摘要 介绍了超音速火焰喷涂技术的发展过程、未来的发展方向以及涂层的应用,详细比较了各种超音速火焰喷涂枪的工艺特点和涂层造价。此外,还对超音速火焰喷涂涂层的性能(如硬度、密度、结合强度、残余应力)进行了较详细的介绍。
关键词: 超音速火焰喷涂 工艺特点 涂层性能
0 前 言
超音速火焰喷涂(HVOF)是自等离子喷涂之后热喷涂技术的又一重大进步。被称为Jet Kote的世界上第一台HVOF喷涂系统是由美国的Browning Engineering Co. Enfield, N.H.于1982年发明制造的(后转让给Stellite公司)[1]。HVOF喷涂枪与普通火焰喷涂枪的不同之处是,它有一个供氧与燃料(可用燃料包括丙烯、乙炔、丙烷、氢气、煤油等)进行燃烧的高温高压燃烧室,并且燃烧产物通过一个压缩-膨胀喷嘴喷射出去。这种结构设计的目的是在喷枪的出口处获得超音速喷涂燃流,以便将通过送粉气送进燃流的粉末加速到超音速。由于以超音速飞行的颗粒撞击到基体表面时会更加平展,所以HVOF喷涂涂层的结合强度、密度和硬度都非常高。高速(可使颗粒获得高的动能和较短的氧化暴露时间)和相对较低的温度是HVOF热喷涂工艺方法最重要的两个特征。
1 超音速火焰喷涂的发展
自1953年以来的几十年间,热喷涂界一致公认的最佳热喷涂工艺方法是Linde Division Union Carbide所拥有的爆炸喷涂,即D-Gun[2]。D-Gun具有很多突出的优点,它可以生产出具有非常高的硬度、密度以及良好结合强度的涂层,D-Gun喷涂的WC-Co涂层就是最典型的涂层之一,D-Gun喷涂涂层的质量一直是其他热喷涂工艺方法所追求的目标。然而,D-Gun仅仅是Union Carbide的工艺与技术,而其他用户只能得到Union Carbide的独家涂层服务,并不得不为此付出高额的费用,Union Carbide对D-Gun的独家垄断大大限制了爆炸喷涂技术的推广与应用。
早在20世纪50年代,为了生产出高质量的WC-Co热喷涂涂层,Linde Division Union Carbide开发了一种轴向送粉水冷却喉部燃烧的喷涂枪(图1a)。这个系统的优点是结构简单,减小了燃烧室的表面积从而降低了喷涂枪的热损失。这种喷涂枪的热效率可达到80%,也就是说,燃料燃烧所释放的80%能量都转化为有效的喷涂动能和热能。然而令人遗憾的是,这个具有高热效率的喷涂装置却有一个致命的弱点,即为了保持稳定地燃烧,其燃烧功率受到了严格地限制,所以此喷涂枪的燃烧室压力和出口速度只能维持在一个较低的水平。由于喷涂枪燃流的出口速度是由燃烧室的压力所决定的(图2),喷涂颗粒的飞行速度只能达到燃流速度的25%~50%,而且喷涂颗粒的飞行速度是影响热喷涂涂层质量的关键因素(图3),所以此喷涂装置喷涂的涂层质量较差,没有达到预期目的。
为了提高涂层质量,Meteco公司对此喷涂枪进行了改进,研制出了空气冷却喉部燃烧装置(图1b)[3]。这种设计更加简化了喷涂枪的结构(减掉了水冷壁)并减轻了喷枪重量。从图1b可以清楚地看到,在燃烧室的侧壁与燃烧物之间有一层冷却燃烧室的变向流动的空气,它不但能够减少燃烧室侧壁的热损失,而且对燃流进行了压缩。然而这种喷涂装置的主要缺点是,冷却空气向燃流中的扩散与混合加大了喷涂燃流的氧化性,从而导致涂层中氧化物含量的增高。此外,空气对燃流的搅动和混合降低了火焰的温度并且使喷枪不能使用有利于喷涂颗粒加速的长喷管。总而言之,喉部燃烧喷涂装置喷涂的涂层质量还远远不能与D-Gun涂层相比。
20世纪80年代Browning等人在高速火焰喷涂枪的设计上做了大量的工作,他们使用直径较大的燃烧室在保证火焰稳定燃烧的前提下增加喷涂枪的输出功率,目的是提高燃烧室的压力,进而提高喷涂燃流和颗粒的飞行速度。与喉部燃烧器相比,燃烧室燃烧的喷涂装置喷涂颗粒的飞行速度高而且加热更充分,因为它采用了更长的隔绝空气的喷管。
