1．技術內容及技術關鍵

1）．高速燃氣噴涂設備

高速燃氣噴涂設備并不復雜，它由噴涂槍，送粉器，控制系統及供氣系統等組成。圖1是DeloroStellite公司的Jet KoteⅡ系統的示意圖。

圖1 高速燃氣噴涂設備
1-噴涂槍 2-冷卻水 3-控制箱 4-送粉器 5-氣體供給

圖2 Jet Kote高速燃氣熱噴涂噴涂槍
1-超音速火焰 2-冷卻水 3-噴嘴 4-燃燒室
5-由氣流輸送的粉末 6-冷卻水 7-氧氣 8-燃氣

高速燃氣噴涂槍像一個小型的火箭發動機，圖2顯示了Jet Kote噴涂槍的結構。它由封閉的燃燒室和噴嘴組成。燃氣與氧氣以0.5～3.5MPa的壓力和高達0.016m3/s的流量注入到燃燒室中，混合氣連續燃燒，燃燒產物劇烈膨脹，從一個長噴嘴噴出，形成超音速火焰。作為高溫超音速氣流的征兆，可以看到火焰中明暗相間的菱形激波。粉末的噴涂材料從燃燒室與噴嘴相接處注入到噴嘴，進入到焰流的中心，經加熱與加速，獲得很高的動能而從噴嘴噴出。噴涂粒子在燃燒產物中不會受到氧化。由于粒子處于焰流的中心，在離開噴嘴到達工件表面的過程中，受到的氧化也極其輕微，燃燒室中火焰的溫度通常不超過3000℃。從噴嘴噴出的焰流溫度會更低。其速度則與燃燒室壓力直接相關。初期的Jet Kote可以達到1770m/s 的火焰平均速度，它可以將直徑為5～45μm的WC-Co粒子噴涂粒子加速到315m/s的高飛行速度。這已經遠遠超過其他熱噴涂方法所能達到的速度。但這還只是高速燃氣噴涂的最初水平。到1984年初，經改進的Jet KoteⅡ的粒子速度又有大幅度的提高，計算的粒子速度要超過800m/s。噴涂的碳化鎢涂層硬度已經明顯高于D-Gun涂層的水平。

各家公司商品化的高速燃氣熱噴涂槍的具體結構在冷卻方式，粉末注入方式（徑向或軸向），燃料的成分與流量，燃燒室的形狀與工作壓力，粉末注入的部位以及噴嘴的形式與長度等方面各有差異，由于焰流的熱焓非常高，絕大多數的噴槍都使用水冷，以防止噴嘴的熔化或損壞。冷卻水的溫度直接影響到焰流的熱焓及粒子加熱的程度。從而成為重要的工藝參數之一，不同的噴槍在噴涂中粒子達到的溫度與速度是不同的，從而也獲得不同的涂層質量。

Jet Kote噴槍的燃燒室是噴槍的手柄，它與噴嘴成直角。這種設計是為了便于向噴嘴中注入粉末噴涂材料。氧與燃氣的燃燒產物由燃燒室通過4個孔道進入到噴嘴，噴涂粉末就在這個部位注入到焰流中。Top Gun，HV-2000以及CDS等噴槍在氣體燃燒的同時即將粉末注入，焰流與粉末的方向都是軸向的。Top Gun的燃氣噴射系統的設計獨特，使它能夠使用包括乙炔在內的多種燃氣。其他公司的噴涂槍均不能使用乙炔作為燃氣。而使用丙烷，丙烯或氫等。Metco的Diamond Jet沒有燃燒室和長噴嘴。它用一個環形的壓縮空氣噴嘴來約束燃氣流，也不必使用水冷措施，噴槍簡單輕便。Tafa公司的JP-5000與其他的噴槍差別較大。它使用煤油做燃料，燃燒室的壓力更高（達1.7MPa）。粉末從徑向燃燒室與噴嘴相接的喉管處注入。由于這個部位壓力較低，粉末與焰流的混合與加熱得到改善。更高的燃燒室壓力提供了更高的粒子速度，涂層質量進一步提高。

