摘 要:超音速火焰喷涂作为热喷涂领域的新技术具有粒子飞行速度高,涂层质量好等优点,重点从以下三个方面对国内外超音速火焰喷涂理论和技术进行了综述:超音速火焰喷涂过程粒子束的加热与加速行为、超音速火焰喷枪设计与焰流的数值模拟以及超音速火焰喷涂技术的应用等,从而为超音速火焰喷涂技术在我国的开发应用提供参考与依据。
关键词:超音速喷涂;喷枪;涂层性能
在热喷涂工艺中,涂层质量主要依赖于喷涂材料及其加热和加速的方法,粒子飞行速度对涂层质量影响很大,高的粒子速度使涂层质量得到很大提高。超音速火焰喷涂是热喷涂领域中的一项新技术,是继等离子喷涂之后的又一重大发明,在八十年代初期,由美国SKS公司Browning.J.A研制成功,并首先以JET-KOTE为商品推出[1]。经过几年的应用开发,该技术逐渐被认识和接受。超音速火焰喷涂因具有很高的粒子撞击速度(610~1 060m/s)[3],使得涂层结合强度、硬度、致密性和耐磨性都得到改善。该技术广泛用于喷涂WC/Co硬质合金涂层。用该技术制备的涂层与等离子喷涂层相比,具有更高的致密度、硬度和结合强度。世界上许多发达国家,投入了大量的财力对超音速火焰喷涂技术进行研究和开发,八十年代末九十年代初期,先后又有数种喷涂系统研制成功,并投入市场,如Top-Gun, Diamond-Jet,JP- 5000,CDS(continuous det-onation spray gun)等,由于HVOF系统工作使用气体燃料和氧气,故成本很高,如JP-5000,按TAFA公司所采用的典型工艺参数需氧气流量为0.943 8m3/min,则每瓶氧气可维持5~6min,成本仍很高。
因此开发研制空气超音速火焰喷涂系统(HAVF)成为近年来各国竟相研究的热点。目前,美国、英国、日本等发达国家已成功研制了HVAF系统。随着HVOF涂层的优良质量逐渐为人们所熟知使得此技术在国内也得到了关注。到目前为止,国内已陆续从国外购进几台HVOF设备,西安交通大学于95年成功地研制了我国自己的HVOF系统,沈阳工大等单位陆续开发出自己的HVAF系统。这些都标志着我国在此技术领域后来居上的发展态势。
1 关于喷涂过程的粒子束行为
文献[18]研究了喷涂粒子在平面基体上的飞溅行为。随着基体温度的升高,喷涂粒子在基体上的附着模式由非定向溅射型向收缩溅射型转化。飞溅的原因在于粒子固化的速度,同时又与二次能量转化的条件密切相关。文献[19]认为影响涂层结合强度的根本原因是粒子束在碰撞基体前的塑性化程度,而塑性化程度又主要取决于焰流的焓值和喷距,超音速射流将大幅度减小焰流的焓值,从而影响粉末的熔化。可通过减小喷嘴直径与调整喷距的方法加以改善。有些学者对此观点持有异议。文献[20]认为:如果仅强调粒子在焰流中的高焓状态,势必使粒子在高温气流中滞留时间过长,极易引起过热氧化,从而影响涂层质量。实验表明,温度与速度相比较,粒子的动能对涂层质量的贡献更大一些[18~20]。
