超音速火焰喷涂工艺流程

超音速火焰喷涂工艺流程 工艺流程 施工前的准备工作、表面预处理、喷涂、喷涂后处理四个主要步骤: 一) 准备工作: 在编制工艺前首先应该了解被喷涂工件的实际状况和技术要求半进行分析 1、确定涂层的厚度。一般来讲，喷涂后必须进行机械加工，因此涂层厚度就要预留加工余量，同时还要考虑到喷涂时的热胀冷缩等。 2、涂层材料的确定。选择依据是涂层材料应该满足被喷涂工件的材料，配合要求，技术要求及工作条件等，分别选择结合层与工作层材料 3、确定参数:压力，粉末粒度，喷枪与工件的相对运动速度 二)工件表面的预处理 表面制备，是保证涂层与基体结合强度的重要工序 1、凹切处理，表面存在疲劳层和局部严重拉伤的沟痕时，在强度允许的前提下可以进行车削处理，为热喷涂提供容纳的空间。 2、表面清理，清除油污，铁锈，漆层等，使工件表面洁净，油污油漆可以用溶剂清洗剂除去。如果油渍已经渗入基体材料，可以用火焰加热除去，对锈层可以进行酸浸，机械打磨或喷砂除去。 3、表面粗化，目的是为了增强涂层与基体的结合力，消除应力——————————————————————————————————————————————— 效应，常用的有喷砂、开槽、车螺纹、拉毛。 A:喷砂是最常用的，砂料可以选择石英砂、氧化铝砂、冷硬铁砂等。砂料以锋利坚硬为好，必须清洁干燥，有尖锐棱角。其尺寸，空气压力的大小，喷砂角度、距离和时间应该根据具体情况确定。 B:开槽、车螺纹、辊花。对轴、套类零件表面的粗化处理，可采用开槽、车螺蚊处理，槽与螺纹表面粗糙度以RA6.3—12.5为宜，加工过程中不加冷却液与滋润剂，也可以在表面滚花纹，但避免出现尖角。 C:硬度较高的工件可以进行电火花拉毛进行粗化处理，但薄涂层工件应慎用。电火花拉毛法是将细的镍丝或铝丝作为电极，在电弧的作用下，电极材料与基体表面局部熔合，产生粗糙的表面。 表面粗化后呈现的新鲜表面，应该防止污染，严禁用手触摸，保存在清洁，干燥的环境中，粗化后尽快喷 涂，一般喷涂时间不超过二个小时。 4、非喷涂部位的保护 喷涂表面附近的非喷涂需要加以保护，可以用耐热的玻璃布或石棉而屏蔽起来。必要时按零件开关制作相应的夹具保护，但是要注意夹具材料要有一定的强度，且不能使用低熔点的合金，以免污染涂层。对于基体表面上的键槽、油孔等不允许喷涂的部位，可以用石墨块或粉笔堵平或略高于表面。 喷后清除时，注意要要碰伤涂层，棱角要倒钝。 三)喷涂工艺及参数 (1)粉末特性: ——————————————————————————————————————————————— 目前粉末供应商提供了品种繁多的碳化物粉末，而粉末特性往往因其制粉工艺方法的不同而表现出较大的差异。粉末特性包括:粉末粒度分布、颗粒形状、表面粗糙度等。 对ZB-2700设备来说，适宜的粉末粒度为:15μm-40μm。 (2)氧-燃气流量和比例 喷涂的焰流温度及特性取决于氧-燃气流量和混合比例。喷涂时，首先应按照设备的规定要求确定氧气和燃气的流量，以保证喷枪焰流达到设计的功率水平。实际生产过程中有多种因素可导致氧-燃气比例的波动，而氧-燃气比例对确定最终的涂层组织十分重要. 理论上，丙烷完全燃烧要求氧与丙烷的比例为5?1(C3H8+5O2=4H2O+3CO2)，这一燃烧比例产生的是中性焰(即，燃烧时氧与燃气分子全部耗尽)。若燃气比例下降，焰流中未消耗尽的氧分子将产生“氧化”气氛，导致熔融粉末粒子的过度氧化，涂层中氧化物含量增多。混合气中燃气过多会产生低温贫氧的火焰，所得涂层中未熔粒子和孔洞增多，而氧化物含量降低。事实上，中性焰是不存在的，在高温，燃烧过程不是完全可逆的，反应物与反应产物以热平衡和化学平衡方式共存。 ZB-2700型超音速火焰喷涂系统，当氧-燃气比例在4.2-5.6之间时，可获得高性能的涂层。 (3)喷涂距离: ZB-2700型超音速火焰喷涂系统，当粉末粒子在距喷枪出口100mm以内即已达到了其最高温度，随着喷距的增加粒子温度逐渐——————————————————————————————————————————————— 降低，在100-230mm范围内，粒子温度大约降低了60?，其降低幅度并不大，粒 子仍可保持约1775?的高温;而粒子速度在距喷枪出口大约190mm内是一个逐渐加速的过程，在距喷枪出口190-200mm左右达到580m/s以上的最高速度，在170-230mm喷距上，粒子速度基本维持在580m/s以上。 考虑到高温焰流对基体传热的不利影响，喷距在可能的情况下应尽量增大，故对ZB-2700型超音速火焰喷涂系统来说，适宜的喷距应为:190-230mm。 与其它喷涂工艺相比，喷涂喷距的可调整范围是比较大的，这得益于粒子的高速度。较大的喷距可调范围对实际生产十分有利，因为可以根据工件的形状、大小、涂层厚度等要求选择适宜的喷距，以得到综合性能最好的涂层。 (4)送粉量: 对任何热喷涂工艺来说，送粉量都是影响涂层性能的一个重要参数。某种粉末在某一具体的喷涂工艺条件下，都对应有一适宜的送粉量范围。 若送粉量过小，可能的不利影响有: 1)被喷涂粉末过熔，粉末烧损，烟雾大，易污染涂层。 2)每一遍喷涂不能完全覆盖其扫过的路径，造成涂层孔隙率增大。 3)延长了喷涂时间易造成工件过热涂层开裂和生产成本的增大。 若送粉量过大，可能的不利影响有: ——————————————————————————————————————————————— 1)粉末熔化不充分，涂层结合强度降低，孔隙率增大。 2)涂层应力增大，导致涂层开裂。 3)粉末沉积率下降，生产成本提高。 使用ZB系统，喷涂WC-Co涂层时，当送粉量在38-60g/min之间变化时，涂层孔隙率在0.55—1.2%之间，显微硬度在HV1000-1300, 粉末沉积率为40-50%，涂层性能优。喷涂CrC-NiCr涂层时:当送粉量在27-45g/min之间变化时，可获得令人满意的涂层质量。 四)喷涂后处理 封孔，机械加工等工序。 涂层的孔隙率约占体积的百分之五，而且有的孔隙可由表及里。零件为摩擦副时，可在喷后趁热将零件放 在润滑油中，利用孔隙储油有利于润滑。但对于随液压的零件，孔隙而容易产生泄露，对于喷涂后，应该用封孔剂进行封孔处理。 对封孔剂要求:浸透性好，耐化学作用，不溶解，不变质。在工作温度下性能稳定，能增强涂层性能，常用的有石蜡，环氧，酚醛等。 当喷涂后的尺寸精度与表面粗糙度不能满足要求时，需要对其进行机械加工，可采用车削或磨削加工。 超音速火焰喷涂设备技术参数: ZB-2700超音速火焰喷涂设备(HVOF) - 技术性能参数表: 超音速火焰喷涂涂层评析 黎明航空发动机(集团)有限责任公司军事代表室 曾 杰 刘军和 ,摘要, 超音速火焰喷涂由于具有焰流速度快、焰流长、直径——————————————————————————————————————————————— 收缩小、粉末动能和能量密度大等特点，使其涂层呈现致密、氧化物 含量和未熔颗粒少、孔隙率低、结合强度高、加工性能好、不易剥落 等特性。本文叙述了等离子喷涂、火焰喷涂和超音速火焰喷涂3种喷 涂试验，并对获得的涂层进行了对比、分析、评价，说明了超音速火 焰喷涂的优越性。 