超音速喷涂

热喷涂技术之未来趋势--超音速喷涂技术

摘 要: 本文简要叙述了热喷涂技术的概况，比如热喷涂设备组成，热喷涂的工作原理，热喷涂技术的特点； 着重介绍了热喷涂技术中超音速喷涂技术的发展过程, 简述了超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、超音速电弧喷涂及冷喷涂等设备的结构和技术特点, 介绍了超音速喷涂工艺及涂层特性, 展望了该技术在制备纳米涂层方面的应用及发展前景。

关键词: 表面处理技术；热喷涂技术；超音速喷涂； 超音速火焰喷涂；超音速等离子喷涂；超音速电弧喷涂；冷喷涂

1.1 热喷涂技术概况

众所周知, 除少数贵金属外，金属材料会与周围介质发生化学反应和电化学反应而遭受腐蚀。 此外，金属表面受各种机械作用而引起的磨损也极为严重。大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效， 造成极大的浪费和损失。 据一些工业发达国家统计， 每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量的10 %， 损失金额约占国民经济总产值的2 - 4 %。 如果将因金属腐蚀和磨损而造成的停工、停产和相应引起的工伤、失火、爆炸事故等损失统计在内的话， 其数值更加惊人。 因此，发展金属表面防护和强化技术， 是各国普遍关心的重大课题。

随着尖端科学和现代工业的发展，各工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行。因此，对材料的性能也提出更高要求。 采用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果， 显然是不经济的，有时甚至是不可能的。所以， 研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。

热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一， 是表面工程中一门重要的学科。 所谓热喷涂, 就是利用某种热源, 如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态， 然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面， 与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。

近年来，热喷涂技术在国民经济建设中所发挥的重大作用，越来越引起人们重视。它作为表面技术一个重要组成部分，在我国国家“六五”至“九五”连续四个五年计划重点推广应用中取得了显著成绩，获得了重大经济效益。目前，无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高。从2006年10月在宁波举行的“第十五届全国热喷涂技术经验交流会”上国内外专家的专题报告以及宣读的论文中可以看出，我国热喷涂技术近期发展的概况及特点是：设备方面（喷枪）向高能、高速度方向发展；材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺方面向机械化、自动化方向发展。

1.2 热喷涂设备

虽然因热喷涂的方法不同其设备也各有差异, 但依据热喷涂技术的原理,其设备都主要由喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成。下图为热喷涂的设备配置图。

图一 热喷涂设备配置图

1.3 热喷涂材料

目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等， 主要以粉末、丝材、棒材状态使用， 其中喷涂粉末占喷涂材料总用量的70 %以上。 用作涂层的材料有：

1.3.1 热喷涂用粉末

纯金属粉末： W，Mo，Al，Cu，Ni，Ti，Ta，Nb 等。

合金粉末： Al-Ni，Ni-Cr，Ti-Ni，Ni-Cr-Al，Co-Cr-W，MCrAlY(M=Co、Ni、Fe)，Co 基、Ni 基、Fe 基自熔合金等。

氧化物陶瓷粉末： Al2O3，ZrO2，Cr2O3，TiO2 等。

碳化物粉末： WC，TiC，Cr3C2 等。

金属陶瓷粉末： WC-Co，Cr3C2-NiCr 等。

塑料粉末： 尼龙， 聚乙烯，聚苯硫醚等。

1.3.2 热喷涂用丝材

Al、Cu，Zn，Al-Zn 合金，巴氏合金，不锈钢，Ni-Al 丝等。

1.3.3 热喷涂用棒材

Al2O3，Cr2O3，ZrO2 等。

1.4 热喷涂工艺流程

热喷工艺过程如下：

工件表面预处理 → 工件预热 → 喷涂 → 涂层后处理

1.4.1 表面预处理

为了使涂层与基体材料很好地结合,基材表面必须清洁及粗糙， 净化和粗化表面的方法很多， 方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定。

净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物， 关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。 净化处理的方法有， 溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。

粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面， 增大涂层与基材的机械咬合力， 使净化处

理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。 同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。

其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于各种金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为16－60 号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为0.5－0.7Mpa，薄工件易于变形，喷砂压力为0.3－0.4Mpa。特别值得注意的一点是，用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料来说2.5－13 μmRa 就够了。随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过10μmRa 后，涂层结合强度的提高程度便会减低。

对于一些与基材粘结不好的涂层材料, 还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，称为粘结底层，常用作粘结底层的材料有Mo、NiAl、NiCr 及铝青铜等。粘结底层的厚度一般为0.08－0.18μm。

1.4.2 预热

预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气， 提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度， 以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。 预热温度取决于工件的大小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般情况下预热温度控制在60 - 120 ℃之间。

1.4.3 喷涂

采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方法是最好的。

预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定， 优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。