2）. 工藝特點

參考文獻報道的高速燃氣噴涂時的燃氣速度為1370～2930m/s。與之相應的噴涂粒子飛行速度為480～1020m/s。高速燃氣焰流的典型溫度取決于燃料種類及反應條件，在1650到2760℃之間。這差不多比等離子噴涂時的溫度低10000℃。由于很高的燃燒室壓力及較長的噴嘴長度，粒子在焰流中可以得到很好的加速與有效的熱交換。不過，噴涂粒子仍難以加熱到充分熔化的程度，更不會過熱。而速度極高，有很大的動量的粒子在撞擊基體表面時會發生足夠的變形，使涂層非常致密，結合可靠，氧化物細小分散。粒子的加熱時間取決于噴嘴的長度。依噴槍結構，噴涂材料的種類以及粒度分布的不同，噴嘴長度通常在75～305mm之間。粒子的加熱程度對工藝過程十分關鍵。過分的加熱會導致熔化的粒子黏附于噴嘴內壁，噴嘴內壁的堆積會嚴重影響噴涂的正常進行。防止這種堆積現象是高速燃氣噴涂的一個重要問題。 #p#分頁標題#e#

3）. 噴涂材料

高速燃氣熱噴涂技術始于碳化鎢涂層，但是它可以實現任何金屬、合金以及復合粉末的噴涂。噴涂材料的種類與應用不斷發展。為了得到最佳的噴涂效果，對于粉末粒子的粒度及其分布有相當苛刻要求。過分微細的粉末粒子會在焰流中熔化而沉積在長噴嘴的內壁，使噴涂工作不能長時間地連續進行。粉末的形態和制造工藝對其使用性能也有顯著的影響，專用的噴涂粉末的沉積率通常可以達到70%～75%。現在商品化的高速燃氣熱噴涂已經有上百種。

2．優缺點及使用范圍

高速燃氣噴涂的最突出的優點在于可以噴涂高質量的碳化鎢涂層。涂層致密，結合強度高，氧化物含量低。它用于航空與空間技術，泵及壓縮機軸，閥門，密封面，造紙業的輥子以及石化工業中需要耐磨耐腐蝕的場合。HVOF比等離子噴涂層具有更高的結合強度，低氧化物含量，更好的耐磨性能以及更高的沉積率。由于涂層內應力較低，涂層可以更厚。而且HVOF噴涂時需要控制的參數只有等離子噴涂的一半，因而噴涂簡單，涂層質量重復性好。

由于HVOF的溫度較低，一般說來不適于陶瓷材料的噴涂。但是有的噴涂槍（例如 Top Gun，HV-2000）具有較高的加熱能力，可以獲得十分致密的陶瓷涂層。

用HVOF涂層代替鍍硬鉻層已經取得很大的成功。這免除了非常困難的電鍍廢液處理問題，也解決了厚鍍層（0.5mm以上）電鍍的困難。

HVOF帶來的涂層質量的提高使熱噴涂層的應用領域也有了新飛躍。噴涂的Inconel涂層已經成功地解決了某些應力腐蝕問題。用HVOF涂層取代耐腐蝕的堆焊層的工作也有樂觀的進展。

HVOF的缺點在于較高的使用成本與高噪音，為了在很高的粒子速度下對粒子進行足夠的加熱，它需要很高的熱功率，從而需要非常高的燃料與氧氣消耗量。相當比例的熱能要損失于冷卻水。例如JP-5000在工作時，冷卻水帶走80kW，占總燃燒熱能的30%。很高的熱功率也使工件基體受到強烈的加熱。這需要通過強烈冷卻基體。或用很高的槍與工件的相對移動速度來解決。這也進一步提高了使用成本。