超音速火焰喷涂工艺探索

虞扬

（河北省邯郸市永年区海翔机械厂 河北邯郸 057150）

超音速火焰喷涂工艺是现代热喷涂工艺的一种，也是现代热喷涂工艺的主要发展方向。超音速火焰喷涂工艺的应用，在很大程度上满足了现代工业生产领域对喷涂工艺的需求。但是，在现代工业生产的高要求背景下，超音速火焰喷涂工艺应用也存在一定的问题急需解决。所以，在当前研究超音速火焰喷涂工艺的过程中，对工艺进行全面的解析非常关键。在工艺原理基础上，对影响工艺实施的各项因素进行分析，继而实现对工艺的优化探索，促进超音速火焰喷涂工艺的发展。

1 超音速火焰喷涂工艺的研发背景分析

喷涂工艺是工业中需求量非常高的工艺，所以工业生产对于喷涂工艺的研发也从未停止。在20世纪50年代左右，爆炸喷涂D-gun工艺是应用非常广泛的工艺手段，同时喷涂工艺的应用效果也符合当时社会生产的要求。但是，随着工业生产的效率提高、工业生产对于喷涂工艺的应用需求也随之提高。传统的D-gun喷涂工艺应用问题也逐渐暴露，在爆炸喷涂工艺应用中，存在工作环境差、工艺操作危险系数高、喷涂时间慢、效率较差的问题。所以，在喷涂工艺应用过程中，相关专家开始了对新喷涂工艺的研发。另外，研发新的喷涂工艺也是喷涂工艺市场的需求，因为在当时爆炸喷涂工艺一直都被Unine Carbide 所垄断，所以研发新喷涂工艺也是在研发打破市场垄断的新技术［1］。

在喷涂工艺专家的不断研究下，到20世纪的80年代左右，超音速火焰喷枪在美国出现，是利用超音速喷漆原理研制的喷漆设备。超音速喷漆工艺具体是在1985年开始投入到社会生产当中，一经问世就得到了良好的评价。该工艺的应用不仅打破了传统爆炸喷涂工艺的垄断，同时也创建了属于自己的技术时代［2］。

超音速喷涂技术之后也在不断地创新发展。1991年，METCO公司在初始的超音速喷涂技术之上，研发了2600 和2700 两种型号的喷涂工艺。在技术创新过程中，超音速火焰喷涂技术不断革新自身的技术方向，分别完成了燃烧空间改进、燃油类型改进、冷却方式改进等多方面内容。通过冷却方式的综合改进，确保喷涂工艺的应用更加合理，也能够最大程度上提升喷涂工艺效果，确保技术应用更加合理。另外，在当前社会生产力的不断要求下，超音速喷涂工艺还在不断创新，现代社会中应用最为广泛的就是HVOF技术，该技术为超音速火焰喷涂工艺的第三代技术。在该技术的应用过程中，其火焰速度特性有所提升，并且与前两代工艺相同，都是采用轴向送粉技术。HVOF技术在应用过程中，与前两代技术相比，可以用更快的速度和较低的温度输送粒子，在沉积过程中粒子碰撞基体表面时能产生一定的喷丸效应，从而在涂层产生压应力，也能显著提高涂层结合强度［3］。

2 超音速火焰喷涂工艺研发应用现状

现代社会生产中，应用超音速火焰喷涂工艺都属于HVOF系统，该技术已经形成了标准化的操作流程，同时该技术已经广泛应用于社会的各项生产当中。

（1）HVOF 超音速火焰喷涂技术已经开始应用于航空航天领域。航天压缩机的叶片、航天压缩机静子叶片都需要使用到超音速火焰喷涂技术进行喷涂。而与之前使用的爆炸喷涂工艺相比，采用HVOF 超音速火焰喷涂技术也具有低成本、高效率的特点［4］。

（2）HVOF超音速火焰喷涂技术更多地应用于石油化工领域。在石油化工生产过程中，石油化工生产对于储存装置、管道设备的抗腐蚀要求非常高，所以需要采用良好的喷涂工艺将防腐材料及金属材料喷涂于设备表面或者内表面。而通过不断的技术研究发现，采用HVOF 技术可以实现WC-CO、Cr3+等金属粉末有效喷涂。在喷涂工艺研究过程中发现，采用该工艺还能够提升腐蚀层表面的耐磨性能，所以该工艺应用不仅提升了石油化工设备抗腐蚀性，同时也具有提升结构硬度和结构使用性能的功能。另外，进一步研究发现，使用超音速火焰喷涂工艺进行石油设备喷涂中，能够保证涂层的抗温度性能达到540℃、压力在140～150MPa即可，也是比较理想工作温度耐力和压力耐力［5］。

