热喷涂技术的发展及其在航空工业中的应用
申振华
航空发动机
摘要:简述了热喷涂技术的原理，讨论了热喷涂技术的发展趋势，指出进一步提高涂层质量、降低喷涂成本仍然是未来表面处理工艺研究的重要课题。
关键词:热喷涂；超声速火焰喷涂；等离子喷涂；表面处理工艺
l引言
热喷涂技术，特别是超声速火焰喷涂技术，是金属表面处理方法中的一种新技术，越来越广泛地应用于工件表面的尺寸修复及新零件的表面处理。表面涂层技术曾被列为20世纪80年代世界十项关键技术而风靡全球。
根据对零件表面性能的要求，该技术可提供成本低廉的各种涂层，涂层厚度只需几十到一百多微米即可满足性能的要求。据资料报道，世界钢产量的1/l0消耗于腐蚀，而机械制造中约l/3能源直接、间接地消耗于摩擦和磨损。发达国家由磨损、腐蚀引起的损失高达其国民经济总产值的2%一4%，仅美国每年损失就达2000亿美元。我国每年磨损损失400亿元，腐蚀损失450亿元。在具体应用中，可选用相应的涂层材料对待处理表面进行喷涂，从而提高零件表面的耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗冲刷、绝热或绝缘等性能。同时，喷涂后的涂层又具有涂层致密、连接强度高、零件变形影响小、喷涂效率高等优点，并且特殊性质涂层的使用可以大大减少贵重材料，如耐磨材料、耐腐蚀材料或高温合金等的用量，因此可大大降低生产成本并延长零件使用寿命，从而在国民经济各个领域获得广泛的应用，如航空航天工业、机器制造工业、动力和运输、石油化工、食品工业等，可见热喷涂技术的推广应用对巩固国防及提高我国经济实力均具有重要意义。
2热喷涂技术的发展及在航空上的应用
2.1热喷涂技术的发展
热喷涂按其热源及材料进给方式可分为:火焰喷涂；等离子喷涂；电弧喷涂；高速氧燃料喷涂HVOF。
热喷涂的基本原理是用某种方式将涂层材料(热喷涂粉末或丝材)熔化或半熔化，并以较高速度的燃流携带加速、喷射并牢固粘结在冷态的经过预处理的基体表面，形成所需性质连续的致密涂层。火焰喷涂源于1900年，由瑞士工程师Max50~hoep首先提出。它是利用预混助燃气及燃气在喷管外燃烧产生的热能来加热热喷涂粉末材料，依靠焰流的推力将加热熔化的热喷涂粉末喷射到预处理过的表面形成涂层。由于焰流速度不高，涂层与基体结合不够牢固。同时，由于燃烧温度不高。解决这些问题的途径是提高载气的速度和燃烧温度，因此，在20世纪70年代，热喷涂技术的发展方向是高能、高速、高效。等离子喷涂是应用最广泛的一种表面处理技术，它是将工作气体，如氢(H2)、氮(N2)、氢(Ar)或氦(He)等气体电离形成等离子焰流熔化或半熔化金属(或非金属)热喷涂粉末或丝材，并以高速喷射并沉积到预先处理过的工件表面上，其工作原理如图1所示。等离子喷涂的最大特点之一是具有非常高的温度，在等离子弧中心最高温度可达320以〕K，它可以熔化任何涂层材料;同时等离子焰流的高速特性引人注目，例如美国Met。公司研制的7MB喷枪的焰流速度高达3050m店，载气所携的热喷涂粉末粒子的最高速度高达610m/s，因此涂层与基体的结合强度很好。成为热喷涂的发展方向，超声速火焰喷涂设备诞生了，其特点在于提高燃烧室的进气压力，用氢、乙炔、丙烯乃至煤油做燃料，用氧气作氧化剂进行燃烧，产生高达3200℃的高温高压燃气，通过适当设计的拉伐尔喷管产生超声速气流来熔化或半熔化在枪管中注人的热喷涂粉末，并带动微粒冲击到基体表面形成致密涂层。由于撞击速度高达2100m/s，因此涂层与基体的结合强度大大提高。特别指出的是，HVOF方法的低温高速特性，最适宜喷涂诸如碳化钨(WC)类受热易分解的涂层材料，使涂层的耐磨性能显著优于等离子涂层。
