超音速火焰喷涂工艺流程.docx

1、超音速火焰喷涂工艺流程超音速火焰喷涂工艺流程：施工前的准备工作、表面预处理、喷涂、喷涂后处理四个主要步骤：一） 准备工作：在编制工艺前首先应该了解被喷涂工件的实际状况和技术要求并进行分析1、确定涂层的厚度。一般来讲，喷涂后必须进行机械加工，因此涂层厚度就要预留加工余量，同时还要考虑到喷涂时的热胀冷缩等。2、涂层材料的确定。选择依据是涂层材料应该满足被喷涂工件的材料，配合要求，技术要求及工作条件等，分别选择结合层与工作层材料。3、确定参数：压力，粉末粒度，喷枪与工件的相对运动速度。二）工件表面的预处理 表面制备，是保证涂层与基体结合强度的重要工序1、凹切处理，表面存在疲劳层和局部严重拉伤的沟痕时

2、，在强度允许的前提下可以进行车削处理，为热喷涂提供容纳的空间。2、表面清理，清除油污，铁锈，漆层等，使工件表面洁净，油污油漆可以用溶剂清洗剂除去。如果油渍已经渗入基体材料，可以用火焰加热除去，对锈层可以进行酸浸，机械打磨或喷砂除去。3、表面粗化，目的是为了增强涂层与基体的结合力，消除应力效应，常用的有喷砂、开槽、车螺纹、拉毛等。 A：喷砂是最常用的，砂料可以选择石英砂、氧化铝砂、冷硬铁砂等。砂料以锋利坚硬为好，必须清洁干燥，有尖锐棱角。其尺寸，空气压力的大小，喷砂角度、距离和时间应该根据具体情况确定。 B：开槽、车螺纹、辊花。对轴、套类零件表面的粗化处理，可采用开槽、车螺蚊处理，槽与螺纹表面粗

3、糙度以RA6.312.5为宜，加工过程中不加冷却液与滋润剂，也可以在表面滚花纹，但避免出现尖角。 C：硬度较高的工件可以进行电火花拉毛进行粗化处理，但薄涂层工件应慎用。电火花拉毛法是将细的镍丝或铝丝作为电极，在电弧的作用下，电极材料与基体表面局部熔合，产生粗糙的表面。表面粗化后呈现的新鲜表面，应该防止污染，严禁用手触摸，保存在清洁，干燥的环境中，粗化后尽快喷涂，一般喷涂时间不超过二个小时。4、非喷涂部位的保护喷涂表面附近的非喷涂需要加以保护，可以用耐热的玻璃布或石棉来屏蔽起来。必要时按零件开关制作相应的夹具保护，但是要注意夹具材料要有一定的强度，且不能使用低熔点的合金，以免污染涂层。对于基体表

4、面上的键槽、油孔等不允许喷涂的部位，可以用石墨块或粉笔堵平或略高于表面。喷后清除时，注意不要碰伤涂层，棱角要倒钝。三）喷涂工艺及参数（1）粉末特性：目前粉末供应商提供了品种繁多的碳化物粉末，而粉末特性往往因其制粉工艺方法的不同而表现出较大的差异。粉末特性包括：粉末粒度分布、颗粒形状、表面粗糙度等。对ZB-2700设备来说，适宜的粉末粒度为：15m-40m。 （2）氧-燃气流量和比例喷涂的焰流温度及特性取决于氧-燃气流量和混合比例。喷涂时，首先应按照设备的规定要求确定氧气和燃气的流量，以保证喷枪焰流达到设计的功率水平。实际生产过程中有多种因素可导致氧-燃气比例的波动，而氧-燃气比例对确定最终的涂

5、层组织十分重要.理论上，丙烷完全燃烧要求氧与丙烷的比例为51（C3H8+5O2=4H2O+3CO2），这一燃烧比例产生的是中性焰（即，燃烧时氧与燃气分子全部耗尽）。若燃气比例下降，焰流中未消耗尽的氧分子将产生“氧化”气氛，导致熔融粉末粒子的过度氧化，涂层中氧化物含量增多。混合气中燃气过多会产生低温贫氧的火焰，所得涂层中未熔粒子和孔洞增多，而氧化物含量降低。事实上，中性焰是不存在的，在高温，燃烧过程不是完全可逆的，反应物与反应产物以热平衡和化学平衡方式共存。ZB-2700型超音速火焰喷涂系统，当氧-燃气比例在4.2-5.6之间时，可获得高性能的涂层。 （3）喷涂距离：ZB-2700型超音速火焰喷