根据燃烧室形式的不同,目前市场上可以见到7种HVOF喷涂装备。它们分别是Jet-Kote、Diamond Jet、Top Gun、CDS、HV2000、JP5000和Aerospray。Jet-Kote是最早的直角燃烧室/轴向送粉的燃烧器,其结构简图见图1c。实验证实,此喷涂装置喷涂的WC-Co涂层具有与爆炸喷涂涂层相当的甚至还高的耐磨性能。这种喷涂枪采用了直角的燃烧系统,并扩大了燃烧室的直径。燃烧产物在进入喷嘴之前方向转变了90b,其目的是使燃流更加均匀地进入喷嘴。这种设计的另一个好处是,为在轴向向喷枪喉部送粉提供了水冷空间。但是Jet-Kote也有其自身的缺点,其直角喷嘴增大了热损失,而且过高的热梯度可能造成喷枪的破裂。
此外,在颗粒送入之前直角喷管还减弱和降低了燃流的动能与温度,致使喷涂效率下降。
图1d的轴向燃烧装置是水冷HVOF喷涂枪的一项革命。1989年,Miller公司推出了轴向流动的HVOF喷涂系统)—Top Gun。与此同时,Sulzer公司也生产出与其相类似的HVOF装置)))CDS[1]。这些HVOF系统均采用了轴向燃烧室并进行轴向送粉。轴向送粉是人们长期追求的理想的送粉方式,它既可以提高喷涂枪的热效率,又能使粉末得到更加均匀的加热,同时也放宽了对送粉参数精度的限制,从而可以喷涂出质量一流的热喷涂涂层。但是,这种人们认为非常理想的设计却又带来了新的问题,当使用较大的功率生产结合强度和密度更高的热喷涂涂层时,喷涂颗粒如WC会出现过度加热的现象。这是由于喷涂燃流向颗粒输入了过多的能量所致。对WC颗粒而言,温度过高则会发生分解和被氧化,WC颗粒一旦被氧化和分解,尽管涂层有较高的结合强度和密度,但随之而来的是较差的耐磨性。如果想要获得较高的WC颗粒保留率,那么所牺牲的必然是涂层的结合强度和密度。
1991年,Hobart TAFA公司改进了这种轴向燃烧室的HVOF系统,并生产出了图1e的HVOF喷涂系统—JP5000。有报道称[4]JP5000枪管内的燃流速度是其它HVOF喷涂系统的两倍,而且出口速度与D-Gun相差无几。这种HVOF喷涂装置的粉末是通过喉部与枪管的结合处,即超音速燃流的压缩区(燃流直径最小区)径向送入火焰中的。这种送粉方式与其它喷涂枪完全不同,并与轴向送粉理论背道而驰。正象我们上面所提到的,轴向送粉并没有达到所预期的目的,所以才出现了JP5000的径向送粉。这种独特的送粉方式的设计依据是,火焰在即将离开喉部时发生了剧烈的膨胀,出了喉部后产生了负压区,粉末就是通过这个理想的负压区得以进入火焰中的。此外,这个理想的负压区还可以进行多点送粉,使火焰中的粉末更加均匀,加热效率更高,因此喷涂枪的单位能量的喷涂效率更高。一些实验结果表明[2,4],径向送粉的HVOF喷涂枪单位能量的喷涂效率是轴向送粉HVOF喷涂枪的两倍。径向送粉的另一个特点是可以采用低压送粉,这样就降低了送粉气的压力,同时也降低了涂层的制作成本。M.L. Thorpe和H.J. Richter.s的研究证实[2],由于径向比轴向送粉的更加均匀使得涂层更加平整,从而加大了每道涂层之间的允许距离。
2 HVOF)JP5000的工艺特点
评判HVOF喷涂系统的优劣标准莫过于它所喷涂的涂层质量。决定热喷涂涂层质量的基本原理是:高的燃烧室压力-高的燃流速度-高的颗粒飞行速度-高的涂层质量。JP5000喷涂系统恰好符合这一原则,它有目前最高的燃烧室压力(0.9 MPa),其喷涂颗粒的飞行速度可达1 005 m/s~1 200 m/s,所以它喷涂制作的涂层具有非常高的结合强度和密度,同时氧化物含量也非常低。JP5000涂层氧化物含量低的主要原因:一是HVOF的火焰温度低,再一个是由于颗粒的飞行速度快,致使颗粒在空气中的氧化暴露时间非常短。
各种热喷涂工艺方法或系统都有不同的颗粒飞行速度和温度,所以它们所喷涂的WC-Co涂层的WC颗粒分解程度和氧化物含量是有很大差别的,因此涂层的硬度相差甚远。图4中的实验结果证实[11],JP5000的WC-Co涂层的硬度最高。高的颗粒飞行速度会使涂层中颗粒之间的连接更加紧密,从而减小了涂层孔隙率,增大了涂层的结合强度。图5是用各种热喷涂工艺方法的不锈钢涂层的结合强度,实验结果同样证实,JP5000的涂层具有最高的结合强度。