甚至有些学者认为传统意义上所认为的热能的贡献率应该重新评价。支持这种观点的是近年所做的超高音速冲击喷涂(HVIF)的实验结论。因为HVIF不需将粉末加热而在冷态下以极高的速度(v>2 000m/s)撞击基体表面,涂层的结合强度较为理想[21]。另一个重要依据是通过观察粒子束在与基体撞击的瞬间(约为10-6s)冷凝过程中所发生的表面形态与物理变化得出的结论。粒子在喷涂过程中呈熔融态的负面效果是液滴极易飞溅使沉积效率降低,且易氧化。故以半塑性状态为理想状态在以尽可能高的速度冲击基体表面,在与表面接触瞬间动能转化为热能,是粒子与基体接触界面呈现二次塑性化倾向,从而使结合强度提高。从涂层的金相照片中可看出大量的粒子外端形状未发生大的变化,但涂层的硬度和致密性又远高于普通涂层[21]。文献[21]认为早期HVOF系统过于强调热量对于涂层质量的贡献,在结构设计上极力主张将粉末加热到所能达到的最高温度,现在看来此观点有失偏颇,实验证明除了前述原因之外,还有一个问题就是高温状态下制备的涂层与基体的结合界面的残余应力为拉伸应力,从而容易造成横向裂纹扩展使结合强度降低。而新一代HVOF/HVAF/HVIF系统设计将温度定位在某一区间内,将速度的提高作为结构优化的主要目标函数。经X射线衍射测试证明所制备的涂层不仅结合强度高,而且表层残余应力为压缩应力[19~21]。
2 超音速火焰喷枪设计与焰流的数值模拟
HVOF和HVAF系统产生超音速焰流主要靠超音速喷枪,而各种喷枪的基本工作原理是相同的,现有的商品化的超音速火焰喷涂系统又各有特点。Jet-Kote喷枪如图1[9]c所示,是第一台商品化的HVOF喷枪,氧气和燃气在位于手柄内的燃烧室燃烧,高温气体通过一定角度的环形内孔达到枪筒。粉末沿轴向送进枪筒内孔,高温气体加热粉末并将其加速喷出枪筒,燃烧室和枪筒均采用水冷方式。Diamond)Jet (DJ)喷枪如图2e是另一种HVOF喷枪,没有枪筒也未采用水冷,而采用喉管燃烧、中心送粉方式。DJ不采用水冷,具有易操作优势,但没有高压燃烧室和高压气体压缩枪筒,与其它HVOF喷枪相比,不利于粒子的加速。此外,由于在DJ的喷枪中,同轴空气流动层使火焰温度降低,而火焰射流压力较低,热量向粉末转移困难,这就要求使用昂贵、粒度接近的细粉。JP-5000如图2b与其它HVOF喷枪相比有几点不同:使用安全的液体燃料、高压喷涂、吸入式送粉以及热效率高等。氧气和液体燃料送进喷枪后部的燃烧室,并用火花塞点燃。
粉末沿径向并从双孔加入内喷嘴喉管后的过度膨胀负压区,从而不需要高压送粉系统。H)Gun喷枪(如图1f所示)具有如下特点:由于采用从喷嘴外部火焰喷出部送粉,所以粉末与喷嘴不产生摩擦,且粉末选择粒度范围广。而且,送粉量和喷涂火焰能量相匹配,可大幅度降低涂层成本;火焰周围喷出的压缩空气呈筒状,形成空气隧道,保持火焰集束;微细粉末易熔融,粉末中含适量的微细粉末,可控制涂层形成时的微粒状态,即熔融微粒和半熔融微粒混合,使涂层残余应力接近于零;喷涂粉末与喷嘴不产生摩擦,喷嘴无磨损,勿需维修,可实现长时间安全运行[10]。
由于超音速火焰喷枪的结构是参考喷气式火箭发动机的原理设计的,而火箭发动机的数值模拟已研究多年,较为成熟,因此,用数值方法模拟超音速喷枪的焰流工作状态已成为一种趋势。目前已发表了数篇以数值模拟方法探讨超音速火焰喷嘴内外燃烧火焰状态的论文,通过数值模拟方法探讨喷嘴、等截面长喷管参数对焰流及喷涂微粒的影响已被实验证明具有较高的精确度。最先用空气动力学理论模拟HVOF喷涂喷枪内和喷枪外超音速焰流的是Power和Smith等学者,由于焰流在喷嘴出口处发生阻塞,所以喷嘴内、外焰流的数值模拟是分开进行的。
