第一章 绪论
1.1 引言
热喷涂技术是现代工业关键技术—表面工程领域的重要组成部分，可以使零件表面具有耐磨损、抗腐蚀、耐高温、抗氧化、导电、绝缘、自润滑等功能，从而达到提高产品质量及可靠性，延长使用寿命的目的，在装备再制造方面也发挥了越来越重要的作用。但是，根据热喷涂技术的原理我们知道，热喷涂就是利用某种热源，将要喷涂的材料加热至熔融或半熔融状态，并以一定的速度喷射到经过预处理后的工件表面，而形成具有一定功能的涂层的表面处理技术，所以，其形成的涂层仅是以机械结合为主，使其涂层与基体的结合强度不高， 因而限制了热喷涂技术的应用范围。最近20年发展起来的超音速喷涂技术，就是想通过提高喷涂材料的飞行速度来提高粉末对基体的撞击动能，从而达到提高涂层结合强度的目的。所以自从超音速喷涂技术问世以来，就成为了热喷涂工业领域的热门话题?。由于其优良的性能、技术的不断改进和完善， 以及喷涂材料的优化，超音速火焰喷涂技术得到了越来越广泛的推广和应用。
1.2超音速喷涂技术原理
现有设备中，热源有火焰、等离子、电弧等几种，工作气体(或工作液体)也有所不同，但均采用Laval喷嘴或等截面喷嘴两种方式获得超音速[1]。如超音速火焰喷涂是利用可燃气(如氢气、丙烷或丙烯)或液体燃料(如航空煤油)等与氧气混合，在燃烧室点燃，剧烈膨胀的气体受喷嘴的约束形成超音速高温火焰流，粉末沿燃烧室轴心由惰性气体(如氮气)送入，受到加热与加速而喷出。超音速等离子喷涂是借助氩气和氮气通过Laval喷嘴产生扩展型等离子弧，再利用扩展弧来加热气体得到超音速等离子射流同时有效地加温加热喷涂粉末。超音速电弧喷涂则是利用丙烷等燃气与压缩空气燃烧产生焰流，并且燃气被调节成过量，使焰流具有一定的还原性。冷喷涂技术基于加压的预热气流、渐缩放的喷嘴和加压的粉末送料器，产生细的高度聚焦的喷涂气流；气体压力越高，粒子速度越大。
焰流是否达到超音速可通过观察火焰中是否存在马赫锥来判断。当焰流达到超音速时，焰流的速度可以达到2~5马赫。将粉末沿轴向或径向送进焰流中，即
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可实现喷涂。
在燃烧过程中产生的能量将用来加热和加速焰流及粉末。气流的速度与气体的成分、压力、流量、温度、密度以及喷枪喷嘴的通径等有关。Laval喷嘴是按流体动力学的原理设计的。喷嘴的流道是由细的喉管和逐渐加粗到某一尺寸的锥形管组成，在瑞利流和范诺流效应下，Laval喷嘴在喷嘴内部焰流达到阻塞状态，从而在出口处获得超音速射流，当亚音速气流进入Laval喷嘴的收缩段后，由于过流断面积逐渐减小，气流膨胀加速到喷嘴喉部，压力值下降到临界压强值：
P = Po[
2k] k?1k?1对于空气，k=14，则P=0.528P。，此时焰速达到音速，气体流量达最大值，此气流在其后的扩张管内的流动将会是继续减压增速，因而在喷嘴出口处可获得超音速焰流。其速度由可压缩流体力学公式计算：
2kRTo[1?(V =
Pk?1)]Pok
R?1当P0达到一定值后，按喷嘴人口和出口的压力，存在一个能够获得超音速焰流的合理的喷嘴形状，燃气通过喷嘴后就可获得超音速流。而且，随着Po的增大，喷嘴出口处气流的速度增高[2]。但对于等截面喷嘴的喷枪，是在喷嘴出口处达到阻塞状态，在喷嘴可以得到的最大焰流速度为当地音速[3]。当地气体理想的超音速C定义为： C＝KRT (1)
其中：K为气体的比热比，R为气体常数，T为当地温度。当地马赫数M定义为当地气流速度V与当地音速C之比：M＝V/C (2)