6、涂系统，当粉末粒子在距喷枪出口100mm以内即已达到了其最高温度，随着喷距的增加粒子温度逐渐降低，在100-230mm范围内，粒子温度大约降低了60，其降低幅度并不大，粒子仍可保持约1775的高温；而粒子速度在距喷枪出口大约190mm内是一个逐渐加速的过程，在距喷枪出口190-200mm左右达到580m/s以上的最高速度，在170-230mm喷距上，粒子速度基本维持在580m/s以上。 考虑到高温焰流对基体传热的不利影响，喷距在可能的情况下应尽量增大，故对ZB-2700型超音速火焰喷涂系统来说，适宜的喷距应为：190-230mm。与其它喷涂工艺相比，喷涂喷距的可调整范围是比较大的，这得益于粒子

7、的高速度。较大的喷距可调范围对实际生产十分有利，因为可以根据工件的形状、大小、涂层厚度等要求选择适宜的喷距，以得到综合性能最好的涂层。 （4）送粉量：对任何热喷涂工艺来说，送粉量都是影响涂层性能的一个重要参数。某种粉末在某一具体的喷涂工艺条件下，都对应有一适宜的送粉量范围。 若送粉量过小，可能的不利影响有： 1）被喷涂粉末过熔，粉末烧损，烟雾大，易污染涂层。 2）每一遍喷涂不能完全覆盖其扫过的路径，造成涂层孔隙率增大。 3）延长了喷涂时间易造成工件过热涂层开裂和生产成本的增大。 若送粉量过大，可能的不利影响有： 1）粉末熔化不充分，涂层结合强度降低，孔隙率增大。 2）涂层应力增大，导致涂层开裂

8、。 3）粉末沉积率下降，生产成本提高。 使用ZB系统，喷涂WC-Co涂层时，当送粉量在38-60g/min之间变化时，涂层孔隙率在0.551.2%之间，显微硬度在HV1000-1300, 粉末沉积率为40-50%，涂层性能优。喷涂CrC-NiCr涂层时：当送粉量在27-45g/min之间变化时，可获得令人满意的涂层质量。四）喷涂后处理封孔，机械加工等工序。涂层的孔隙率约占体积的百分之五，而且有的孔隙可由表及里。零件为摩擦副时，可在喷后趁热将零件放在润滑油中，利用孔隙储油有利于润滑。但对于随液压的零件，孔隙而容易产生泄露，对于喷涂后，应该用封孔剂进行封孔处理。对封孔剂要求：浸透性好，耐化学作用，

9、不溶解，不变质。在工作温度下性能稳定，能增强涂层性能，常用的有石蜡，环氧，酚醛等。当喷涂后的尺寸精度与表面粗糙度不能满足要求时，需要对其进行机械加工，可采用车削或磨削加工。超音速火焰喷涂设备技术参数：ZB-2700超音速火焰喷涂设备（HVOF) - 技术性能参数表：组件特点项目内容基本参数尺寸/重量能够实现喷涂过程的自动控制类型PLC控制ZB-2700化操作，而且对系统进行丙烷压力/流量0.60.7Mpa 6588L/min6060176cm可编程实时监测，动态的控制喷氧气压力/流量1.2Mpa 280307L/min控制柜枪的工作过程，能够对系空气压力/流量0.70.8Mpa 350440L

10、/min130kg统故障立即作出响应。氢气压力0.35Mpa(点火使用）送粉方式双筒刮盘式单筒容积2.5升采用氮气为送粉气，粉末送粉气氮气ZB-2700从送粉筒中落下，随着转送粉气压力1.3Mpa5028126cm送粉器盘的转动，到达粉末出口氮气压力/流量1.2Mpa 1418L/min110kg处，连同送粉气一起离开送粉速度0150g/min 送粉器进入喷枪中。送粉精度3%喷涂粉末大小5200 m火焰速度2100m/s火焰温度2700喷枪功率100KW(换算值）采用丙烷作为燃料，氧气粉末颗粒速度550650m/sZB-2700为助燃气体，空气和水为最大送分速度150g/min33235cm超