1.4.4 涂层后处理

喷涂所得涂层有时不能直接使用， 必须进行一系列的后处理。用于防腐蚀的涂层，为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理。 用作封孔剂的材料很多，有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料， 如何选择合适的封孔剂， 要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑。

对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等)， 使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。

有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。 由于喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点， 如涂层有微孔，不利于散热；涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬的质点，对刀具的磨损很快等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点。所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。

1.5 热喷涂技术的特点

从热喷涂技术的原理及工艺过程分析，热喷涂技术具有以下一些特点。

1. 由于热源的温度范围很宽，因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态工程材料，如金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及由它们组成的复合物等。因而能赋予基体以各种功能(如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、隔热、生物相容、红外吸收等)的表面。

2. 喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制,因此可以在各种材料上进行喷涂(如金属、陶瓷、玻璃、布疋、纸张、塑料等),并且对基材的组织和性能几乎没有影响，工件变形也小。

3.设备简单、操作灵活， 既可对大型构件进行大面积喷涂，也可在指定的局部进行喷涂；既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工。

4.喷涂操作的程序较少，施工时间较短，效率高，比较经济。

随着热喷涂应用要求的提高和领域的扩大, 特别是喷涂技术本身的进步,如喷涂设备的日益高能和精良,涂层材料品种的逐渐增多、性能逐渐提高, 热喷涂技术近十年来获得了飞速的发展, 不但应用领域大为扩展, 而且该技术已由早期的制备一般的防护涂层发展到制备各种功能涂层；由单个工件的维修发展到大批的产品制造；由单一的涂层制备发展到包括产品失效分析、表面预处理、 涂层材料和设备的研制、选择， 涂层系统设计和涂层后加工在内的喷涂系统工程；成为材料表面科学领域中一个十分活跃的学科。并且在现代工业中逐渐形成象铸、锻、焊和热处理那样的独立的材料加工技术。成为工业部门节约贵重材料、节约能源、提高产品质量、延长产品使用寿命、降低成本、提高工效的重要的工艺手段， 在国民经济的各个领域内得到越来越广泛的应用。

总体上来说，热喷涂技术正朝着高能高速喷涂的方向发展, 并且超音速喷涂已成为一些发达国家竞相研究的热点, 并形成了超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、超音速电弧喷涂及冷喷涂等几种重要技术。

2.1 超音速喷涂技术发展概况

超音速火焰喷涂包括超音速氧气火焰喷涂(HVO F: High Velocity O xy-Fuel) 和超音速空气火焰喷涂(HVA F: H igh Velocity A ir2Fuel) 两种。该技术及设备在上世纪80 年代初期首先由美国SKS 公司的B row n ing. J. A 公司研制成功, 至今已经历了3 个发展阶段[ 1 ]。第一代的HVO F 喷涂系统以“JET 2KO TE”为代表, 第二代超音速火焰喷涂系统以1989年出现的Top-Gun, D iamond-Jet 和CDS (Continuous Detonation Spray gun) 为代表, 第三代超音速火焰喷涂系统以JP25000 喷涂系统为代表。第一、二代设备的功率偏小, 粒子速度偏低, 涂层的整体性能不够理想。第三代在设计上有了较大改进, 使粒子飞行速度大幅度提高,涂层质量显著改善。国内西安交通大学在这方面开展的研究较多[ 2 ]。

由于HVOF系统使用气体燃料和氧气助燃剂, 故生产成本很高。例如JP25000, 典型工艺参数需氧气流量为0. 9438 m 3öm in, 每瓶氧气只能维持5～ 6 min[ 3 ]。为此, 美国、英国、日本等国又研制了HVAF系统, 使用压缩空气代替价格昂贵的纯氧气做助燃气体, 且喷枪采用气冷方式。除了大幅度降低成本外, 喷涂温度可以控制在较低范围内, 是热喷涂技术上的一项革新[ 4 ]。沈阳工业大学、装甲兵工程学院均已研制成功了自己的HVAF系统[ 5 ]。 超音速等离子喷涂技术采用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”得到稳定聚集的超音速等离子焰流。它保留了普通空气等离子喷涂的优点, 而且喷涂速度有显著提高。1986 年美国B rowning Eingeering 公司推出了第一台超音速等离子喷枪Plaz-Jet; 随后超音速等离子喷涂的发展主要集中在喷枪射流速度的提高和送粉方式的改良方面。我国已经研制成功了超音速等离子喷涂系统的核心部件——高效能超音速等离子喷枪(HEPJ: High Eff iciency P laz-Jet) [ 6 ]。

电弧喷涂技术具有设备简单、生产率高、能耗低等优点, 因其适合我国国情而在我国得到了长足的发展。上世纪90 年代以来, 第二炮兵工程学院和装甲兵工程学院的科研人员成

