超音速火焰噴涂技術的研究與應用

安浩

摘 要：超音速火焰噴涂是20世紀80年代出現的一種高能噴涂方法，它的開發是繼等離子噴涂之后熱噴涂工業最具創造性的進展。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，利用金相顯微鏡對涂層組織結構進行研究，并通過顯微硬度測試、表面硬度測試、拉伸試驗等測試方法確定涂層的最佳噴涂參數

關鍵詞：T800;涂層;超音速火焰噴涂技術

前言

超音速火焰噴涂（HighVelocityOxygenFuel，HVOF）的出現使得制備高質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。一般非晶形成的條件是最大臨界冷卻速度達到106K/s以上，而HVOF熱噴涂可以獲得臨界冷卻速度107K/s左右，使得多數合金成分都可在臨界速度以上噴涂而形成非晶態組織。通過HVOF噴涂制備的涂層往往比較致密、氧化物含量低、同時具有比等離子噴涂等噴涂方式更高的結合強度。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行減少WC的分解。當然，超音速火焰噴涂也有其局限性，相對于WC-Co燒結技術，超音速火焰噴涂層仍然會受到WC脫碳和分解的影響，導致形成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。燃料的性質和化學計量比以及相關的燃燒氣體是決定涂層微觀結構和性能的關鍵條件。

1 超音速火焰噴涂的原理及特點

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）以一定的比例導入燃燒室內混合，通過爆炸式燃燒產生的高溫氣體高速通過膨脹管獲得超音速;同時通入送粉氣（Ar或N2），并定量地沿燃燒頭內碳化鎢中心套管送入高溫燃氣中，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噴嘴出口處產生的焰流速度一般為音速的4倍，即約為1520m/s，最高可達2400m/s（具體與燃燒氣體種類、混合比例、流量、粉末質量和粉末流量等有關），粉末撞擊到工件表面的速度估計為550m/s～760m/s。之所以能有這么高的速度，關鍵在于按流體力學的原理合理設計制造了一個噴嘴，稱之為Laval管的膨脹管。目前利用超音速火焰噴涂技術制備T800鈷基合金涂層的相關研究較多，應用T800鈷基高溫耐磨合金進行表面強化的工藝主要包括堆焊工藝、激光熔覆技術以及等離子噴涂技術。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、更好的結合強度等特點。

2 超音速噴涂實驗

2.1 噴涂設備

噴涂設備包括JKIII超音速火焰噴涂設備、GS943噴砂設備、ABB2600六軸機器人和AMS16000轉臺。

2.2 試樣準備

試樣基材為Inconel718，規格為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60#白剛玉砂進行噴砂處理，涂層粗糙度控制在Ra2.5～Ra3.5。采用型號為JKIII型超音速火焰噴涂設備制備T800涂層。為比較不同噴涂參數對涂層性能與金相結構的影響，選取5組不同噴涂參數進行分析。需要說明的是，噴嘴直徑與噴距在實驗中采用的是統一標準，保持不變。

3 超音速火焰噴涂與等離子噴涂T800涂層對比

為了更好地對比超音速噴涂制備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。對等離子噴涂T800涂層試樣進行拉伸試驗得出拉伸強度為26.58MPa，進行硬度測試得出表面硬度HR15N為86.3。由試驗數據可知，與超音速噴涂T800涂層的拉伸強度與表面硬度相比，等離子噴涂T800涂層的拉伸強度與表面硬度都略低。

4 工藝參數對超音速火焰噴涂的影響

超音速火焰噴涂是一個復雜的物理過程，其中所有工藝參數都會影響到涂層的顯微組織和涂層成分。主要表現在以下幾個方面：（1）顯微硬度隨著孔隙率的降低和粒子結合強度的增大而增大，而孔隙率和粒子結合強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，可以發現硬度與晶粒尺寸是負相關的。這是因為壓痕與涂層的孔隙率和結合強度有關。（4）顯微硬度還會與基體的預熱溫度有關，較高的基體溫度能夠改善涂層的結合強度以及使熔融的粒子平坦化。

5 結論

（1）本文利用超音速火焰噴涂工藝，通過改變不同噴涂參數制備T800涂層，對涂層分別進行顯微硬度測試、表面硬度測試與拉伸測試，并對其進行金相組織觀察發現，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涂層在拉伸強度與表面硬度性能上都有較大優勢。

參考文獻

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