行速度的主要因素有：工作气体种类、工作气体压力和预热温度及粒子的大小与密度等[12]。
1.5 超音速火焰喷涂技术的发展和最新应用 1.5.1 超音速火焰喷涂技术的发展历史
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LindeDivision Union Car-bide所拥有的爆炸喷涂，即D-Gun[13]。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。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 Car-bide开发了一种轴向送粉水冷却喉部燃烧的喷涂枪。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，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，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[14]。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。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，空气对焰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。Metco公司开发出Diamond Jet(D-J)技术、Miler
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Thermal Inc研制出Top Gun高速火焰喷枪，使燃气消耗仅为HVOF的一半，TAFA公司研制的JP~5000高速火焰喷枪，采用价格低廉的煤油作燃料，可进一步降低成本。特别是Amoco Oil Company研制出一种屏蔽装置，能在HVOF(High Velocity Oxy-fuel Spraying，HVOF)高速射流的周围产生一个高压螺旋状流动的惰性气流，保护喷射粒子不被氧化，并使用氢气作燃料气。用这种改进的HVOF技术喷涂的哈氏合金和不锈钢涂层，无气孔，组织均匀，其耐蚀性与这些材料锻件的耐蚀性相当，甚至更好。这就为石化工业解决高温、高压、强腐蚀介质条件下大面积喷涂优质耐蚀涂层找到了有效途径，并已成功地应用于一些大型部件上。
1.5.2 超音速火焰喷涂技术的最新研究进展
( 1 ) 研制新型的多峰粉末
Ganesh Skandan等人将纳米WC-12Co与微米WC-12Co混合后采用团聚烧结法制备成多峰WC-Co粉末，用HVOF喷涂方法制备了涂层，发现涂层与基体结合紧密，具有适中的硬度和极好的抗磨粒磨损性能。他们认为，这是由于纳米粒子在喷涂过程中熔化，填充了非纳米粒子之间的孔隙并很好地起到粘结相的作用。Yun fei Qiao等人用HVOF方法喷涂了纳米晶粉末、近纳米结构粉末及多峰粉末涂层，实验结果表明：涂层的硬度和韧性主要取决于WC颗粒之间及颗粒与粘结相之问的结合强度，升高温度可以提高WC颗粒之间的结合强度，但同时也会增加WC脱碳的倾向，由于纳米结构粉末具有较大的比表面积，脱碳现象更为明显。但是，在喷涂纳米粉末时如果合理设置喷涂工艺参数，基本上可以避免多峰粉末中纳米WC的分解。这样采用多峰粉末制备的涂层既具有较好的韧性又具有很高的硬度，其相应的抗磨粒磨损性能也要优于其它粉末制备的涂层。 ( 2 ) 发展冷喷涂技术
2000年5月在加拿大蒙特利尔召开的国际热喷涂大会上，来自俄罗斯、美国、德国和日本的一些论文首次提出冷喷涂的概念，引起了与会代表的广泛关注，并与高速火焰喷涂技术一起成为了会议的两个热点技术。冷喷涂是根据空气动力学原理开发的先进喷涂技术，其喷涂工艺过程是高压气体经过一定预热，通过缩放喷管产生超音速气体射流，将喷涂粒子从轴向送入气体射流中加速，粒子以固态的形式撞击基体形成涂层。冷喷涂技术可获得低氧化物含量、低内应力、高硬度、大厚度的涂层，可望解决喷涂纳米粉末材料的脱碳问题，可以