马赫数M=1的状态为临界状态，此时，流动状态被称为阻塞，对于等截面喷管，喷枪出口处焰流速度达到最大，等于当地音速。因为，对于流过等截面喷管的焰流，对焰流的加热(瑞利流：Reyleigh flow)和摩擦(范诺流：Fanno flow)都将增加焰流的速度和马赫数。当焰流达到阻塞状态时，在自由射流中将产生膨胀波和压缩波，这两种波相交将在射流中产生明亮的马赫锥。锥角的一半称为马赫角，马赫角的正弦与马赫数成正比。根据马赫角的大小就可以确定马赫数，再由(1)式和(2)式即可得出焰流的速度。
1.3 超音速火焰喷涂涂层性能及特点
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1.3.1 超音速火焰喷涂涂层性能
张云乾等[4]采用HVOF喷涂法分别制备了纳米和微米结构WC-12Co涂层。 研究了涂层的结合强度，测试了两种涂层的显微硬度及耐冲蚀磨损性能，并利 用扫描电镜对喷涂粉末、涂层显微组织、冲蚀表面形貌进行了分析。研究结果 表明：两种涂层中纳米涂层显微硬度是普通涂层的1.5倍，最高达到1610 HV， 纳米涂层中WC颗粒的分布更均匀，冲蚀率是微米级涂层的1/2左右，性能更优越。肖明颖等[5]采用超音速火焰喷涂技术分别制备了WC-Co和Ni60两种涂层，对涂层的组织、显微硬度和耐泥浆冲蚀性进行了研究。结果表明，涂层气孔夹杂越少、致密性越高、涂层中硬质颗粒越细小，分布越均匀，则涂层的显微硬度越高，抗泥浆冲蚀能力越高。在泥浆的冲蚀下，钻头体的失效是由于微切削和冲击疲劳的共同作用造成的，涂层的失效则是由于涂层中的软质相在微切削和冲击疲劳的共同作用下首先被破坏，使硬质相裸露，进而导致硬质相脱落。在本试验的试验条件下，WC-Co涂层的耐泥浆冲蚀性能优于Ni60涂层，使PDC钻头钻头体的耐泥浆冲蚀性提高了5倍以上。王海军等[6]用超音速等离子喷涂(HEPJet)和两种进口高速氧燃气火焰喷涂(HVOF)设备(Jr-5000和DJ-2700)制备WC-Co涂层，进行了孔隙率、显微硬度、结合强度及30和90。攻角的冲蚀磨损对比实验，分析了涂层的SEM磨损形貌。结果表明，超音速等离子喷涂WC-Co涂层综合性能与JP-5000喷涂WC-Co涂层相当，优于DJ-2700；在30冲蚀磨损条件下，WC-Co涂层的失效行为表现为疲劳剥落和微切削西种特征；在90冲蚀磨损时，涂层的失效主要是垂直表面的磨粒冲击力导致涂层疲劳剥落。王志平等[7]采用HVOF技术喷涂了WC涂层，并对涂层的抗热疲劳行为进行了研究。试验结果表明，HVOF涂层经过15次整体热震试验后，涂层均保持完好无损，未出现裂纹及剥落等任何缺陷：而等离子喷涂的WC涂层经过3次热震试验后就基本开裂和脱落。这充分说明了HVOF涂层具有非常高的抗热疲劳性能。王群等[8]采用超音速火焰(HVOF)喷涂工艺制备了亚微米结构WC-12Co涂层，测试了这种亚微米涂层的结合强度、显微硬度及抗磨粒磨损性能，并利用XRD对喷涂粉末及涂层进行相结构分析，用扫描电子显微镜对喷涂粉末、磨粒磨损前后的涂层表面形貌进行观察。研究结果表明：喷涂过程中，亚微米结构WC粒子没有明显的脱碳分解发生，涂层组织结构致密，其
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显微硬度平均值高达HVo.21105；在相同的试验条件下，16Mn钢的磨粒磨损量是亚微米WC-12Co涂层的7.8倍，这表明亚微米结构WC-12Co涂层具有优异的抗磨粒磨损性能。
1.3.2 超音速火焰喷涂特点
超音速火焰喷涂的主要优点有：
(1)粉末粒子的飞行速度高，冲击能量大，可以形成致密的、结合强度高而无分层现象的高质量涂层；
(2)火焰温度不高，粉末粒子在火焰中停留和加热的时间短，因此，其材料的相变、氧化和分解受到抑制，特别适合喷涂在高温下极易分解和退化的碳化钨等金属陶瓷材料；
(3)喷涂距离可在较大范围内变化而不影响涂层质量。 超音速火焰喷涂的缺点有：
