超音速火焰喷涂技术的研究与应用

安浩

摘 要：超音速火焰喷涂是20世纪80年代出现的一种高能喷涂方法，它的开发是继等离子喷涂之后热喷涂工业最具创造性的进展。虽然超音速火焰喷涂方法可喷涂的材料很多，但因其火焰含氧量少，温度适中，焰流速度很高，可以有效地防止粉末涂层材料的氧化和分解，所以被广泛地应用于碳化物类涂层的喷涂。本文采用超音速火焰喷涂制备T800涂层，利用金相显微镜对涂层组织结构进行研究，并通过显微硬度测试、表面硬度测试、拉伸试验等测试方法确定涂层的最佳喷涂参数

关键词：T800;涂层;超音速火焰喷涂技术

前言

超音速火焰喷涂（HighVelocityOxygenFuel，HVOF）的出现使得制备高质量非晶涂层成为了可能。HVOF具有火焰速度快、火焰温度低、喷涂粒子冷却速度快等特点。一般非晶形成的条件是最大临界冷却速度达到106K/s以上，而HVOF热喷涂可以获得临界冷却速度107K/s左右，使得多数合金成分都可在临界速度以上喷涂而形成非晶态组织。通过HVOF喷涂制备的涂层往往比较致密、氧化物含量低、同时具有比等离子喷涂等喷涂方式更高的结合强度。此外，超音速喷涂与等离子喷涂相比能够在较低温度条件下进行减少WC的分解。当然，超音速火焰喷涂也有其局限性，相对于WC-Co烧结技术，超音速火焰喷涂层仍然会受到WC脱碳和分解的影响，导致形成W2C、W和W-Co-C相。需要指出的是，超音速涂层显微组织、性质和孔隙率主要取决于涂层形成前的气体喷射和飞行粒子的传热和传质。燃料的性质和化学计量比以及相关的燃烧气体是决定涂层微观结构和性能的关键条件。

1 超音速火焰喷涂的原理及特点

图1为超音速火焰喷涂原理。燃料气体（氢气，丙烷，丙烯或乙炔-甲烷-丙烷混合气体等）与助燃剂（O2）以一定的比例导入燃烧室内混合，通过爆炸式燃烧产生的高温气体高速通过膨胀管获得超音速;同时通入送粉气（Ar或N2），并定量地沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，最终一同射出并喷涂于工件上形成涂层。

1-粉末及送粉气;2，3-冷却水;4-氧气;5-燃料气图1超音速火焰喷涂原理在喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，即约为1520m/s，最高可达2400m/s（具体与燃烧气体种类、混合比例、流量、粉末质量和粉末流量等有关），粉末撞击到工件表面的速度估计为550m/s～760m/s。之所以能有这么高的速度，关键在于按流体力学的原理合理设计制造了一个喷嘴，称之为Laval管的膨胀管。目前利用超音速火焰喷涂技术制备T800钴基合金涂层的相关研究较多，应用T800钴基高温耐磨合金进行表面强化的工艺主要包括堆焊工艺、激光熔覆技术以及等离子喷涂技术。与等离子喷涂制备的T800涂层相比，超音速火焰喷涂制备的T800涂层具有更致密（更低的孔隙率）、更高硬度、更好的结合强度等特点。

2 超音速喷涂实验

2.1 喷涂设备

喷涂设备包括JKIII超音速火焰喷涂设备、GS943喷砂设备、ABB2600六轴机器人和AMS16000转台。

2.2 试样准备

试样基材为Inconel718，规格为Φ25.4mm×5.5mm。

2.3 喷涂粉末

喷涂粉末采用司太立Tribaloy-T800，粉末为球形，平均粒径为45μm。

2.4 喷涂流程

基体材料经60#白刚玉砂进行喷砂处理，涂层粗糙度控制在Ra2.5～Ra3.5。采用型号为JKIII型超音速火焰喷涂设备制备T800涂层。为比较不同喷涂参数对涂层性能与金相结构的影响，选取5组不同喷涂参数进行分析。需要说明的是，喷嘴直径与喷距在实验中采用的是统一标准，保持不变。

3 超音速火焰喷涂与等离子喷涂T800涂层对比

为了更好地对比超音速喷涂制备T800涂层与等离子喷涂T800涂层的性能差异，特采用等离子F4制备一组T800涂层。对等离子喷涂T800涂层试样进行拉伸试验得出拉伸强度为26.58MPa，进行硬度测试得出表面硬度HR15N为86.3。由试验数据可知，与超音速喷涂T800涂层的拉伸强度与表面硬度相比，等离子喷涂T800涂层的拉伸强度与表面硬度都略低。

4 工艺参数对超音速火焰喷涂的影响

超音速火焰喷涂是一个复杂的物理过程，其中所有工艺参数都会影响到涂层的显微组织和涂层成分。主要表现在以下几个方面：（1）显微硬度随着孔隙率的降低和粒子结合强度的增大而增大，而孔隙率和粒子结合强度主要是受到粒子飞行速度和熔融温度的影响。（2）显微硬度会受到涂层中W2C含量的影响较大，W2C相的硬度要高于WC相，WC分解量越大涂层硬度越高，但是容易导致涂层热硬性的降低;相反，涂层中WC和Co相含量越高，涂层硬度越低。（3）显微硬度与晶粒尺寸的关系，大体趋势就是涂层中碳化物的晶粒尺寸越小，涂层的显微硬度越高。在某些情况下，例如采用压头加压观察其痕迹，可以发现硬度与晶粒尺寸是负相关的。这是因为压痕与涂层的孔隙率和结合强度有关。（4）显微硬度还会与基体的预热温度有关，较高的基体温度能够改善涂层的结合强度以及使熔融的粒子平坦化。

5 结论

（1）本文利用超音速火焰喷涂工艺，通过改变不同喷涂参数制备T800涂层，对涂层分别进行显微硬度測试、表面硬度测试与拉伸测试，并对其进行金相组织观察发现，氧气与氢气流量比保持在2.95左右，喷涂角度保持在90°，送粉量保持在20g/min，喷涂温度保持在250℃～300℃下进行喷涂，得到的涂层的拉伸性能、表面硬度与显微硬度均为最佳。

（2）与等离子喷涂相比，超音速火焰喷涂T800涂层在拉伸强度与表面硬度性能上都有较大优势。

参考文献

[1]段绪海.热喷涂技术在航空发动机上的应用[J].航空工程与维修，1994（4）：9-11.

[2]朱朝刚，张建新，燕翙江，等.等离子喷涂T800钴基合金涂层的研究[J].河北工业大学学报，2017，46（1）：77-82.

[3]吴楠，侯春梅，张涛，等.T800热喷涂涂层的金相制样方法研究[G]//陕西省机械工程学会理化检验分会第九届年会论文集.商洛：《装备制造》编辑部，2014：85-88.