超音速火焰噴涂工藝探索

虞揚

（河北省邯鄲市永年區海翔機械廠 河北邯鄲 057150）

超音速火焰噴涂工藝是現代熱噴涂工藝的一種，也是現代熱噴涂工藝的主要發展方向。超音速火焰噴涂工藝的應用，在很大程度上滿足了現代工業生產領域對噴涂工藝的需求。但是，在現代工業生產的高要求背景下，超音速火焰噴涂工藝應用也存在一定的問題急需解決。所以，在當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鍵。在工藝原理基礎上，對影響工藝實施的各項因素進行分析，繼而實現對工藝的優化探索，促進超音速火焰噴涂工藝的發展。

1 超音速火焰噴涂工藝的研發背景分析

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

在噴涂工藝專家的不斷研究下，到20世紀的80年代左右，超音速火焰噴槍在美國出現，是利用超音速噴漆原理研制的噴漆設備。超音速噴漆工藝具體是在1985年開始投入到社會生產當中，一經問世就得到了良好的評價。該工藝的應用不僅打破了傳統爆炸噴涂工藝的壟斷，同時也創建了屬于自己的技術時代［2］。

超音速噴涂技術之后也在不斷地創新發展。1991年，METCO公司在初始的超音速噴涂技術之上，研發了2600 和2700 兩種型號的噴涂工藝。在技術創新過程中，超音速火焰噴涂技術不斷革新自身的技術方向，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容。通過冷卻方式的綜合改進，確保噴涂工藝的應用更加合理，也能夠最大程度上提升噴涂工藝效果，確保技術應用更加合理。另外，在當前社會生產力的不斷要求下，超音速噴涂工藝還在不斷創新，現代社會中應用最為廣泛的就是HVOF技術，該技術為超音速火焰噴涂工藝的第三代技術。在該技術的應用過程中，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。HVOF技術在應用過程中，與前兩代技術相比，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生一定的噴丸效應，從而在涂層產生壓應力，也能顯著提高涂層結合強度［3］。

2 超音速火焰噴涂工藝研發應用現狀

現代社會生產中，應用超音速火焰噴涂工藝都屬于HVOF系統，該技術已經形成了標準化的操作流程，同時該技術已經廣泛應用于社會的各項生產當中。

（1）HVOF 超音速火焰噴涂技術已經開始應用于航空航天領域。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也具有低成本、高效率的特點［4］。

（2）HVOF超音速火焰噴涂技術更多地應用于石油化工領域。在石油化工生產過程中，石油化工生產對于儲存裝置、管道設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備表面或者內表面。而通過不斷的技術研究發現，采用HVOF 技術可以實現WC-CO、Cr3+等金屬粉末有效噴涂。在噴涂工藝研究過程中發現，采用該工藝還能夠提升腐蝕層表面的耐磨性能，所以該工藝應用不僅提升了石油化工設備抗腐蝕性，同時也具有提升結構硬度和結構使用性能的功能。另外，進一步研究發現，使用超音速火焰噴涂工藝進行石油設備噴涂中，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）冶金領域中也開始應用超音速火焰噴涂工藝。現代礦產冶金領域中，大部分使用錕道結構進行金屬物質輸送，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，冶金裝備相關專家在研究過程中，提出了利用HVOF超音速火焰噴涂技術將Co基WC粉末噴涂于輥道之上技術。該技術在應用過程中，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，在相關性能研究過程中，發現采用該金屬材料及HVOF超音速火焰噴涂技術進行表面噴涂，能夠使錕道噴涂表層的抗高溫度性能達到450℃。