关键词: 超音速火焰喷涂 等离子喷涂 火焰喷涂 涂层 ,ABSTRACT, High velocity oxygen flame (HVOF) sprayed coating is characterized by its densification, less content of oxides and unmelted particles, lower porosity, higher bond strength, better machinability and non easy spalling because of its features of rapid flame flow speed, longer flame flow, less diameter contraction and bigger kinetic energy of power and energy densities. This paper describes three spraying tests of plasma spraying, flame spraying and HVOF spraying, and the coatings sprayed are compared, analyzed and evaluated, so that the ad vantages of the HVOF spraying are proved. Keywords: HVOF spraying Plasma spraying Flame spraying Coating 传统的火焰喷涂工艺以氧-乙炔火焰来熔化待喷涂的粉末，由于 焰流速度慢，热量不集中，粉末在空气中飞行时间长，因而形成的涂 层粗糙多孔(孔隙率多为10%,15%)，氧化物和未熔颗粒多，涂层 的结合硬度和结合强度(多为20,30MPa)较低而且易产生裂纹和剥 落。等离子喷涂工艺以等离子弧作为热源将粉末熔化，高速喷到零件 表面形成涂层，由于等离子。 弧温度高(弧柱中心温度可达15000, ——————————————————————————————————————————————— 33000K)，能量大，粉末粒子飞行速度快，而且采用氩气作为等离子气体、氢气作为辅助气体，又具有还原气氛，因而粉末的氧化程度低，所形成的涂层致密，孔隙率(3%,8%)和氧化物含量都很低，结合强度(40,50MPa)和 硬度较高，但由于残余应力的存在，涂层不能过厚，否则会产生裂纹和剥落。此外，等离子喷涂还有一个明显的缺点，就是使用和维护费用较为昂贵。 20世纪80年代以来，随着超音速火焰(High Velocity Oxygen Flame,HVOF)喷涂工艺的研发，涂层的性能产生了质的飞跃。超音速喷枪的结构独特，在燃烧室的末端即咽喉部位采用了拉瓦尔曲线设计，使得燃烧室的压力增加，通过该处的焰流获得数倍于音速的速度;而且采用了径向内送粉的方式，使得粉末在10,30cm的枪管内得到充分的加热和加速，虽然温度不是很高(2870?)，但由于能量集中，受热均匀，因此熔化得非常好;此外，由于粉末粒子的动能大，速度快，粒子在空气中的飞行时间极短，被氧化的机会极少，再加上喷枪系统本身的温度不高(2870?)，所以涂层中几乎没有氧化物，空隙率也极低(小于2%)，涂层致密，剪切强度和结合强度都非常高(可达到60MPa以上)，而且涂层内的残余应力几乎都是压应力，这样就使得涂层可以具有很大的厚度而不至于产生裂纹和剥落，例如316不锈钢涂层的厚度可以达到12mm。尤其是WC-Co涂层，HVOF喷涂更具优越性。 本课题以等离子喷涂、火焰喷涂、HVOF喷涂3种工艺分别喷涂——————————————————————————————————————————————— 了WC/12Co 、WC/17Co、NiCrBSi 3种涂层，并对涂层的各项性能进行了分析和研究。 1 试验材料(粉末) 热喷涂涂层的性能和微观结构与所使用的粉末有较大的关系，不同的粉末粒度、化学成分都会对涂层性能造成影响。 WC-Co涂层是一种典型的抗磨损涂层，WC-Co粉末有铸造/粉碎型、烧结/粉碎型、团聚/烧结型和钴包覆型4种形式。试验采用的粉末是美国TAFA公司生产的烧结/粉碎型粉末。 NiCrBSi自粘涂层也是一种高质量的抗摩擦磨损涂层，试验采用的是TAFA公司生产的1276NiCrBSi粉末。