用AC-HVAF系統(tǒng)進(jìn)行噴涂時(shí),噴涂粉末不會(huì)完全熔化其速度可達(dá)700m/s以上，這就使得獲得的涂層有極低的氧化物含量和極高的致密性。而在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中其高于HVOF技術(shù)5～10倍的噴涂速度，使其展現(xiàn)出杰出的工業(yè)效率[15]。

AC-HVAF的涂層特點(diǎn)主要是以下幾點(diǎn)：

（1）與基體結(jié)合強(qiáng)度高，氧化物含量低、結(jié)構(gòu)致密，耐磨損及耐腐蝕性能卓越；

（2）殘余應(yīng)力低，可實(shí)現(xiàn)超常規(guī)厚碳化鎢涂層的沉積；

（3）外觀平滑粗糙度低，研磨后可達(dá)光學(xué)鏡面，抗疲勞特性顯著提高[14-15]。

圖6 SB9300噴槍示意圖[16]Fig.6 Schematic of SB9300 gun[16]

目前，AC-HVAF應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。例如，應(yīng)用于商用和軍用飛機(jī)的起落裝置，棒、襯套、閥座等小直徑部件和形狀復(fù)雜部件內(nèi)孔（葉輪、泵殼等），其制備的WC-10Co-4Cr和WC-12Co涂層通常用在拉絲塔輪、噴磨機(jī)的盤(pán)邊和耐磨板，水輪機(jī)針閥、氣閘等，有效地替代鑄造、碳化物釬焊和熔覆堆焊，且涂層表面平整不需后加工，使用期限明顯延長(zhǎng)[13]。在很多場(chǎng)合，AC-HVAF基本代替了HVOF。但在國(guó)內(nèi)，由于還沒(méi)有研制出能夠用來(lái)制造AC-HVAF噴槍燃燒室后壁的陶瓷材料，所以還未見(jiàn)關(guān)于AC-HVAF的公開(kāi)報(bào)導(dǎo)。

4 高速燃?xì)怆娀娡?HVAF-ARC)技術(shù)

HVAF-ARC (High Velocity Air Fuel and Arc)噴涂是于上個(gè)世紀(jì)90年代末本世紀(jì)初興起的一種復(fù)合電弧噴涂技術(shù)[20],其主要原理是：用過(guò)飽和的氣體燃料（丙烷、丙稀等活性氣體）與壓縮空氣(二者壓力可在0.7MPa以上)混合,從而在燃燒后得到具有還原性的焰流，保護(hù)噴涂材料。其對(duì)噴涂粒子的加速原理同超音速電弧噴涂類(lèi)似，即以高速的氣流將電弧熔化的噴涂材料霧化、加速，使噴涂顆粒以超過(guò)音速的高速撞擊基體得到涂層[35]，但其氣流成分與超音速電弧噴涂不同。其基本原理如圖7[20]所示。

圖7 HVAF-ARC噴槍示意圖[20]Fig.7 Schematic of the HVAF-ARC thermal gun[20]

HVAF-ARC最顯著的三個(gè)特點(diǎn)是：噴涂溫度高，電弧溫度約為6000℃[32]；霧化效果好，霧化微粒的尺寸比常規(guī)電弧噴涂小5～6倍[21]；焰流具有還原性。由于上述的三大特點(diǎn)，HVAF-ARC系統(tǒng)制備的涂層致密、均勻、表面精度高,系統(tǒng)在噴涂過(guò)程中的適應(yīng)能力也得到增強(qiáng)，噴涂顆粒沉積效率顯著提高[20-22]。

HVAF噴涂溫度較低不適合高熔點(diǎn)材料的噴涂，而且其具有與HVOF一樣的缺點(diǎn)：粉末粒度分布狹窄，噴涂效率低。電弧噴涂成本低、高效、節(jié)能[4],但其涂層氧化物含量高，結(jié)合強(qiáng)度低[9]。而二者結(jié)合則剛好優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使噴涂粒子速度更高，氧化物含量降低，結(jié)合強(qiáng)度變大，沉積效率增高。雖然國(guó)外有這方面的研究，但國(guó)內(nèi)還沒(méi)有生產(chǎn)出理想的設(shè)備，因此，研究成熟的HVAFARC系統(tǒng)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的方向。

5 展望

上述幾種高速燃?xì)鉄釃娡考贾蠬VOF、HVAF和AC-HVAF都已有成熟的市售產(chǎn)品，其中HVAF–ARC技術(shù)還有待進(jìn)一步完善。但對(duì)于高速燃?xì)鉄釃娡考夹g(shù)來(lái)說(shuō)，不管哪一種都還有很大的發(fā)展空間。筆者綜合分析各種高速燃?xì)鉄釃娡考夹g(shù)的特點(diǎn),建議未來(lái)該領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)工作可集中在以下方面：

（1）優(yōu)化HVOF和HVAF的噴槍結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。通過(guò)噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高HVOF的熱效率使焰流速度更高，從而使噴涂粒子獲得更高的動(dòng)能以得到性能更加優(yōu)異的涂層。開(kāi)發(fā)以液體燃料為噴涂燃料的AC-HVAF系統(tǒng)。由于AC-HVAF系統(tǒng)在安全性、涂層性能、噴涂效率等方面優(yōu)勢(shì)非常明顯，可繼續(xù)深入研究，尤其是在拓寬燃料種類(lèi)方面。目前AC-HVAF系統(tǒng)使用的燃料是丙烷、丙烯、甲烷—丁烷或MAPP混合燃料這些氣體燃料[15]，而HVOF已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以航空煤油為噴涂燃料[1]。所以研制以液體燃料為噴涂燃料的AC-HVAF系統(tǒng)有望使其成本進(jìn)一步降低，安全性得到提高。

（2）對(duì)于HVAF-ARC的研究工作重點(diǎn)是高性能霧化噴嘴和噴槍冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。高性能的霧化噴嘴可以保證燃油的高效霧化為噴涂材料提供持續(xù)穩(wěn)定的高速氣流，而由于不用燃?xì)饧訜釃娡坎牧先細(xì)鈱?duì)噴槍的加熱作用更加明顯，良好的冷卻結(jié)構(gòu)可以防止噴槍的過(guò)熱，保證噴涂的持續(xù)進(jìn)行。有效地?cái)?shù)值模擬可以使上述兩項(xiàng)工作更加高效地完成。

（3）更加深入地對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行理論研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴涂的精確控制，擴(kuò)大高速燃?xì)鉄釃娡考夹g(shù)的應(yīng)用范圍。隨著噴涂監(jiān)視系統(tǒng)的不斷完善和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)者可以更加準(zhǔn)確地掌握噴搶內(nèi)的氣流狀況和影響它的因素，這些都會(huì)使理論研究不斷深入、準(zhǔn)確。而理論的進(jìn)步又會(huì)給噴槍的結(jié)構(gòu)研究和噴涂參數(shù)的控制提供更為可靠的指導(dǎo)。