亚音速粉末喷涂的研究与应用
陈加印
第六届国际热喷涂研讨会论文
摘 要 通过分析和试验，并最后成功用于生产实践的事实，特别是采用亚音速喷枪对 WC、Cr3C2、Al2O3-TiO2、Cr2O3等高性能涂层的应用，说明亚音速粉末喷涂技术有着其特殊应用前景。提出了火焰喷涂设备要着重于高效、高能、高速这“三高”的理念。
一、概述
众所周知，实现热喷涂工艺的方法有多种，按所采用的热源来分有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子射流喷涂、气体爆燃喷涂等等；按喷涂材料的形态来分有粉状、丝状、棒状三种，其中火焰喷涂法可分别采用三种状态的材料，电弧喷涂只能采用能导电的丝状材料，而等离子喷涂和气体爆燃喷涂则只能采用粉状材料。几乎所有工程材料都可制成粉状，包括金属和非金属，而用于热喷涂的非金属材料又分为陶瓷和塑料两大类，由此看出，采用粉状材料的喷涂方法能喷涂的材料的种类最多，因而所形成的涂层的功能也最多。在所有热喷涂材料中，粉末材料始终占据着主导地位。
各种热喷涂方法均有各自的特点（包括优点和缺点），因而都需要不断地完善和发展，它们之间可以互相渗透（即为了获得某种涂层，在一定范围内可以用多种方法获得），但不可能相互取代。火焰粉末喷涂，顾名思义，它是以氧气和燃料燃烧时的火焰作热源，以粉状材料作喷涂材料的一种热喷涂方法，由于很长一段时期以来几乎都是以氧－乙炔气作为燃烧气，故习惯上又称为气体燃焰粉末喷涂或干脆称为氧－乙炔喷涂。随着热喷涂技术的不断发展，燃料的种类也开始增多，比如丙烷、丙烯、氢气、煤气、石油气、天然气等等，现在更有用液体燃料的，如煤油、汽油、酒精等，但还未见到用固体燃料的报导。应该指出，不同的燃料所能达到的燃焰温度是不同的，究竟采用哪种燃料，这就要从必要性、实用性、方便性和经济性来综合考虑。
由于氧－乙炔焰的温度最高，且乙炔气的来源最为普遍，所以在绝大多数情况下都是采用氧－乙炔焰作热源，市面上的喷枪大多也是按采用氧－乙炔焰的要求来设计制造，当需要采用其它燃料时，只需改变燃气气体通道的尺寸即可。火焰粉末喷涂作为热喷涂领域中应用最广的方法之一，与其它热喷涂方法相比有哪些优缺点呢？
我们先来看它的优点：
1、设备简单。常规的氧－乙炔喷涂设备仅为一支喷枪，且不需要什么外围设备，只需接上氧气、乙炔气便可工作。后期出现的高性能的喷涂设备，则需增加压缩空气或其它惰性气体的供应部份，如小型空压机或气瓶。所有设备投资费用较其它喷涂方法都要少得多，操作费用也很少。
2、操作简单方便灵活。通常情况下仅需一人操作，且不受施工场地的限制。
3、由于采用粉状材料，所以具备了粉末喷涂的特点，即材料来源广，包括金属、陶瓷、塑料以及由它们形成的复合材料，因此能获得的涂层种类也很多。
4、火焰粉末喷涂还可以很容易的实现喷熔工艺，从而获得冶金结合的涂层。相比之下，等离子喷熔工艺不仅成本高得多，而且受到零件形状尺寸的限制。火焰粉末喷涂的缺点主要表现为，燃焰温度相对较低，因而不能喷涂熔点接近燃焰温度的材料，一般来说熔点超过 2800℃的材料便不能用火焰喷涂的方法了，但在常用喷涂材料中，毕竟是极少数；另一缺点是常规火焰粉末喷涂工艺的气流速度低，因而粒子的飞行速度也是各种热喷涂方法中最低的，这便是导致涂层的结合强度低，而气孔率高的最大缺点，当然高的气孔率有时则是我们所需要的。
二、火焰粉末喷涂技术的发展方向
要进一步提高火焰粉末喷涂工艺的性能，就要充分发挥其原有的优势，尽量挖掘它的潜在能力。要做到这些，笔者认为应从三个方面入手，首先就是要极大限度的提高燃焰的燃烧效率，我们知道‘燃烧’是氧气和燃料间产生的化学反应，这个反应是在很短的时间内发生的，反应的完全与否,决定了燃焰温度的高低；其次是要尽量提高燃焰的功率，即提高燃焰的热能；最后是提高焰流的速度，有了高速的焰流才能获得高的粒子速度。概括起来就是从高效、高能、高速这‘三高’上着手来设计喷枪。