2000年在加拿大召开的国际热喷涂会议上,有近10篇论文是关于超音速火焰喷涂数值模拟。文献[12]经数值模拟分析了给定喷枪参数条件下,焰流的马赫数、压力、速度和温度及粒子的速度、温度沿轴线的变化规律。文献[13]介绍了不锈钢粉末在超音速火焰喷涂过程中的飞行行为和飞行过程中氧化的数学模型,模拟气流及五种粒度的粉末(分别为20Lm、30Lm、40Lm、60Lm、80Lm)在不同喷涂距离的速度值、热传递系数、表面温度及在雾化气流分别含10%、20%氧气的情况下粉末氧化层厚度与飞行时间的关系。文献[14]模拟三种喷嘴计算出各喷嘴出口处燃烧气体和喷涂微粒状态的部分结果,主要包括喷枪出口气流压力场、速度场、温度场及粒子的速度场和温度场。由数值模拟结果可以看出,随着喷嘴形状的变化,燃烧气体状态对喷涂微粒与燃烧气体对喷涂微粒的影响相比非常小,特别是对喷涂微粒速度的影响差别非常大。另外该文献还用与数值模拟相同的条件进行多种喷涂试验,与数值模拟结果进行比较,得出如下结论:控制喷涂燃料、设计最佳Laval喷嘴形状、采用模拟方法是行之有效的。
文献[15]除了模拟气流的压力、速度和温度场及颗粒的速度和温度场外,还模拟了颗粒的飞行时间和熔化程度与喷涂距离的关系。
目前超音速火焰喷枪的数值模拟方法基本上都未考虑固体微粒的作用,喷管中的两相流动主要表现在固相微粒与焰流间的相互作用,其计算首先要了解喷涂微粒的性质、固-气相互作用等,然后建立二相流动的控制方程确定边界条件。喷管中的两相流动数值模拟计算及喷管型面设计代表了超音速喷管理论的研究水平。
3 超音速火焰喷涂的应用
美国近年来在航空发动机部件如压缩机叶片、轴承套等上使用HVOF技术已经基本实现了标准化,可完全取代以前使用的爆炸喷涂层,旨在降低成本[3]。英国在气轮机第一级静叶片上使用HVOF技术效果很好,可取代昂贵的低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积。德国、法国、美国等国家在冶金行业中大量使用挤压辊轮、热浸镀锌槽中的沉没辊及有色金属二次加工轧辊等应用HVOF技术,寿命明显提高[7]。日本钢铁工业应用HVOF喷涂修复退火炉辊,修复率从80年代中期的30%上升到90年代后期的80%,而带钢因结瘤等引起的次品率则由85%下降到零[11]。由于发动机的高压压缩机前轴的磨损是在轴孔内,所以使用传统的修复方法相当困难。但对于HVOF工艺来说,由于它具有长的喷涂距离、精确且易于操作的喷枪以及非常高的粒子速度,虽然喷涂角度较小,仍能制备出厚度超过2mm的涂层,且修复表面具有很高的质量,对喷涂表面加工也很容易,使得其维修成本与更换整个部件所需的费用相比大幅度降低[16]。文献[7]报道用HVAF系统喷涂WC-Co,涂层性能如表1所示。
可以看出,由于HVAF喷涂WC-Co粒子飞行速度高,冲击能量大,因而可形成致密的、结合强度高、耐磨性能好的涂层。Fusion公司现已关闭电镀Cr生产线而转向超音速火焰喷涂,因为这种涂层具有高结合强度和韧性,完全可以适应部件服役时的弯曲工况。公司总裁Stratton Gillis称,HVOF的费用可与电镀铬的价格相竞争,尤其对于大型部件或外形复杂的部件是十分经济的方法。该公司的其它应用还包括化工厂离心压缩机转子、轴承密封区域联接配合件和推进轴承配合件等的修复[17]。
参考文献略
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