11、音速冷却气体，在整个点火过冷却方式水冷+气冷2.7kg火焰喷枪程中，加入氢气，使点火冷却水流量9.5L/min, 压力0.2Mpa 更易实现涂层气孔率1%涂层结合强度70Mpa喷涂粉末粒度1045 m制冷量37000W/h电源380v/3Hp/50HzZB-2700 可按需要调节水温，水压，水泵流量2000L/H17990190cm制 冷压缩机输入功率9000W热交换器具有自动水温调节功能。风机输入功率550W/台780kg额定运行电流26A温控范围835电缆、管路符合安全规范的标准化气管、水管、电缆超音速火焰喷涂涂层评析传统的火焰喷涂工艺以氧-乙炔火焰来熔化待喷涂的粉末，由于焰流速度慢，热量

12、不集中，粉末在空气中飞行时间长，因而形成的涂层粗糙多孔（孔隙率多为10%15%），氧化物和未熔颗粒多，涂层的硬度和结合强度（多为2030MPa）较低而且易产生裂纹和剥落。等离子喷涂工艺以等离子弧作为热源将粉末熔化，高速喷到零件表面形成涂层。由于等离子弧温度高（弧柱中心温度可达1500033000K），能量大，粉末粒子飞行速度快，而且采用氩气作为等离子气体、氢气作为辅助气体，又具有还原气氛，因而粉末的氧化程度低，所形成的涂层致密，孔隙率（3%8%）和氧化物含量都很低，结合强度（4050MPa）和硬度较高，但由于残余应力的存在，涂层不能过厚，否则会产生裂纹和剥落。此外，等离子喷涂还有一个明显的缺点

13、，就是使用和维护费用较为昂贵。20世纪80年代以来，随着超音速火焰（High Velocity Oxygen Flame,HVOF)喷涂工艺的研发，涂层的性能产生了质的飞跃。超音速喷枪的结构独特，在燃烧室的末端即咽喉部位采用了拉瓦尔曲线设计，使得燃烧室的压力增加，通过该处的焰流获得数倍于音速的速度；而且采用了径向内送粉的方式，使得粉末在1030cm的枪管内得到充分的加热和加速，虽然温度不是很高（2870），但由于能量集中，受热均匀，因此熔化得非常好；此外，由于粉末粒子的动能大，速度快，粒子在空气中的飞行时间极短，被氧化的机会极少，再加上喷枪系统本身的温度不高（2870），所以涂层中几乎没有氧化

14、物，空隙率也极低（小于2%），涂层致密，剪切强度和结合强度都非常高（可达到60MPa以上），而且涂层内的残余应力几乎都是压应力，这样就使得涂层可以具有很大的厚度而不至于产生裂纹和剥落，例如316不锈钢涂层的厚度可以达到1.2mm。尤其是WC-Co涂层，HVOF喷涂更具优越性。本课题以等离子喷涂、火焰喷涂、HVOF喷涂3种工艺分别喷涂了WC/12Co 、WC/17Co、NiCrBSi 3种涂层，并对涂层的各项性能进行了分析和研究。1 试验材料（粉末）热喷涂涂层的性能和微观结构与所使用的粉末有较大的关系，不同的粉末粒度、化学成分都会对涂层性能造成影响。WC-Co涂层是一种典型的抗磨损涂层，WC-C

15、o粉末有铸造/粉碎型、烧结/粉碎型、团聚/烧结型和钴包覆型4种形式。试验采用的粉末是美国TAFA公司生产的烧结/粉碎型粉末。NiCrBSi自粘涂层也是一种高质量的抗摩擦磨损涂层，试验采用的是TAFA公司生产的1276NiCrBSi粉末。用GSL-100激光粒度分析仪对粉末进行粒度分析，粒度分布非常好，范围集中，90%在510-31010-3mm之间且颗粒均匀，可以肯定，这3种粉末具有非常好的流动性。2 喷涂工艺2.1 吹砂首先对所有的试样进行吹砂，吹砂用的磨料为白刚玉砂，压缩空气压力为0.20.3MPa，吹砂距离为100120mm，吹砂后表面粗糙度为R a3.03.5m。2.2 喷涂设备及参数