（4）在印刷領域中，相關研究利用HVOF超音速火焰噴涂技術進行印刷琨的鍍鉻。在印刷琨噴涂鉻金屬，提升了表面硬度，也提升了物質表面結構硬度。

研究發現，HVOF 超音速火焰噴涂技術主要應用于現代工業生產的裝置保護層噴涂當中，具有工藝操作簡單、工藝應用性能良好的特點。而在現代工業生產不斷發展的背景下，噴涂工藝行業也應該不斷地創新發展，保證與工業生產同步前進，確保技術始終不出現落后的問題［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生產領域得到廣泛應用，正是由于其工藝的應用特點。而在其工藝的具體應用過程中，也是延續了基本的熱噴涂工藝原理。在熱噴涂工藝應用過程中，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、丙烯等碳氫系燃氣或航空煤油為原料，利用原料在燃燒室燃燒后產生的火焰流將金屬粉末噴涂到被噴物件當中。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現，在整個工藝應用的過程中，影響到噴涂工藝應用的主要參數包括燃油種類、燃氣流量、氧氣流量、噴涂距離以、槍管長度、粉末性質等。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。在現代超音速火焰噴涂工藝探索過程中，相關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表面的數量增加；同時，從粒子質量守轉換定律而言，粒子速度越快、撞擊到被噴涂物質表面的數量越多、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）相關專家在研究分析過程中，為了詳細驗證超音速火焰噴涂工藝的主要影響因素，建立了相關正交實驗。在實驗過程中，將超音速火焰噴涂工藝的氧氣量設為不變量，將燃油流量、噴涂距離、送粉氣流量等參數設定為變量，采用鎳基復合粉末對鐵質物體進行噴涂，最后判定噴涂層的性質。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，發現燃油流量參數變化的情況下，超音速工藝應用噴涂層的性能變化率最大，同時發現對工藝影響最小的因素是送粉量因素，也就是說，通過增加粉末數量的方法并不能對噴涂層的性能起到多少效果，假設如果粉末過多，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。通過研究發現，粗糙度對涂層與基體間結合力影響巨大，提高基體粗糙度能夠顯著提高涂層與基體間的結合力［1］。

超音速火焰噴涂技術應用過程中，相關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，相關專家也找出了一定的規律。但是，現代超音速火焰噴涂技術應用領域比較廣，在不同領域、不同噴涂基體、不同噴涂粉末材料的情況下，想要進行錯綜復雜的研究十分困難。所以，細致地研究僅能夠找尋一定固定規律，而要想細化研究火焰噴涂工藝的影響性能，還需要不同行業在工藝應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展。

4 超音速火焰噴涂工藝還存在的技術性問題

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

（1）槍管的結瘤問題。在工藝應用過程中，粉末噴涂物需要在槍管飛行一段距離，雖然高溫已經讓粉末產生熔化現象。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，槍管內部開始出現結瘤問題，該問題的產生不僅會影響到超音速火焰噴涂的后續應用效果，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。

在相關專家的研究過程中，針對槍管結瘤問題進行了調查研究。在實驗調查古城中，采用超音速火焰槍對WC-CO、Cr3+等金屬粉末進行長時間噴涂，測量槍管的結瘤和報廢時間。在實際的技術研究過程中發現，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，同時也提高了技術的應用成本。

（2）適用性材料相對比較少。當前，在超音速火焰噴涂工藝應用過程中，該技術能夠應用于石油化工、礦業生產，同時也適合應用更多的金屬物質噴涂。但是，該技術在應用過程中，也有一定的弊端，就是可以適用的粉末材料比較少。在當前，超音速火焰噴涂工藝應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用過程中，如果應用到金屬陶瓷粉末材料，金屬陶瓷粒子對于高溫環境過于敏感、很容易在高溫狀態下發生分解現象。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創新研發方向

5.1 技術創新研發新方向

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

（1）注重解決槍管結瘤問題。槍管結瘤問題是超音速火焰噴涂工藝應用過程總的主要技術問題，對于該技術的應用有非常重要的作用。所以，在該技術進行創新研究過程中，需要對超音速噴涂工藝的槍管結瘤問題進行有效地解決。例如，現代專家提出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，從而就不會有過多的粒子粘附到槍管內表面，該工藝的應用能夠良好地解決實際問題［3］。

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

5.2 注重技術自主化研究

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

6 結語

超音速火焰噴涂工藝是現代基體噴涂應用的主要工藝技術，希望本文的相關探索能夠促進該工藝未來的發展。