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预见，冷喷涂纳米材料将成为喷涂技术领域的研究前沿。Hyung．Jun Kim等人利用冷喷涂技术制备了纳米结构WC/Co涂层和微米结构WC/Co涂层，试验分析表明：在涂层中并没有发现明显的相变和脱碳现象，在纳米结构涂层中保持了较多的纳米尺寸的WC。在同样的气流速度下，纳米尺寸颗粒能获得更大的粒子速度，所以纳米结构涂层的性能明显优于微米结构涂层，其孔隙率极低，硬度高达HV2050。 ( 3 ) 纳米复合表面工程技术
在过去的20多年里，由于热喷涂技术的迅速发展，热喷涂涂层的应用越来越多，相关科学技术的发展为热喷涂表面工程注入了活力、提供了支撑。综合运用2种或多种表面工程技术的复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展；如热喷涂与激光重熔的复合、热喷涂与电刷镀的复合、热喷涂与电镀或化学镀的复合、热喷涂与喷丸强化的复合、热喷涂与有机涂装的复合等。复合表面工程技术将在21世纪中不断得到发展，今后将根据机械产品的需要进一步综合研究运用各种表面工程技术以达到最佳的优化效果。
1.5.3 超音速火焰喷涂技术的最新应用
超音速火焰喷涂与传统的火焰喷涂相比，其突出的特点是：①火焰速度高，可达1500m/s以上，可将喷涂粒子加速到高达300~500m/s喷涂低很多，约2760oC
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；②温度比等离子
，可有效防止喷涂过程中粒子的氧化，特别适合喷涂
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加热后易于分解的金属陶瓷涂层；③涂层的结合强度高(>70MPa)，致密性好，
耐磨性能优越。HVOF工艺制备的WC-Co涂层除具有上述特点以外，硬度也很高，具有极优的耐磨损性能，在机械、冶金等行业中有着广泛的应用前景，如高速轴类零件、泵类密封件、柱塞件、轧辊等工件表面都需要高耐磨性的材料，同时，一些零部件的修复也可采用该工艺代替传统的电镀Cr工艺.特别是在高科技领域，超音速喷涂的高质量涂层能够满足航天、航空和原子能等尖端领域对材料的苛刻要求。美国已经采用超音速火焰喷涂逐步取代常规的等离子喷涂修复飞机涡流发动机部件，这样既降低了成本，又改善了涂层的质量。 ( 1 ) 超音速喷涂技术在喷涂纳米结构涂层上的应用
由于超音速火焰空气喷涂(HVAF)具有喷涂温度较低但粒子飞行速度极高的
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特点，使喷涂粒子的氧化、烧结、再结晶及长大等倾向降至最低， 因而特别适合对温度敏感的纳米涂层的研究， 已经成为制备纳米结构涂层的理想方法之一。通过系统地对比研究表明，HVOF喷涂纳米Cr3C2-5(Ni20Cr) 涂层的硬度大于l000Hv,HVOF纳米3l6不锈钢涂层的微硬度比普通3l6不锈钢粉末的HVOF涂层有著提高,HVOF纳米Inconel718镍基高温合金涂层呈现出更优良的热稳定性。 ( 2 ) 超音速喷涂技术在航空航天工业中的应用
由于HVOF喷涂火焰温度并不高，且对粉末的加热时间很短，可以防止粉末的过分氧化、烧损、蒸发和分解，制备的涂层具有很好的耐磨和抗氧化性能，所以备受航空航天界的青睐，并很快得到了应用，如飞机发动机的涡轮静叶、发动机的气体密封用可磨耗密封件等。
( 3 ) 超音速喷涂技术在其他工业领域中的应用