（3）冶金领域中也开始应用超音速火焰喷涂工艺。现代矿产冶金领域中，大部分使用锟道结构进行金属物质输送，按时在输送过程中，由于长时间的金属摩擦，很容易造成物料损伤及锟道损伤。所以，冶金装备相关专家在研究过程中，提出了利用HVOF超音速火焰喷涂技术将Co基WC粉末喷涂于辊道之上技术。该技术在应用过程中，能够提升辊道的使用寿命，提升表面抗磨性及硬度性能。另外，在相关性能研究过程中，发现采用该金属材料及HVOF超音速火焰喷涂技术进行表面喷涂，能够使锟道喷涂表层的抗高温度性能达到450℃。

（4）在印刷领域中，相关研究利用HVOF超音速火焰喷涂技术进行印刷琨的镀铬。在印刷琨喷涂铬金属，提升了表面硬度，也提升了物质表面结构硬度。

研究发现，HVOF 超音速火焰喷涂技术主要应用于现代工业生产的装置保护层喷涂当中，具有工艺操作简单、工艺应用性能良好的特点。而在现代工业生产不断发展的背景下，喷涂工艺行业也应该不断地创新发展，保证与工业生产同步前进，确保技术始终不出现落后的问题［6］。

3 超音速火焰喷涂工艺原理分析

3.1 超音速火焰喷涂工艺原理

超音速火焰喷涂工艺之所以在工业生产领域得到广泛应用，正是由于其工艺的应用特点。而在其工艺的具体应用过程中，也是延续了基本的热喷涂工艺原理。在热喷涂工艺应用过程中，喷涂温度与喷涂速度是十分重要的两项因素，直接影响到喷涂工艺应用与涂层效率。而超音速火焰喷涂工艺实施过程中，主要是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或航空煤油为原料，利用原料在燃烧室燃烧后产生的火焰流将金属粉末喷涂到被喷物件当中。在超音速火焰喷涂工艺实施过程中，该工艺的喷涂温度可以达到3100～3200℃，喷涂速度也可以达到1500m/s以上。

在具体的喷涂中，喷涂粉末通过超音速火焰喷涂枪的管径进入到火焰中，火焰的温度足以将粉末熔化成固体粒子及半熔化粒子，并且半熔化的粒子具有非常强的黏附性能，在喷射路径中与固体粒子连接，最后也粘附到被喷涂物体表面，从而形成了喷涂层。所以，采用超音速火焰喷涂工艺进行喷涂过程中，是一种粒子与半熔化粒子的有效结合层，也使表层具有双重性能，提升了表面的物理硬度性能。

3.2 超音速火焰喷涂工艺分析

通过上述超音速火焰喷涂工艺的喷涂原理可以发现，在整个工艺应用的过程中，影响到喷涂工艺应用的主要参数包括燃油种类、燃气流量、氧气流量、喷涂距离以、枪管长度、粉末性质等。所以，在超音速火焰喷涂工艺实施过程中，影响到工艺效果的因素非常多。在现代超音速火焰喷涂工艺探索过程中，相关专家也对超音速喷涂火焰工艺的各方面影响性能进行研究分析。

（1）相关专家在分析过程中，针对超音速火焰喷涂工艺的粒子飞行速度因素进行了分析。在分析过程中，以陶瓷粉末为实验材料，采用陶瓷粉末进行物质表面喷涂过程中，陶瓷粉末的粒子飞行速度越大，就越能够有效地减少飞行时间，而飞行时间减少，也减少了粒子在飞行过程中氧化的概率及粒子氧化的比例，从而也让整个喷涂粒子着陆到被喷涂物质表面的数量增加；同时，从粒子质量守转换定律而言，粒子速度越快、撞击到被喷涂物质表面的数量越多、撞击力越大，也更有利于提升粒子的粘附性和展铺性能，最终提升了面层的喷涂效果，面层的喷涂致密性更高。

（2）相关专家在研究分析过程中，为了详细验证超音速火焰喷涂工艺的主要影响因素，建立了相关正交实验。在实验过程中，将超音速火焰喷涂工艺的氧气量设为不变量，将燃油流量、喷涂距离、送粉气流量等参数设定为变量，采用镍基复合粉末对铁质物体进行喷涂，最后判定喷涂层的性质。在整个实验过程中，通过对比各项变量对喷涂层性能的影响，发现燃油流量参数变化的情况下，超音速工艺应用喷涂层的性能变化率最大，同时发现对工艺影响最小的因素是送粉量因素，也就是说，通过增加粉末数量的方法并不能对喷涂层的性能起到多少效果，假设如果粉末过多，反而会造成喷涂层较厚，影响物体其他性能的问题。

（3）另外也有专家通过针对性实验，研究了被喷涂物体表层粗糙度是否对涂层性能造成影响。通过研究发现，粗糙度对涂层与基体间结合力影响巨大，提高基体粗糙度能够显著提高涂层与基体间的结合力［1］。