电弧喷涂则是最近出现的新技术。例如双丝电弧喷涂由二个消耗性丝极组成，丝材被送入枪内，形成电弧，这要求涂层材料本身必须是导电材料，且必须预先制成丝材。采用丝材喷涂工艺比等离子喷涂工艺具有如下优势:总费用减少，例如初期投资，一台丝材喷涂设备花费16000一20000美元，而一台等离子喷涂设备则需60000一100000美元，节省费用73%一80%;材料消耗的节省更为显著，Howmet公司在一年内AM1956Ni/Al热喷涂粉末花费94500美元，改用丝材后花费64000美元，节省了32%;喷涂时间也大大缩短，如JT15D发动机某工件，从等离子(热喷涂粉末)喷涂的20min减少为2min，节省时间90%。另外，电弧喷涂工艺可获得性能优异的涂层，其涂层与基体的结合强度高达20MPa，是火焰喷涂的2.5倍。该工艺的喷涂效率高，比对应的线材火焰喷涂工艺高2一6倍。就能源利用率而言，电弧喷涂最高，达57%，而线材火焰喷涂仅为13%，等离子喷涂工艺只有12%!从安全性考虑，由于这种工艺仅使用电力及压缩空气，而不使用氧气和乙炔气等易燃气体，因此安全性要好得多。所有这些因素使得电弧喷涂工艺已被一些大型发动机厂商接纳为Ni/Al等离子热喷涂粉末喷涂工艺的替代工艺。但是需再次强调的是，该工艺仅适用于可导电的涂层材料。
2.2热喷涂技术在航空发动机上的应用
由于热喷涂技术的突出优点，在国外，各种喷涂技术在航空发动机上已获得广泛的应用。如美国P&w公司自20世纪60年代以来，逐渐扩大了热喷涂的应用范围，诸如JT3D等发动机的关键零部件—风扇叶片、压气机叶片、燃油喷嘴组件、燃烧室、涡轮叶片、导向叶片、轴颈、轴承座和空气封严圈等2800多个零件，用47种材料进行热喷涂，使JT3D发动机的大修期从4000h提高到16000h。英国RR公司的斯贝(SPEY)发动机上有200多种零部件采用了热喷涂涂层;RB211发动机燃烧室衬套采用镍铬铝及氧化镁/氧化错热障涂层后，二次大修间的使用寿命从1000h提高到4000一5000h。加拿大太平洋航空公司，采用一系列热喷涂涂层后，使JT3D发动机寿命从4000h提高到24000h，而J贷D发动机寿命则从400Oh提高到16000h。
图2示出DC一8发动机上需进行热喷涂的部位，可见热喷涂技术在发动机上应用广泛。国内发动机厂所也越来越多地应用各种热喷涂技术，例如涡轮叶片的修复及涡轮级间封严环的超声速喷涂等。某些发动机厂也有一些先进的价格昂贵的喷涂设备，但设备利用率极低，这无疑造成极大的浪费。究其原因，或许是有关工程技术人员对这种工艺的优越性认识不足，或许是认为该工艺的成本太高(如设备、零备件、涂层热喷涂粉末、丝材均需进口，价格很高)，应用不合算。实际上，从上述有关资料可见，该工艺本身成本固然较高，但是采用这些工艺所得到的收益却远远大于投人成本!当然，如果我们自己能够开发这种设备，或者设计、制造这些设备中的某些重要零部件，例如拉伐尔喷管及喷枪枪管，同时使用自己生产的涂层热喷涂粉末或丝材，其生产成本将会大幅度下降，这种先进的喷涂技术将会有更广阔的应用天地。
3超声速火焰喷涂(高压喷涂)