近年来，超音速喷涂技术还广泛地应用于其他工业领域。在电厂的燃煤锅炉、垃圾焚烧锅炉和硫化床锅炉的水冷壁上的抗冲蚀腐蚀涂层，燃煤风机上的耐磨损涂层，汽轮机关键部件上的耐冲蚀和抗高温腐蚀涂层。在钢铁工业中的各种工艺辊上的耐磨涂层，镀锌线上的沉没辊的耐磨和抗腐蚀涂层，连续退火炉辊上的耐高温磨损涂层，高炉吹氧口及烟罩上的抗冲蚀磨损涂层。在造纸工业设备中的烘缸和各种辊子上的耐磨涂层，蒸汽锅炉和废液回收锅炉中的防腐涂层。超音速喷涂技术也是目前解决水轮机耐泥沙磨蚀问题的主要方法之一。
1.6 关于HVOF喷涂涂层结构涂层研究 1.6.1 关于喷涂过程的粒子束行为
有研究认为喷涂粒子在平面基体上的飞溅行为，随着基体温度的升高，喷涂粒子在基体上的附着模式由非定向溅射型向收缩溅射型转化。飞溅的原因在于粒子固化的速度，同时又与二次能量转化的条件密切相关。还有一些研究认为影响涂层结合强度的根本原因是粒子束在碰撞基体前的塑性化程度，而塑性化程度又主要取决于焰流的焓值和喷距，超音速射流将大幅度减小焰流的焓值，从而影响粉末的熔化。可通过减小喷嘴直径与调整喷距的方法加以改善。有些学者对此观点持有异议。他们认为：如果仅强调粒子在焰流中的高焓状态，势必使粒子在高温气流中滞留时问过长，极易引起过热氧化，从而影响涂层质量。实验表明，温度与速度相比较，粒子的动能对涂层质量的贡献更大一些。甚至
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有些学者认为传统意义上所认为的热能的贡献率应该重新评价。支持这种观点的是近年所做的超高音速冲击喷涂(HVIF)的实验结论。因为HVIF不需将粉末加热而在冷态下以极高的速度(v>2000 m/s)撞击基体表面，涂层的结合强度较为理想。另一个重要依据是通过观察粒子束在与基体撞击的瞬间(约为10-6s)冷凝过程中所发生的表面形态与物理变化得出的结论。粒子在喷涂过程中呈熔融态的负面效果是液滴极易飞溅使沉积效率降低，且易氧化。故以半塑性状态为理想状态在以尽可能高的速度冲击基体表面，在与表面接触瞬间动能转化为热能，是粒子与基体接触界面呈现二次塑性化倾向，从而使结合强度提高。从涂层的金相照片中可看出大量的粒子外端形状未发生大的变化，但涂层的硬度和致密性又远高于普通涂层。早期HVOF系统过于强调热量对于涂层质量的贡献，在结构设计上极力主张将粉末加热到所能达到的最高温度，现在看来此观点有失偏颇，实验证明除了前述原因之外，还有一个问题就是高温状态下制备的涂层与基体的结合界面的残余应力为拉伸应力，从而容易造成横向裂纹扩展使结合强度降低。而新一代HVOF/HVAF/HVIF系统设计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函数。经X射线衍射测试证明所制备的涂层不仅结合强度高，而且表层残余应力为压缩应力。
1.6.2 关于纳米结构涂层的形成过程与机理
热喷涂普通的WC/Co粉末时，仅仅是颗粒表面产生熔融，喷涂到基体表面的颗粒较大，变形不均匀，颗粒与颗粒之间以及颗粒与基体之间结合不够紧密，存在着较大和较多的孔隙。而纳米颗粒由于其比表面积大、活性高而极易被加热熔融，在热喷涂过程中纳米颗粒将均匀地熔融，由于熔融程度较好，纳米颗粒在碰到基材后变形剧烈，平铺性明显优于微米级颗粒，热喷涂纳米结构涂层熔滴接触面更大，涂层孔隙率更低，表现在性能上就是纳米结构涂层的结合强度大、硬度高、断裂强度好、耐腐蚀性好。目前，用HVOF喷涂的纳米结构涂层性能比喷涂普通涂层性能优越的原因正进一步的研究中。国外有些学者认为，这是由于热喷涂纳米结构涂层时会产生独特的双峰结构涂层，从而使纳米结构涂层性能优于普通涂层。加拿大国家科学研究委员会的R S Lima等人通过将HVOF喷涂纳米结构WC/Co涂层和普通WC/Co涂层进行对比分析，发现纳米结构粉末在热喷涂过程中呈现出一种双峰式的显微结构，部分区域的纳米颗粒
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