l 高能火焰喷涂
过去的喷枪一般均未强调效率和能量的提高，实际上高能火焰喷涂与常规火焰喷涂也没有本质上的区别，只是在设计喷枪时,着重考虑到尽可能提高燃焰的燃烧效率和功率这两个因素罢了，也就是使燃焰的温度和能量得到提高。而燃烧效率和功率的提高是与喷枪的进气方式和混气方式以及喷嘴的尺寸有关的。目前喷枪的进气和混气方式大约有以下三种，即射吸式进气，直通孔道混气结构，如卡斯特林型及仿造型喷枪；等压式进气，环形槽混气（虹吸管），如美科的 5P、6P 型喷枪；射吸式进气，螺旋式混气，如 CP 系列喷枪。
下面是当前三种典型的进气和混气方式的示意图：从示意图不难看出，第一种结构简单，可以在较低的燃气压力下工作，这对于那些还在使用乙炔发生器的用户是有利的，但因没有专门的混气结构，因而燃烧效率不高；第二种结构必须使用较高的燃气压力，这对于已经普遍采用瓶装燃气的今天是没有什么困难的，环形的混气结构提高了燃烧效率，但因对气流的阻力较大，因而气体流量的增加受到限制，故功率的增加很有限；第三种结构除采用射吸式进气外，螺旋式的混气通道，既增加了混气路线的长度，又没有增加流体阻力，因而燃烧效率和功率都能同时得到提高，这就是 CP 型高能喷枪能较容易的实现氧化锆等高熔点材料喷涂的关键所在。
通过对玻璃试片的喷涂，可方便地认定所喷材料是否熔化、是否变形，不熔化的就根本不能喷涂，只熔化未变形的，虽能喷涂但气孔率极高，通常也不能应用（除非有特殊要求），只有既熔化又变形的才可得到高质量的喷涂层。下面就是不同喷枪喷涂不同材料在玻璃试片上的照片。高速火焰喷涂除了要具备高效、高能外，还要具备高速的功能。从目前国外的各种高速火焰喷枪的结构示意图来看，似乎并没有强调高效的问题，而是只强调高能，因而一般均选用了能提供较高压力的燃料，以便获得很大的气体流量，从而实现高能之目的。常用的燃料有丙烷、丙烯、氢气、煤油等，因乙炔无法提供较高的输出压力而未予采用。高速焰流的获得，则是将燃烧室内的高压气流通过一个细长的喷嘴，这种喷嘴有的采用‘收缩型’的，有的采用‘收缩－扩张型’的（即所谓‘拉瓦尔喷嘴’），有的则是收缩后扩张成筒形的等等。
在这里要特别说明一下关于超音速和亚音速的问题。我们知道高温气流在喷嘴内流过时，其压力是在逐渐降低的，体积在逐渐膨胀，因而其比容 V 是在逐渐增加，而气流的速度 C 与其比容 v 的变化，是和喷嘴内工作状态下的音速（当地音速）a 有关的（需要说明的是喷嘴内的音速要比常温常压条件下的音速高得多）。当喷嘴内的气流速度等于‘当地音速’时，即 c=a 时，气流处于临界状态，人们把 c 与 a 的比值称为‘马赫’数，当 c 等于 a 时就是 1 马赫，当 c 与 a 的比值小于 1 时就称为‘亚音速’，当 c 与 a 的比值大于 1 时就称为‘超音速’，现在的超音速喷枪气流速度有的已超过 3马赫。然而粒子的飞行速度要比气流速度低得多，而粒子的速度还与粒子材料的质量和粒度有关，通常为 300~600m/s 或更高一些。当气流速度大于 1 马赫时，即达到超音速时，会看到被称为‘马赫节’的光斑，这是火焰流速达到超音速的特征，但需说明的是，马赫节的多少并不代表速度的大小，而是体现能量的大小。
高速火焰喷涂，特别是“超音速”喷涂，由于粒子速度比常规火焰喷涂高几倍到十几倍，因而具有许多明显的优越性能，首先表现为高的结合强度、高的致密度（气孔率可低于 1%）、低的残余应力和低的氧化物含量，这点在碳化物的喷涂方面最为突出，其脱碳量很低，大多在 60%以内，有的甚至只有百分之十几。不过脱碳量并非越少越好，太少表明粒子尚未熔化。在当前见到的高速火焰喷涂的文章中，关于喷涂 Co-WC 的有关论述所占比例是最多的，这里就不赘述了。任何一种事物都是具有两面性，高速火焰喷涂也不例外，通过这些年的应用，人们开始发现它有不足的一面，特别是超音速喷涂，由于粒子速度很高，而燃焰温度又较低，使得能喷涂的材料的范围非常有限；对材料粒度要求也受限，一般需 10μm～40μm 的粒度，即使这样,沉积效率也不高，据有关资料统计，喷涂 Co－WC 一般均在 40%左右，甚至更低；再有就是操作费用很高，甚至比等离子喷涂还高。由此看来速度并非越高越好，除非有足够高的温度和能量，或者应用于喷涂一些较低熔点的材料。