(1)喷涂消耗的燃料和助燃气量大，设备价格昂贵，运行成本很高； (2)喷涂噪声大，需要在隔音室中操作： (3)火焰温度不高，不适于喷涂高熔点的材料：
(4)喷涂所使用的粉末粒度要求较高，一般只能喷涂细且粒度范围窄的粉末。
1.4 超音速喷涂的工艺控制
1.4.1 超音速火焰喷涂（HVOF）工艺控制
超音速喷涂主要是依靠大幅度提高喷涂颗粒的速度来获得高质量的涂层即：高的燃烧室压力一高的燃流速度一高的颗粒飞行速度一高的涂层质量。涂层性能与气流的速度和温度有关，但目前研究结论趋向于认为：粒子的速度或动能对涂层质量的贡献更大。由动量定理可知，粒子速度越高，动量越大，沉积时的冲量越大；粒子速度越高，粒子对基体的撞击作用越强，粒子变形越充分，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。因此，新一代超音速喷涂系统的设计都是将温度定位在某一区间内，将速度的提高作为结构优化的主要目标。按照喷涂过程中粒子的加热形式可以分为热喷涂、温喷涂和冷喷涂三个区间。在HVOF喷涂中可控工艺参数有：喷嘴长度，喷涂距离，氧气流量及压力，燃料流量及压力，送粉气体流量及压力，压缩空气压力，冷却
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水流量，喷枪移动距离。大多数喷枪采用圆筒型燃烧室，压力为0.4~0.5MPa，主要由喷枪结构和燃料与空气流量比决定。燃烧火焰温度2700~3000oC，焰流速度可达l500m/s以上，粒子速度400~800m/s。HVOF在喷涂金属陶瓷材料过程中能有效地抑制碳化物等硬质相的分解，涂层质量优越，结合强度可高达70MPa以上，孔隙率低，约为1%左右。
1.4.2 超音速空气喷涂（HVAF）工艺控制
HVAF技术的特点就是将喷涂粉末加热到它们的熔点以下同时加速700m/s以上，在热退化影响最低的前提下，形成致密、几乎不含氧化物的高质量涂层。其工艺特点是通过在高热气体中加入适量水，使粒子温度控制在800~1500oC,从而使粒子温度填补了从HVOF工艺到冷喷工艺中问的空白温度区，因此也可以称为温喷涂。其水流量可调，使粒子尽量不熔化，但比在冷喷条件下的延展性好[9]。超音速等离子喷涂中通过气体的旋流稳定作用与收缩作用得到稳定集聚的高热焓、超高速等离子体焰流，其弧压高达200~400V，电流400~500A，喷嘴喷射出的等离子射流温度达到2500oC以上，焰流速度超过3600m/s，喷涂颗粒速度可达500m/s以上。而且工艺参数可通过喷涂功率、工作电压、工作电流、氩气(Ar)、 氮气(N2)的压力和流量、喷涂距离等加以控制。
1.4.3 超音速等离子弧喷涂工艺控制
超音速等离子弧喷涂功率高，气流量大，速度极高，具有极高的喷涂效率，而且等离子弧不发散，热焓高，使涂层质量明显优于一般等离子喷涂，与爆炸喷涂和超音速火焰喷涂相近，而且非常适用于高熔点陶瓷材料的喷涂[10]。超音速电弧喷涂与火焰喷涂相比，其特点是：热效率高，生产效率高，喷涂成本低，操作简单，易于现场操作。超音速电弧喷涂需要控制的工艺参数有：喷涂电压，喷涂电流，空气压力，燃气压力。相对传统电弧喷涂，由于超音速气流的雾化、加速作用，粒子细小、均匀而且速度高，从而提高了涂层的结合强度和内聚强度，并降低了涂层孔隙率；同时粒子在空中停留时间短，涂层氧化物含量低[11]。冷喷涂时，粒子始终保持固体状态并通过纯塑性变形聚合形成涂层。因此，粒子是形成涂层还是对基体产生喷丸或冲蚀作用，取决于粒子撞击前的速度。一般情况下，粒子喷涂速度以500m/s为界限，只有大于500m/s才能形成喷涂层。因此，实现喷涂粒子的高速是冷喷涂技术的关键。在喷管的几何形状确定后，影响喷涂粒子飞
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