16、采用METCO6P火焰喷涂设备、METCO-7M等离子喷涂设备和JP-5000超音速火焰(HVOF)喷涂设备进行喷涂。3 涂层性能试验3.1 结合强度和剪切强度试验采用胶接法进行结合强度试验，试样尺寸为6.5mm25.4mm，粘接剂为FM-1000胶，所有试样的涂层厚度均为0.250.30 mm；剪切强度试验设备为单摆刮削磨损试验机。3.2 残余应力试验由于在喷涂过程中具有不同机械性能的材料有着很高的温度梯度，因此在涂层中会产生残余应力，这种残余应力对涂层的性能有很大的影响，最明显的就是引起涂层裂纹和剥落，它直接限制着喷涂层的厚度。涂层的残余应力状况是评价涂层性能的一个极其重要的指标，本课题采

17、用修正的艾尔曼(Almen)法完成对涂层的残余应力测试。测试用的试片材料为65Mn，规格为120mm15mm1mm；采用BHP-700温度补偿应变片，规格为16mm7mm，电阻值为120，应变极限温度为700。为涂层厚度, c为涂层残余应力,正值表示拉应力，负值表示压应力。从表中可以看出，随着涂层厚度的增加，应力值也增加。对于NiCrBSi涂层来说，火焰喷涂和等离子喷涂产生的都是拉应力，而HVOF喷涂产生的是压应力。对于WC-12Co涂层来说，虽然3种喷涂方法产生的都是压应力，但HVOF喷涂产生的压应力值要远远高于另外两种喷涂方法。拉应力是造成涂层裂纹和剥落的主要原因，因此对于涂层来讲，残余应

18、力最好是压应力，而不是拉应力。通过以上分析可以看出，HVOF喷涂涂层的性能要优于另外两种涂层。3.3 涂层的X射线衍射分析对WC-12Co粉末和3种工艺所喷涂的涂层进行了X射线衍射分析。下文以WC-12Co涂层为例进行说明，可以看出在粉末中WC相为主要相，其余的是杂质相。涂层中起主要作用的是WC相，在3种工艺所喷涂的涂层中，HVOF喷涂涂层的WC含量最多，而且占大多数，等离子喷涂的次之，火焰喷涂的几乎没有WC相。WC-12Co涂层的失效可以从下列反应式中看出。2WCW2C+C，W2C+OW2(C,O)，W2(C,O)2W+CO，4Co+4WC+O22Co2W2C+2CO，3Co+3WC+O2C

19、o3W3C+2CO，12Co+12WC+5O22Co6W6C+10CO。通过上列反应式可以看出WC-12Co涂层的失效原因，对照X射线衍射图，可以说明HVOF喷涂涂层的失效程度最低，等离子喷涂涂层次之，火焰喷涂涂层失效程度最严重。4 结论根据3种粉末的不同喷涂工艺试验以及对所得涂层进行的各项性能试验，可以得出以下结论：(1)HVOF喷涂工艺与等离子、火焰喷涂工艺一样操作简单，易于控制，可重复性强；但HVOF喷涂的效率要远高于等离子喷涂和火焰喷涂。(2)在涂层的抗拉结合强度和抗剪切强度方面，HVOF喷涂的最高，等离子喷涂次之，火焰喷涂最差。(3)HVOF喷涂后的残余应力为压应力，这也是HVOF喷

20、涂结合强度高的重要原因之一。(4)HVOF喷涂涂层中主要成分的失效最少，与粉末相比几乎没有多大变化，而等离子喷涂和火焰喷涂涂层成分失效较多，因此HVOF喷涂涂层的各项性能优于等离子喷涂层和火焰喷涂层。HVOF喷涂最能反映粉末的原始设计性能。 上海新业喷涂机械有限公司上海君山表面技术工程股份有限公司上海锦联机械设备修造有限公司上海精信热喷涂密封工程有限公司1、 超音速火焰喷涂原理用作热喷涂热源的超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气等燃气与高压氧气，或利用如煤油与酒精等液体燃料与高压氧气在特制的燃烧室内，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速燃烧焰流，其燃烧焰流速度可达 1500m s2000