一种界于常规火焰喷涂和超音速喷涂之间的‘亚音速’喷涂工艺也许是一种折衷方案，它应属于高速火焰喷涂范畴，因为粒子的速度可达 150～300m/s，接近临界状态。CP-1000 型喷枪就属于这种类型的喷涂设备，它只需采用应用最普遍的氧－乙炔作燃烧焰，用空气作冷却气、加速气、送粉气和保护气。冷却气所带走的热能被巧妙地加以利用，它将携带的热量带入加速室变为加速气，加速气在加速室内被火焰进一步迅速加热而膨胀，于是在有限的空间（一个收缩型喷嘴）内产生高压，然后以高速离开加速喷嘴形成高速气流。值得一提的是加速气中的氧气是要参与乙炔的燃烧反应的，于是剩下以氮气为主的惰性气体，它们也起到保护气的作用，因此这种喷枪在喷涂时同样不易产生氧化（或脱碳），除了速度较高的因素外，还有保护气的作用。当然对于某些对氮敏感的材料（如钛）则可用氩气作为加速气，但成本会增加许多。
‘亚音速喷涂’同‘超音速喷涂’相比又有什么特点呢？我们先作如下分析：现在我们将常规火焰喷涂、超音速喷涂和亚音速喷涂时，粒子的动能作一下分析，首先作如下假设：
1） 喷涂材料为同种材料且为球形颗粒，其直径分为 d1、d2、d3；2） 各种工艺所要求的材料的粒度分别为 d1≈70μm、d2≈50μm 、d3≈30μm；3） 各种工艺能达到的飞行速度 V 分别为 v1≈50m/s、v2≈250m/s 、v3≈600m/s。
我们知道粒子所具有的动能W与其质量 m成正比，与其飞行速度 v 的平方成正比，即 W=1/2mv2而同种球体材料的质量与直径的立方成正比，由此看出亚音速喷涂时粒子的动能与超音速喷涂接近，因而它具有超音速喷涂相近的优点，即涂层的结合强度高，可达 45~60MPa；气孔率低，喷涂镍基合金可达 1%左右，喷涂 Cr2O3等陶瓷可达 2%左右。
通过有关试验证明，亚音速喷涂层至少与常压等离子喷涂层的质量相当（指亚音速喷枪能喷涂的材料范围内），如果工艺参数选择得很适合，还会超过等离子喷涂层的质量。下面的一些数据是沈阳金属所李诗卓等人分别用 7M 等离子喷涂设备、SHP-2000 型火焰喷枪和CP-1000 型亚音速喷枪喷涂 Al2O3－TiO2进行的对比试验结果。该试验是采用‘往复式高温盘针’和‘单摆冲击刻槽’等方法对几种涂层在动态负荷条件下的结合力、耐磨性和气孔率等进行测试。由于喷涂材料为氧化物，这对等离子喷涂来讲是有利的，如果是喷涂碳化物，则情况就可能有更大的差异了。
下面是试验得出的有关数据：
试样中‘F’为 SHP-2000 涂层、‘P’为 7M 等离子涂层、‘S’为 CP-1000 亚音速涂层；编号‘1’为烧结粉，编号‘2’为复合粉。
通过以上数据可看出，亚音速喷涂的涂层，无论孔隙率、硬度和结合强度均优于等离子喷涂，仅粗糙度略差于等离子喷涂，这是因为等离子喷涂的温度很高，材料熔化充分的缘故。对于熔点在2300℃以下的陶瓷材料，如灰色氧化铝、氧化铬、碳化钨、碳化铬等用亚音速喷涂，会得到比等离子喷涂更好的涂层质量，特别是喷涂碳化物类陶瓷，由于亚音速喷涂具有前面所讲到的高速和气体保护的作用，故脱碳远远低于等离子喷涂。这也是其它高速火焰喷涂共同的优点。
那么亚音速喷涂与超音速喷涂之间又有什么差异呢？