涂层的致密程度及其与基体的结合强度取决于熔化或半熔化态的涂层材料微粒的运行速度，因此影响涂层质量的关键因素是微粒载气的速度大小，所以提高气体喷射速度便成为喷枪设计追求的目标。根据气体动力学原理得知，在喷管形状确定后，从喷管流出的气体速度取决于喷管前的气体总压和总温。因此在喷枪发展的各个阶段，都是伴随着燃烧室压力的提高而进行的，如1983年的Jetkote喷枪的燃烧室压力约为4.lxl05Pa(60PSIG)，出口燃气速度达174Onl/s(580OFPS)，而1991年生产的JP一5000型喷枪，则将燃烧室压力提高到约l.lx106Pa(150PSIG)，出口燃气速度已高达Z16Om店(72OOFPS)。
3.1州丙OF喷枪结构及工作原理
以JP一5000喷枪为例说明这类喷枪的工作原理，如图3所示。燃油和高压氧气分别通过小孔进入燃烧室，在其中混合、雾化并由火花塞点火燃烧，温度可达3352K(56000F)，压力达1.1Klo6Pa(15OPSIG)。燃气通过一个拉伐尔喷管从枪筒喷出，涂层材料的热喷涂粉末从该喷管出口处注入，喷管尺寸及形状设计使得在热喷涂粉末注人处产生超声速过度膨胀，以有利于减少供粉压力使热喷涂粉末注人更容易，然后涂层热喷涂粉末被高速燃气流携带加速、混合并熔化或半熔化，最后高速冲击到基体表面，形成牢固的涂层。在枪筒出口可看到若干个马赫节。由于燃烧室、喷管及枪筒中高温燃气的流动，因此必须对器壁进行冷却，这里用的是36L/min(965gpm)的冷却水。
3.2燃料的选取
该喷枪使用煤油作燃料，其喷涂成本只有HZ的l/10和丙烯的大约1巧，而且随处可得、贮存安全。
3.3 HVOF与其他喷涂方法的比较
只要将涂层材料预先制成一定粒度的热喷涂粉末或丝材，就能筒单地实施各种喷涂，非常方便。对各种喷涂方法进行比较，结果见表1。
从表1中可见泪氏叼F喷涂设备的显著优点是设备投资低，沉积速度快，材料选择性好，另外，明显优于其他两种工艺的是涂层与基体的结合强度最高。需特别指出的是HVOF喷涂具有优异的低温高速特性，这特别适合于喷涂耐磨性能良好的WC类材料，因为在高温和氧化条件下喷涂，很难避免WC脱碳。
前面已提到，要获得致密的涂层，就要有足够高的粒子温度和速度。但是近来研究表明，产生高质量涂层的方法之一是少给粒子加热。因为如果达到某个临界粒子速度，通过喷涂冷的、未加热的粒子同样会产生致密的、结合牢固的涂层，这与粒子尺寸有关。该方法表明，在很高的速度下，粒子受冲击就会产生足够的热和机械变形而使粒子成为熔滴，这就是按这种方法开发出来的JP一5000型喷枪的喷涂质量高于其他工艺的原因。
4几种有前途的新技术
从以上几种常用的热喷涂技术的比较可见，很难找到一种适合于所有涂层材料(包括金属的和非金属的、高熔点的和低熔点的材料)，并且涂层质量最好、生产成本最低的技术，因此发展中的新技术往往针对某一限定的应用范围。下面简单介绍目前正在研究中的几种新技术。
4.1HVAF喷涂
HVAF—高超声速空气燃料)喷涂技术是一种新型高速火焰喷涂工艺，它不同于HVOF技术的是，这里的氧化过程不是使用纯氧气，而是使用高速压缩空气，燃料仍为煤油。它明显优于HVOF喷涂的是:
(1)采用取之不尽的空气作氧化剂，因而更经济;
(2)任何地域均可使用，不受氧气源的限制。HVAF喷涂的工作过程类似于航空发动机，压缩空气和煤油在燃烧室混合、(火花塞)点火、燃烧，然后从喷管高速喷出，而热喷涂粉末通过保护气体(如氮气)送人焰流中并在其中熔化或半熔化并获得高速，最后从枪筒喷出，冲击待喷涂的基体表面形成致密的涂层。