21、m s （五马赫）以上。目前，习惯上通常被称作 HVOF(High Velocity Oxy-Fuel 的头文字 ) ，即高速氧燃料火焰喷涂。当火焰达到超音速火焰时，火焰中可以观察到马赫锥的存在。将粉末轴向或测向送进火焰流中，即可以实现粉末粒子的加热与加速、涂层的沉积。由于火焰流的速度极高，喷涂粒子在被加热至熔化或半熔化状态同时，可以被加速到高达 300650m s 的速度，从而获得结合强度高、致密的高质量涂层。超音速火焰由于受燃烧焰流温度的限制，与等离子热源相比，速度高而温度低（约为 3000 ）、对于 WC-CO 系硬质合金，可以有效地抑制 WC 在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高、致

22、密，而且可以最大限度地保留粉末中的硬质耐磨 WC 相，因此，涂层耐磨损性能优越，与爆炸喷涂层相当，大幅度超过等离子喷涂层，也优于电镀硬铬层与喷焊层，目前已获得了广泛的发展。2、 HVOF 系统的发展状态喷涂方法与设备的发展对于涂层的制备具有重要的影响。超音速火焰喷涂是在八十年代初期，由美国 Browning 公司研制成功，并首先以 JET-KOTE 为商品推出 1 。经过多年的应用开发，其优点逐渐被认识和接受。由此，世界上发达国家，投入了大量的财力对 HVOF 进行研究和开发。于八十年代末九十年代初，先后又有数种 HVOF 喷涂系统研制成功，并投入市场。如金刚石射流（ Diamond-Jet

23、） 2 ，冲锋枪（ Top-Gun ） 3 ，连续爆炸喷涂（ CDS, Continuous Detonation Spraying ） 4 ，射流枪（ J-Gun ） 5 ，高速空气燃料系统（ HVAF, High Velocity Air-Fuel ） 6 等。这些系统各有特点，如表 1 所示。涂层的质量在很大程度上取决于喷涂方法，但也将受到喷涂系统特点的影响。随着 HVOF 的开发与应用，各种喷涂系统也均相应地进行了不断改进与完善，为此，取代原型的新型 HVOF 喷涂系统不断涌现，如 J-K 的改进型 Jet-Kote ,Top-Gun 的派生型 HV-2000 型，分别由 DJ 与 J

24、-Gun 派生的 DJ-2600 ， DJ-2700 与 JP-5000 型 7 。最近又发表了高频脉冲 HVOF 系统，通过控制可以使爆炸频率远高于传统的爆炸喷涂。基于系统发展过程及其速度特性， Jet-Kote 被称为第一代 HVOF ， JP-5000 型与 DJ-2000 系列被称为第三代 HVOF 系统。其它 HVOF 系统成为第二代 HVOF 。第一代与第二代 HVOF 具有类似的火焰速度特性，因此，涂层的沉积特性及其性能无大幅度的变化。第三代 HVOF 具有更高的速度，喷涂过程中粒子的熔化程度更有限，在喷涂过程中除了可以有效抑制 WC 的分解外，粒子在沉积过程中，将会产生明显的喷

25、丸效应，使涂层产生压缩残余应力，可以有效地提高涂层的表观结合强度 8 。基于 HVOF 在制备金属陶瓷涂层时的特点，近年来又提出了主要依靠粒子的高速度制备涂层的新的方法，如 HVIF （ High Velocity Impact Fusion ）喷涂法 9 ，冷喷涂法（ Cold Spraying ） 10 ，特别是冷喷工艺，由于可以制备氧化非常有限的金属涂层，受到了广泛的关注，目前发展很快。在国内， HVOF 喷涂技术的发展也很受关注，喷涂系统主要依赖于进口，西安交通大学焊接研究所于 1995 年初研制成功了 CH-2000 （ CH ：为 Continuous Hypersonic ，或超