单就粒子速度而言，前面己作了分析，亚音速喷涂时粒子的动能略低于超音速喷涂，因而涂层的致密度和结合强度略低于超音速喷涂，但火焰的温度却高于超音速喷涂，加之粒子速度相对较低，即在火焰中停留的时间相对较长，这就大大的增加了所能喷涂的材料的范围，比如前面提到的氧化物陶瓷材料，而对超音速喷涂氧化物陶瓷是十分困难的，至少笔者至今未见到有关方面的报导。对于喷涂相同材料而言，亚音速喷涂则允许较大的粒度范围，比如碳化钨复合材料，其粒度可达-260目，合金粉甚至可用-200 目的粒度。此外亚音速喷涂时，材料的沉积效率高，通常都在 80% 以上，喷涂氧化物陶瓷也在 60%以上。再一个显著优点是：操作成本很低，与高能火焰喷涂相差无几。亚音速喷枪由于加速喷嘴很短，不易结瘤，因而可长时间作业。据有关用户反映，他们在喷涂锅炉‘四管’时，有时连续工作十几个小时，只换人不换枪（估计中途也有短暂停息的时候）。而超音速喷枪要连续工作这么长的时间是不可能的。据国内用户反映，用 JP5000 喷涂 Co-WC 只能工作 30 分钟，喷涂 NiCr-Cr3C2则不到一刻钟就要结瘤。
下面就来列举几个采用 CP-1000 型和 CP-3000 型亚音速喷枪喷涂的典型例证：
1、机械零件的修复
对于那些要求表面粗糙度很高的机械零件的修复，采用亚音速喷涂是非常适宜的，其涂层经磨削加工，可很容易地达到 1.6～0.8 的粗糙度。右图是正在喷涂的印刷机的压印辊。
往复式压缩机的活塞杆表面要承受很大的剪切力，采用喷熔工艺会产生严重变形，甚至有断裂的危险，而常规的喷涂方法又难以保证其结合强度，采用亚音速喷涂则可以满足这种要求。下图就是一批喷涂修复后的活塞杆。
2、各种化工泵喷涂氧化铝氧化铬耐磨涂层
对于氧化铝和氧化铬等氧化物陶瓷，通常都是采用等离子喷涂，事实上采用常压等离子喷涂的氧化物陶瓷，其气孔率还是比较高的，通常都要进行封孔处理。而采用亚音速喷涂，由于气孔率极低，封孔已经失去意义，因而通常都省去了封孔程序。这在前面提到的李诗卓等人的试验数据中也得到证实。
3、电厂锅炉四管的防护涂层
在热电厂锅炉四管的抗高温氧化、耐磨涂层的喷涂方面，含碳化铬 75%的“镍铬碳化铬”涂层被认为是目前耐高温、耐腐蚀、耐磨损最有效的材料，但要使碳化铬含量达到 75%，目前只有制成粉末材料才能实现。而要在喷涂过程中尽可能少脱碳，则只有采用高速火焰喷涂，但若采用超音速喷涂，不仅成本高，在现场施工也极不方便。而亚音速喷涂正好体现出它的极大的优越性。在这方面国内应用已经比较普遍了。
4、风机叶片喷涂耐磨涂层
各种接触到粉尘或腐蚀性气体的风机叶片其使用寿命很短，现在很多都采用了热喷涂技术进行强化处理。采用喷熔工艺当然解决了结合强度的问题，但校正变形则是个头痛的事。现在许多人采用亚音速喷涂满足了对结合强度的要求，又免去了叶片变形带来的烦恼，而且用内孔喷涂接长管可以方便地解决流道深处的喷涂问题。
5、在大面积防腐涂层方面，以前惯用的方法
是采用线材火焰丝喷和电弧喷涂。在对钢制品的大气防腐时，喷铝是首选的材料，但在采用丝喷时，由于铝表面有一层致密的氧化膜，一些电弧喷涂设备使用起来会造成电弧不稳定，所以好些情况下只好选用喷锌，而喷锌时对人体本身和环境的影响都是很大的。但采用亚音速粉末喷涂有其独特的优越性：铝粉末现在已经很容易获得，且价格不贵，喷涂速度和沉积效率都很高，铝涂层与碳钢的抗拉结合强度也很高。铝粉还可以根据需要选择不同的粒度，以获得不同致密度、且很均匀的涂层。粉末喷涂很灵活，所以适合复杂环境工作。
下面是在为钱江大桥桥墩支座喷涂铝涂层时在现场获得的数据：在不计喷砂的条件下，喷涂一平方米，涂层厚度不小于 0.2mm，所需时间为 6～7 分钟，即每小时 10 平米左右。其中一组的喷涂面积共 110 多平方米，实测厚度为 0.2～0.26mm，个别部位为0.16mm，共用粉 45kg。所喷试件（基体为碳钢）经测试，其抗拉结合强度为 30～32MPa，沉积效率为 91.6%，沉积效率是在 200×200，厚度为 2.5mm的钢板上喷涂 30 秒钟后，根据用粉量和钢板的增重而计算得来的。
综上所述，亚音速喷涂由于兼备了超音速喷涂质量高和火焰喷涂既经济又方便的优点，因此是一种值得推广的热喷涂工艺。
参考文献略
|