功研制出超音速电弧喷涂技术(HVA S: H igh Velocity A rc Spray) , 粒子速度大大超过了普通电弧喷涂的水平, 达到了385. 7 m ös, 而且设备结构简单, 易于操作, 与普通电弧喷枪具有互换性,涂层结合强度和喷涂沉积效率明显提高[ 7 ]。美国U nique Coat 公司也研制生产了SB50 型等超音速活性电弧喷涂设备。

冷喷涂全名冷空气动力喷涂法(CGDS: Cold Gas Dynamic Spray) , 是一种以高速(500～ 1 200 m /s) 小颗粒(1～ 50 ǖm) 气流撞击金属或绝缘基体表面, 在整个过程中粒子没有熔化, 保持固体状态, 粒子发生纯塑性变形聚合形成涂层。冷喷涂于20 世纪80 年代中期,在俄罗斯科学院理论及应用力学研究所最早开发, 近年来受到广泛关注, 并在俄国、美国、德国等国家得到了快速发展[ 8 ]。大连理工大学等单位也在进行该技术的研究, 不过还处于机理研究和探索阶段[ 9 ]。

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L aval 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L aval 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。L aval 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，L aval 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L aval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 = P 0 [2k + 1] kk - 1

对于空气， k= 14，则P = 0. 528P 0， 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:

V =

当P 0 达到一定值后， 按喷嘴入口和出口的压力，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P 0 的增大， 喷嘴出口处气流的速度增高[ 10 ]。

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[ 11 ]。理想气体的当地超音速C 定义为:

C = K R T (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 öC (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 f low ) 和摩擦(范诺流: Fanno f low ) 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V 。

3 超音速喷枪的结构特点

较先进的HVOF系统如JP25000， 使用安全的液体燃料、高压喷涂、吸入式送粉， 设备热效率高。氧气和液体燃料被送进喷枪后部的燃烧室， 并用火花塞点燃。粉末沿径向并从双孔加入内喷嘴喉管后的过度膨胀负压区， 从而不需要高压送粉系统[ 1 ]。

现有超音速火焰喷涂系统之间结构上的主要差别在于: 冷却方式: 空气冷却和水冷却; 送粉方式: 轴向送粉和径向送粉; 燃料种类: 气体燃料(包括丙烯、丙烷、氢气或乙炔) 和液体燃料(包括煤油、酒精、汽油等) ; 喷嘴结构: L aval 喷嘴及等截面长喷管结构[ 1 ]。

HVA F 喷枪的结构原理与HVO F 相近, 只是在燃气雾化后采用空气取代氧气与之混合助燃, 燃烧室设计上要求燃烧的完善程度尽可能高、燃烧稳定性好、点火容易可靠。所以一般采用最常用的圆筒型燃烧室并使燃油通过很细的喷嘴有效雾化; 燃烧室外壁预热空 气时同时冷却燃烧室[ 5 ]。

装甲兵工程学院自行研制的空气超音速火焰喷枪采用圆筒形燃烧室, 中心送粉、空气冷却方式, 结构简单; 使用液体燃料和压缩空气助燃, 焰流温度较低, 但粒子飞行速度高, 可有效抑制涂层材料的相变、氧化和分解。

HEPJ 设备中等离子体发生器是其关键部件之一。由喷枪后枪体输入主气(氩气) 和大流量的次级气(氮气) , 经气体旋流环作用, 通过拉伐尔管型的二次喷嘴射出。而同时钨极接负极, 引弧时一次喷嘴接正极,在主气中经高频引弧, 正极接二次喷嘴, 即在二次喷嘴内壁间产生电弧, 在旋转的次级气强烈作用下, 电弧被压缩在喷嘴中心并被拉长至喷嘴外缘, 形成弧压高达几百伏的扩展型等离子弧, 大功率的扩展弧有效地加热气体, 从喷嘴中射出稳定集聚的超音速等离子射流,送入的喷涂粉末被有效地升温加速, 撞击工件形成涂层[ 12 ]。

HVAA 是一种新发展的电弧喷涂技术, 它是在普通压缩空气气流的基础上, 加入丙烷或者丙稀等燃气,与压缩空气混合燃烧产生焰流, 并且燃气被调节成过量, 使焰流具有一定的还原性。由于燃烧产生的加速作用, 最终的焰流速度可高达2 马赫以上。同时燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化, 经超音速火焰气流将熔化的丝材雾化为粒度细小、分布均匀的粒子,通过喷嘴, 喷向基体表面形成涂层[ 13 ]。

CGDS 技术中, 经低温预热的高压气体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, 以固态的形式撞击基体形成涂层。通常的冷喷涂将高压气流分为两部分: 一部分经电阻加热后进入喷管; 另一部分加热后携带颗粒进入喷管, 在喷管中定位并加速后喷向基体并堆积形成涂层。冷喷涂技术的工作气体一般为He 和N 2, 而He 比N 2 的加速效果更好[ 8 ]。

