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超音速火焰噴涂（High-velocity oxygen-fuel spraying process，簡稱HVOF）是一種新型的熱噴涂技術(shù)，由美國Browning公司在1981年研制成功，并以JET-KOTE為商品名推出。這項(xiàng)技術(shù)的核心設(shè)備是噴槍，它由燃燒室、Laval噴嘴和等截面長噴管三部分組成。

 

在噴涂過程中，液體燃料（如煤油）在燃燒室內(nèi)與氧氣混合后點(diǎn)燃，產(chǎn)生高溫高壓的燃燒氣體，這些氣體流經(jīng)Laval噴嘴時(shí)被加速到超音速，形成高溫高速的焰流。噴涂材料（粉末或線材）被送入這個(gè)焰流中，被加熱并加速到300-500m/s的速度，噴涂到基體表面，形成高質(zhì)量的涂層。

 

特點(diǎn)

• 粒子飛行速度快，可以達(dá)到五馬赫（1500m/s）以上。

 

• 噴涂溫度相對較低，可以有效抑制噴涂材料在噴涂過程中的分解，尤其適合WC-Co系硬質(zhì)合金的噴涂。

 

• 涂層結(jié)合強(qiáng)度高，致密性好，耐磨損性能優(yōu)越，超過了等離子噴涂層、電鍍硬鉻層和噴熔層。

 

優(yōu)勢

1. 高粒子速度：HVOF噴涂的粒子飛行速度非常高，可以達(dá)到300-500m/s，甚至更高，這有助于涂層與基材之間形成更強(qiáng)的結(jié)合力。

 

2. 較低的噴涂溫度：與等離子噴涂相比，HVOF噴涂的焰流溫度相對較低，這有助于減少噴涂材料在噴涂過程中的氧化和碳化，尤其適合WC-Co系硬質(zhì)合金的噴涂，有效抑制WC在噴涂過程中的分解。

 

3. 高密度和低孔隙率：HVOF噴涂可以獲得高密度的涂層，密度可達(dá)理論密度的99.9%，孔隙率低，這使得涂層具有更好的耐磨性和耐腐蝕性。

 

4. 涂層質(zhì)量優(yōu)異：HVOF噴涂的涂層具有更好的均勻性和附著力，涂層殘余應(yīng)力小，可以在一定程度上設(shè)計(jì)殘余應(yīng)力，從而噴涂較厚的涂層。

 

5. 廣泛的應(yīng)用范圍：HVOF噴涂技術(shù)適用于機(jī)械、電力、冶金、航空和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域，用于金屬材料表面防護(hù)和修復(fù)。

 

6. 環(huán)境友好：在國際“雙碳”目標(biāo)下，HVOF噴涂涂層可以長期為相關(guān)部件延長壽命，為低碳綠色制造提供新的途徑。

 

7. 操作靈活性：HVOF噴涂技術(shù)可以噴涂各種規(guī)格和形狀的物體，特別適合于大面積涂層，并可在野外作業(yè)。

 

8. 高噴涂效率：HVOF噴涂的生產(chǎn)效率較高，每小時(shí)可以噴涂幾公斤到幾十公斤的涂層材料。

 

9. 基體溫度低：基體溫度一般在30～200°C之間，變形小，熱影響區(qū)淺，適合于熱敏感材料的涂層制備。

 

10. 材料利用率高：HVOF噴涂過程中，材料的利用率較高，浪費(fèi)較少，這有助于降低成本。

 

成本

1. 初期設(shè)備投資較高：HVOF技術(shù)需要專門的高溫高壓噴涂設(shè)備，這些設(shè)備的購置成本相對較高。例如，等離子噴涂技術(shù)相對于傳統(tǒng)噴涂技術(shù)而言成本較高，這主要是因?yàn)樯婕暗礁邷貒娡吭O(shè)備、粉末材料的制備和后續(xù)涂層處理等環(huán)節(jié) 。

 

2. 材料利用率高：HVOF技術(shù)的材料利用率通常在40-200 g/min (5 - 26 lb/h)之間，這意味著材料浪費(fèi)較少，可以減少涂層的成本。相比之下，傳統(tǒng)噴涂技術(shù)的材料利用率較低，通常在30%至50%之間，導(dǎo)致更多的材料浪費(fèi) 。

 