一般情况下,热喷涂涂层的残余应力是拉应力,如果基体足够厚,涂层残余应力会随着涂层厚度的增大而逐渐地增高甚至超过涂层的结合强度导致涂层开裂或剥离,热喷涂涂层的残余应力主要是由热喷涂过程颗粒的迅速冷却和较大的温度梯度所引起的。由于等离子弧的温度可高达1*104e,所以等离子喷涂涂层的厚度受到了非常大的限制,一般都在0.8 mm以下。
然而超音速火焰喷涂涂层的厚度可超过13 mm,有时甚至没有限制。当然,HVOF的较低的温度是造成这种现象的主要原因之一,但美国DREXEL大学的研究还表明,当喷涂颗粒速度达到一定水平时热喷涂涂层的残余应力的性质会发生变化。图6证实了JP5000喷涂涂层的残余应力是压应力,其主要原因就是JP5000喷涂颗粒具有非常高的飞行速度。这个实验结果意味着现在我们可以应用厚度更大的热喷涂涂层而不受有害的涂层残余应力的困扰。在JP5000出现之前,碳化物的热喷涂涂层厚度超过1.3 mm时就发生剥离,而JP5000的碳化物涂层厚度达到13 mm时仍不剥离,JP5000所带来的独一无二的压应力可使涂层厚度增加10倍。
HVOF系统通常以氢或丙烷等做燃料,而JP-5000的燃料是既安全又廉价的煤油。这不但增加了HVOF喷涂系统的使用安全系数,而且还大大地降低了涂层的制作成本。图7是各种HVOF喷涂装置的涂层制作成本[4],从图中可以清楚地看到,使用氧加煤油的JP5000碳化钨涂层的制作成本每b为1.2美元,而使用氧加氢的HVOF系统碳化钨涂层的制作成本每b却高达14.20美元。
3 HVOF涂层的应用
近几年来,HVOF热喷涂涂层在耐磨、抗氧化、耐腐蚀和机械零件修复等领域得到了较广泛的应用。HVOF一出现就倍受航空航天界的青睐,而且很快就投入了生产应用,例如,压缩机的动静叶片和轴瓦等。
HVOF的WC-Co、MCrAlY、FeCrNi、Cu-Ni-In、Cr2C3-Ni-Cr等材料的涂层在航空航天领域的应用非常成功,并在逐步替代等离子喷涂工艺[1,8]。另外,HVOF涂层的高密度和低氧化物含量的特性使其在有高腐蚀环境的石油化工领域具有非常大的应用前景[9]。例如,对萃取装置、加氢反应器、高压裂解容器、硫化床、重整阀杆等石油化工设备的防腐时HVOF涂层得到了成功的应用。此外,HVOF涂层在冶金、汽车和生物医药等领域的应用也正在日益发展和扩大[8,10]。J. W. Kaufman和Co., Plymouth, Mich.[1]的市场调查结果表明,HVOF涂层每年在美国的需求量约有八千万美元,美国之外的其他国家其中包括北美、南美、欧共体和太平洋国家的总需求量大概与美国相当。
4 HVOF的未来发展方向
尽管目前市场上有多种型号的HVOF系统可供选择,但它们都存在一个共同的问题)))枪管堵塞。为了解决这一难题和彻底消除热喷涂涂层中的氧化物,J.B. Browning[11, 12] 于1992年首次提出了一个新的热喷涂工艺设想)))超音速撞击熔化喷涂(HVIF)。
HVIF设想的理论依据是,喷涂燃流从高压的燃烧室到大气环境中所发生的剧烈膨胀会导致喷涂燃流的温度大幅度下降(图8),这样就可能使喷涂颗粒所进入的超音速燃流的温度低于颗粒的熔点,从而保证喷涂颗粒在撞击基体表面之前不发生熔化而只得到软化。当喷涂颗粒以非常高的速度撞击到基体表面时,撞击的生成热再将颗粒熔化并形成涂层。这种热喷涂工艺方法的突出特点是最大限度地降低了喷涂颗粒在喷涂过程中发生氧化等化学反应的可能性,同时也解决了HVOF喷涂枪枪管堵塞的难题。
Browning先生的初步实验表明,HVIF涂层的密度几乎达到100%,而且涂层与基体间的结合强度非常高。在HVIF的Inconel 625涂层与基体结合面中还发现了涂层与基体表面发生了冶金结合的大量证据,所以对HVIF未来研究的一个主要目标是获得具有与基体发生大量冶金结合的热喷涂涂层。
参考文献略
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