26、音速的拼音的头文字） HVOF 系统 11 ，迄今使用该系统已经开展了大量的研究工作并成功的用于高性能耐磨涂层制备的应用 12-21 。表 1 典型 HVOF 系统的特点系统简称 燃料种类 主要特点 相关初始型Jet-Kote 气体 燃烧室与喷嘴垂直 Jet-KoteDJ 2600 DJ 2700 气体 采用拉伐尔喷管。原 DJ 系列仅采用特殊收 DJ缩型喷嘴，用压缩空气冷却枪体 DJCDS 气体 燃烧室与喷嘴同轴线 HV-2000 气体 可以使用低压气体，如乙炔 Top-GunJP-5000 液体 采用拉伐尔喷管，粉末侧向对称送入，喷嘴口径大，耗氧量大 J-GunHVAF 液体 用压缩空气代

27、替氧气，并用其冷却枪体 CH-2000 气体 燃烧室与喷嘴同轴线，气体压力流量均可调cshezhi2006-09-16 14:294、 HVOF WC-Co涂层的耐磨损性能4.1喷涂工艺条件对HVOF WC-Co涂层耐磨损性能的影响HVOF工艺条件直接影响粒子的加热与加速特性，决定粒子的温度、速度以及在火焰流中的停留时间，从而影响涂层的组织结构，特别是涂层中WC颗粒的含量与大小、涂层的致密度。因此，在HVOF喷涂系统不断发展的同时，进行了大量的关于涂层结构与性能变化规律的工艺研究。文献24对HVOF WC-Co系涂层的结构变化规律进行了详细的评述。涂层中的WC颗粒的大小及含量对涂层的耐磨损性能

28、影响显著。图1为CH-2000系统在两种不同条件下制备的涂层的磨粒磨损试验结果17，表明喷涂条件对涂层耐磨性具有较大的影响。喷涂粉末为自贡硬质合金厂生产，磨损试验采用SUGA（日本）试验机进行，试验条件与后述的表3、图2及图5相同。图 1喷涂条件对WC-17Co涂层磨损量的影响4.2粉末种类对涂层耐磨性能的影响表 2为四种典型WC-Co粉末采用Jet-Kote喷枪制备的涂层的磨损试验结果25。粉末的结构对涂层的结构影响显著，1-型粉末喷涂后，WC分解严重，涂层中存在着大量的金属W26，4-型粉末在沉积涂层时，由于包覆层熔化而芯部WC仍为固态，发生熔融相的优先沉积与芯部WC颗粒反弹的现象27，涂

29、层主要由Co-W-C合金构成，基于沉积过程的快速冷却特征，该合金以非晶结构存在于喷态涂层中28。与3-型聚合粉末相比，由金属Co将细小WC致密地粘结在一起的2-型粉末，WC在喷涂过程中更有限29。为此，涂层的耐磨粒磨损性能最优。另一方面，对于WC非常容易分解的1-型粉末，通过采用加热强度低的火焰等合适的工艺条件可将WC的分解程度限制在W 2 C的范围内，可以大幅度提高涂层的耐磨损性能29。HVOF WC-Co涂层磨损特征的理论与实验表明，涂层的耐磨粒磨损性能与WC颗粒相对大小的平方根呈反比，与其含量呈正比25。因此，需要选择WC颗粒细小的粉末。表 3典型粉末制备的HVOF涂层结构特点及其磨损量比较粉末类型 1- 型 2 - 型 3- 型 4- 型制造方法 烧结 - 粉碎 烧结 - 粉碎 聚合制粉 包覆型公称成分 WC-12Co WC-12Co WC-17Co WC-18Co粉末结构特点 粉末致密， WC 颗粒细小分布均匀， 分布均匀，粘结 在粗大的 WC均匀，粘结相 为 Co 3 W 3 C 复合碳化物 粉末致密，WC颗粒细小分布均匀，粘结相为 Co 粉末疏松，WC颗粒细小分布均匀，粘结相为 Co Co均匀包覆在粗大的WC表面涂层结构特点 涂层致密,大部分WC分解为W 涂层致密,WC 分解非常有限 涂层致密,WC 分解有限 致密的CO-W -C 非晶合金 为主成分，存在有限的WC