4 超音速喷涂的工艺控制

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→高的燃流速度→高的颗粒飞行速度→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[ 3, 14 ]: 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函数。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HVO F 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. 5M Pa, 主要由喷枪结构和燃料与空气流量比决定。燃烧火焰温度2 700～ 3 000℃, 焰流速度可达1 500m /s 以上, 粒子速度400～ 800 m / 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70 M Pa 以上, 孔隙率低, 约为1% 左右[ 15 ]。

HVA F 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到700 m /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～ 1 500℃, 从而使粒子温度填补了HVO F 工艺到冷喷工艺中间的空白温度区, 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[ 16 ]。

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～ 400 V , 电流400～ 500 A , 喷嘴喷射出的等离子射流温度达到2 500℃以上, 焰流速度超过3 600 m ös, 喷涂颗粒速度可达500 m ös 以上。而且工艺参数可通过喷涂功率、工作电压、工作电流、主气(A r)、次气(N 2) 的压力和流量、喷涂距离等加以控制。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[ 17 ]。

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[ 18 ]。

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500 m ös 为界限, 只有大于500 m /s 才能形成喷涂层，如下图。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[ 8 ]。

图二 涂层横截面示意图

在冷喷涂过程中, 气体温度约为800℃, 粒子速度可达1 000 m /s 以上。使传统热喷涂方法中的有害影响, 如高温氧化、蒸发、溶解、结晶、残余应力、剥离、气体释放等, 均可减

到最小甚至消除。但这一技术目前存在孔隙率高, 对喷涂粒子尺寸范围要求严格等缺点, 而 且应用范围较窄、耗能大、不易实现与其它喷涂的对接。随着冷喷涂技术的不断改进与完善, 喷涂层的质量将不断得到提高[ 8 ]。

5 超音速喷涂技术的最新应用及展望

超音速喷涂已经成为热喷涂技术的主流发展方向, 目前在国外已经渗透到各种领域: 石油化工、机械、印刷、航空、冶金、电力、塑料等工业部门。特别是在高科技领域, 超音速喷涂的高质量涂层能满足航天、航空、原子能等尖端领域对材料的苛刻要求。美国已采用HVO F 逐步取代常规等离子喷涂修复飞机涡轮发动机部件, 既降低了成本, 又改善了涂层的耐磨蚀性能[ 19 ]。固体颗粒磨蚀所造成的汽轮机中固定和旋转部件的磨损是水力、电力行业面临的一个耗资巨大的难题。国外已有采用HVO F 和HEPJ 技术解决水力、电力行业过流部件磨蚀问题的广泛报道[ 20 ]。HVAA 由于其成本低廉, 效益显著, 在国内防腐工程上已有较广泛地应用[ 13 ]。

近年来, 超音速喷涂制备纳米结构涂层成为目前表面工程领域的一个研究热点。纳米结构材料作为涂层材料可望解决传统涂层材料提高涂层硬度要以牺牲其韧性为代价、造成脆性增加、结果导致涂层与基体的匹配性与结合性下降、涂层易开裂、硬质相易脱落等问题, 从而进一步提高涂层的综合使用性能[ 21 ]。

较系统的对比研究表明, HVO F 喷涂纳米Cr3C2225 (N i20Cr) 涂层的硬度指标已经提高到了一个新的水平, 硬度大于1 000 HV [ 22 ] , HVO F 纳米316 不锈钢涂层的显微硬度比普通316不锈钢粉末的HVO F 涂层有显著提高[ 23 ]; HVO F 纳米Inconel 718 镍基高温合金涂层呈现出优良的热稳定性[ 24 ]; 采用超音速等离子喷涂技术的A l2O 32T iO 2 纳米结构涂层, 结合强度达31. 2M Pa, 显微硬度1221 HV 0. 2, 远高于常规A l2O 3-T iO 2 涂层的显微硬度(约700 HV ) [ 25 ]; 采用冷喷涂技术制备的T iO 2 纳米涂层, 基本保持了喷涂前材料的特性[ 26 ]; 采用冷喷涂技术制备了纯钛纳米涂层, 加入羟基磷灰石(HA ) 制备了HA öT i 复合涂层, 有望在生物医用材料中得到应用[ 27 ]。

随着纳米结构涂层研究的不断深入， 对喷涂技术提出了越来越高的要求。由于超音速空气火焰喷涂和冷喷涂技术具有喷涂温度较低但粒子飞行速度极高的特点， 从而可使喷涂粒子的氧化、烧结及长大等倾向降低至最低水平， 因而特别适合对温度敏感的纳米涂层的研究，可望成为制备纳米结构涂层的理想方法。

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