3. 涂層質(zhì)量高：HVOF涂層具有優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性、耐高溫、隔熱性能，這些特性可以減少后續(xù)的維護(hù)成本和延長部件的使用壽命，從而在長期運(yùn)營中節(jié)省成本 。

 

4. 生產(chǎn)效率高：HVOF技術(shù)的生產(chǎn)效率較高，噴涂速度是傳統(tǒng)噴涂的5-10倍，沉積效率優(yōu)于傳統(tǒng)噴涂，這可以大大降低涂層成本 。

 

5. 環(huán)境友好：HVOF技術(shù)對環(huán)境的影響較少，與傳統(tǒng)電鍍工藝相比，熱噴涂處理適用于多種材料及處理過程，因此，熱噴涂是一個(gè)比較有吸引力的涂覆技術(shù) 。

 

6. 節(jié)省人力成本：HVOF技術(shù)可以減少人力資源的需求，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)自動化和快速噴涂，從而節(jié)省人力成本 。

 

7. 長期經(jīng)濟(jì)效益：盡管HVOF技術(shù)的初期設(shè)備投資較高，但由于其高效率、高材料利用率和高質(zhì)量的涂層，使得長期運(yùn)營成本較低，展現(xiàn)出更高的經(jīng)濟(jì)效益 。

 

HVOF技術(shù)在鈦合金表面制備耐磨涂層的應(yīng)用實(shí)例

1. 在TC11鈦合金表面采用HVOF工藝制備的WC-10Co4Cr金屬陶瓷涂層，能夠有效改善鈦合金的耐磨性和耐蝕性。研究表明，涂層的孔隙率低（2.55%），硬度高（達(dá)到1400 HV），并且與基體結(jié)合良好，主要通過機(jī)械結(jié)合的方式。這種涂層的制備不僅提高了鈦合金的耐磨性，還顯著降低了磨損量，噴涂涂層鈦合金的磨損量僅為未噴涂鈦合金的1.56%，且磨損機(jī)制主要是磨粒磨損。

 

2. 另一項(xiàng)研究中，通過HVOF技術(shù)在TC4鈦合金表面制備了Cr3C2-NiCr、Ni50和NiCr涂層。結(jié)果表明，Ni50涂層能夠降低TC4鈦合金基體和摩擦副的黏著磨損損失，提供了一種可行的方案來提高鈦合金零部件間的摩擦性能。

 

3. 在TC6鈦合金表面利用HVOF噴涂工藝制備的納米結(jié)構(gòu)WC-10Co-4Cr涂層，研究了其對鈦合金的滑動磨損和拉伸疲勞性能的影響。結(jié)果表明，涂層展現(xiàn)出優(yōu)異的表面特性，具有最小的微裂紋和低孔隙率，顯著提高了鈦合金的耐磨性，并且對基材的疲勞強(qiáng)度影響極小。

 

4. HVOF噴涂的WC-Co涂層能夠顯著提高TC18鈦合金的耐磨耐蝕性能。涂層與基體結(jié)合良好，以機(jī)械結(jié)合為主，并且硬度及彈性模量明顯高于基體，顯著改善了基體的耐磨性。

 

HVOF技術(shù)在鈦合金表面制備NiCoCrAlY底層和Ni-cBN耐磨面層的應(yīng)用案例

1. 工藝參數(shù)：

 

• 噴涂材料：NiCoCrAlY合金和Ni-cBN粉末。

 

• 熱源：氧氣和乙炔或氧氣和煤油。

 

• 噴涂設(shè)備：采用超音速火焰噴涂設(shè)備，包括燃燒室、Laval噴嘴和等截面長噴管。

 

• 噴涂參數(shù)：噴涂速度、噴涂距離、噴涂厚度等需要根據(jù)具體材料和涂層要求進(jìn)行優(yōu)化。

 

2. 效果評估：

 

• 涂層結(jié)構(gòu)：通過掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散譜（EDS）分析，可以觀察到涂層與基材之間的元素互擴(kuò)散現(xiàn)象，涂層與基體形成良好的結(jié)合。

 

• 涂層性能：熱處理后，涂層的缺陷和孔隙率顯著降低，從8.3%降至1.4%。此外，涂層的硬度、密度、結(jié)合強(qiáng)度和殘余應(yīng)力等性能指標(biāo)也得到了改善。

 

• 耐腐蝕性：在CO2飽和鹽水中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕測試，結(jié)果顯示優(yōu)化后的NiCoCrAlY涂層具有良好的耐腐蝕性能。