超音速火焰喷涂技术应用过程中，相关专家的探索非常深入，针对影响喷涂工艺的各项性能都进行了具体的研究，相关专家也找出了一定的规律。但是，现代超音速火焰喷涂技术应用领域比较广，在不同领域、不同喷涂基体、不同喷涂粉末材料的情况下，想要进行错综复杂的研究十分困难。所以，细致地研究仅能够找寻一定固定规律，而要想细化研究火焰喷涂工艺的影响性能，还需要不同行业在工艺应用过程中完成超音速火焰喷涂工艺的具体研究，从而促进工艺的快速发展。

4 超音速火焰喷涂工艺还存在的技术性问题

超音速火焰喷涂工艺在进行技术研究过程中，由于现代工业生产工艺在不断进步，所以在火焰喷涂工艺应用过程中，也暴露了一定的问题，影响了工艺的应用效果，以下是现代工艺中应用的主要问题研究。

（1）枪管的结瘤问题。在工艺应用过程中，粉末喷涂物需要在枪管飞行一段距离，虽然高温已经让粉末产生熔化现象。但是，火焰机温度不足以让所有的粒子熔化，同时熔化后的粉末更容易粘附到枪管表面。久而久之，在不断地使用过程中，枪管内部开始出现结瘤问题，该问题的产生不仅会影响到超音速火焰喷涂的后续应用效果，造成粉末堵塞、涂层致密性不足等问题，同时在不断使用的过程中，也容易造成枪管损坏问题。

在相关专家的研究过程中，针对枪管结瘤问题进行了调查研究。在实验调查古城中，采用超音速火焰枪对WC-CO、Cr3+等金属粉末进行长时间喷涂，测量枪管的结瘤和报废时间。在实际的技术研究过程中发现，WC-CO 喷涂过程中，枪管的最长使用时间为30min；Cr3+喷涂过程中，枪管的最长时间为15min。该问题的出现也影响到了超音速火焰喷涂工艺的使用成本，很多时候在完成以此喷涂作业过程中，需要更换多次枪管，不仅降低了使用效率，同时也提高了技术的应用成本。

（2）适用性材料相对比较少。当前，在超音速火焰喷涂工艺应用过程中，该技术能够应用于石油化工、矿业生产，同时也适合应用更多的金属物质喷涂。但是，该技术在应用过程中，也有一定的弊端，就是可以适用的粉末材料比较少。在当前，超音速火焰喷涂工艺应用的粉末材料打大部分都是碳化物金属基陶瓷粉末，虽然合金粉末以及金属陶瓷粉末也有所应用，但是存在有土层效果不佳、土层厚度和致密性较差的问题。例如，在超音速火焰喷涂工艺应用过程中，如果应用到金属陶瓷粉末材料，金属陶瓷粒子对于高温环境过于敏感、很容易在高温状态下发生分解现象。所以，使用金属陶瓷粉末材料的用量相对比较大，也造成了成本相对较高的问题［2］。

5 超音速火焰喷涂工艺技术创新研发方向

5.1 技术创新研发新方向

超音速火焰喷涂工艺在现代社会中的应用具有良好的效果，在未来一段时间内，该技术依然会是喷涂技术的主流发展方向。而在近段时期内，对于该技术的探索还应该注重问题的解决。

（1）注重解决枪管结瘤问题。枪管结瘤问题是超音速火焰喷涂工艺应用过程总的主要技术问题，对于该技术的应用有非常重要的作用。所以，在该技术进行创新研究过程中，需要对超音速喷涂工艺的枪管结瘤问题进行有效地解决。例如，现代专家提出HVIF（超音速撞击熔化喷涂）工艺，该工艺的主要特点是降低粒子的熔化程度，让粒子在撞击到喷涂基体之前仅是软化的状态，从而就不会有过多的粒子粘附到枪管内表面，该工艺的应用能够良好地解决实际问题［3］。

（2）注重研发新粉末材料。在未来社会发展中，材料技术将是十分重要的技术。所以，在技术进行创新研发过程中，更需要完成对其技术的广泛应用，确保超音速火焰喷涂工艺应用更加合理，也能够提升火焰喷涂工艺应用效果。研发更多的粉末材料，将是该技术研发的重要内容［4］。

5.2 注重技术自主化研究

我国在1995 年才成功研究出CH-2000 超音速喷涂系统，对于该技术我国的自主化能力还比较差，所以在技术研究中，要加强超音速喷涂技术的自主研发，促进技术的新发展［5］。

6 结语

超音速火焰喷涂工艺是现代基体喷涂应用的主要工艺技术，希望本文的相关探索能够促进该工艺未来的发展。