在HVAF喷涂中，由于空气中含氧量低得多，燃烧温度最高才2400K，因而不能获得高速射流。为了弥补这一不足，燃烧室压力必须提高正是由于HVAF喷涂中高速火焰的温度较低，氧含量低，与其他工艺相比，喷涂材料不易分解，得到的涂层呈现极少的氧化物和化学反应，因此更适于喷涂WC类材料以及低熔点的涂层材料。
4.2燃烧电弧喷涂
从上面分析知道，与电弧喷涂工艺比较，HVOF喷涂的沉积效率通常较低，成本较高;而电弧喷涂中微粒的载气为压缩空气，因此气流速度受到影响。为此发展了一种新型喷涂工艺，即燃烧电弧喷涂。经电弧加热丝端形成液态金属，再由高温丙烷气燃烧产生的超声速焰流雾化，雾化粒子的尺寸只是常规的电弧喷涂中粒子尺寸的1/6一1/5，而其平均粒速比传统的电弧喷涂的粒速大好几倍。粒子的小尺寸及高粒速均促使产生均匀致密的涂层。与HVOF比，CbmARC喷涂有较高的沉积效率，成本也降低了。
既然Con1ARC喷涂也是电弧喷涂，因此该工艺的应用限于可导电的涂层材料，而不受其熔点高低的限制。
4，3超声速火焰熔滴喷涂
上述的任一种喷涂工艺，其生产成本都是很高的，这就大大限制了其应用。据资料报道，喷涂费用在很大程度上取决于材料(热喷涂粉末)的价格和所需的涂层厚度，而(涂层材料)热喷涂粉末的成本占总成本的77.6%;丝材的成本略低，而且并不是任何涂层材料都可以制成丝材使用。因此涂层材料的制丝、制粉的生产成本成为制约热喷涂技术推广的关键。从制粉的快速冷凝技术得到启发，一种很自然的想法则是省略昂贵的制粉工艺，将涂层材料的散料置于增祸中熔化，然后滴人超声速(可调)高温的焰流中，涂层材料以高速冲击预处理过的基体表面而形成致密涂层。这种喷涂方法既适用于喷涂高熔点的陶瓷类材料，具有电弧喷涂的优点，也可喷涂低熔点的其他材料，同样也适用于喷涂WC类材料，具有HVOF和HVAF喷涂的优点。其中最突出的优点则是大大降低了热喷涂工艺的生产成本，这对该技术的推广应用十分有利。
4.4便携式HVOF喷枪的开发
为了降低成本和便于外场使用，结构紧凑的便携式喷枪便应运而生。
迄今为止，已开发成功的便携式喷枪，其重量只有4kg，操作台的设计十分紧凑，占地面积仅0.46澎m2，热喷涂粉末进给装置、油箱(70L容积，约可工作5h)均装在操作台上，喷枪也附着其上，系统总重量只有165kg，非常适合于车间，特别是野外的现场操作，因而是一种很有市场潜力的喷涂设备。
4.5小尺寸内孔喷涂设备
在实际应用中，有许多工件的内壁需要喷涂，如发动机汽缸内壁及重叠环内面等，这给喷枪的结构设计带来相当大的困难。目前，已出现一种工件固定、喷枪旋转的内表面喷涂设备，可以喷涂内径大于60mm的内孔。更小尺寸的内孔喷涂设备有待开发。
5结束语
热喷涂技术显著优于其他表面处理工艺，应用于国民经济各行业，特别是航空航天工业将带来巨大的经济效益和社会效益，建议在航空工业中大力宣传并广泛应用。
等离子喷涂技术可用于任何涂层材料的喷涂，但有被电弧喷涂取代的趋势。
HVOF喷涂技术目前特别适合于喷涂WC类及较低熔点的涂层材料。如进一步提高燃烧室压力，使微粒速度超过“临界速度”，喷涂高熔点的涂层材料将不是难题，而优异的涂层性能将使其全面超过等离子喷涂，HVOF将是一种有强劲发展势头的新技术。
如何进一步提高涂层质量，降低喷涂工艺的成本仍然是未来研究的重要课题。
图略
参考文献略
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