用GSL-100激光粒度分析仪对粉末进行粒度分析，粒度分布非常好，范围集中，90%在5×10-3,10×10-3mm之间且颗粒均匀，可以肯定，这3种粉末具有非常好的流动性。 2 喷涂工艺 2.1 吹砂 首先对所有的试样进行吹砂，吹砂用的磨料为白刚玉砂，压缩空气压力为0.2,0.3MPa，吹砂距离为100,120mm，吹砂后表面粗糙度为R a3.0,3.5μm。 2.2 喷涂设备及参数 采用METCO6P火焰喷涂设备、METCO-7M等离子喷涂设备和JP-5000超音速火焰(HVOF)喷涂设备进行喷涂。 3 涂层性能试验 ——————————————————————————————————————————————— 3.1 结合强度和剪切强度试验 采用胶接法进行结合强度试验，试样尺寸为6.5mm×25.4mm，粘接剂为FM-1000胶，所有试样的涂层厚度均为0.25,0.30 mm;剪切强度试验设备为单摆刮削磨损试验机。 3.2 残余应力试验 由于在喷涂过程中具有不同机械性能的材料有着很高的温度梯度，因此在涂层中会产生残余应力，这种残余应力对涂层的性能有很大的影响，最明显的就是引起涂层裂纹和剥落，它直接限制着喷涂层的厚度。涂层的残余应力状况是评价涂层性能的一个极其重要的指标，本课题采用修正的艾尔曼(Almen)法完成对涂层的残余应力测试。 测试用的试片材料为65Mn，规格为120mm×15mm×1mm;采用BHP-700温度补偿应变片，规格为16mm×7mm，电阻值为120Ω，应变极限温度为700?。 δ为涂层厚度,σ c为涂层残余应力,正值表示拉应力，负值表示压应力。从表中可以看出，随着涂层厚度的增加，应力值也增加。对于NiCrBSi涂层来说，火焰喷涂和等离子喷涂产生的都是拉应力，而HVOF喷涂产生的是压应力。对于WC-12Co涂层来说，虽然3种喷涂方法产生的都是压应力，但HVOF喷涂产生的压应力值要远远高于另外两种喷涂方法。拉应力是造成涂层裂纹和剥落的主要原因，因此对于涂层来讲，残余应力最好是压应力，而不是拉应力。通过以上分析可以看出，HVOF喷涂涂层的性能要优于另外两种涂层。 3.3 涂层的X射线衍射分析 ——————————————————————————————————————————————— 对WC-12Co粉末和3种工艺所喷涂的涂层进行了X射线衍射分析。下文以WC-12Co涂层为例进行说明，可以看出在粉末中WC相为主要相，其余的是杂质相。 涂层中起主要作用的是WC相，在3种工艺所喷涂的涂层中，HVOF喷涂涂层的WC含量最多，而且占大多数，等离子喷涂的次之，火焰喷涂的几乎没有WC相。WC-12Co涂层的失效可以从下列反应式中看出。 2WC?W2C+C， W2C+O?W2(C,O)， W2(C,O)?2W+CO， 4Co+4WC+O2?2Co2W2C+2CO， 3Co+3WC+O2?Co3W3C+2CO， 12Co+12WC+5O2?2Co6W6C+10CO。 通过上列反应式可以看出WC-12Co涂层的失效原因，对照X射线衍射图，可以说明HVOF喷涂涂层的失效程度最低，等离子喷涂涂层次之，火焰喷涂涂层失效程度最严重。 4 结论 根据3种粉末的不同喷涂工艺试验以及对所得涂层进行的各项性能试验，可以得出以下结 论: (1)HVOF喷涂工艺与等离子、火焰喷涂工艺一样操作简单，易于控制，可重复性强;但HVOF喷涂的效率要远高于等离子喷涂和火焰——————————————————————————————————————————————— 喷涂。 (2)在涂层的抗拉结合强度和抗剪切强度方面，HVOF喷涂的最高，等离子喷涂次之，火焰喷涂最差。 (3)HVOF喷涂后的残余应力为压应力，这也是HVOF喷涂结合强度高的重要原因之一。 (4)HVOF喷涂涂层中主要成分的失效最少，与粉末相比几乎没有多大变化，而等离子喷涂和火焰喷涂涂层成分失效较多，因此HVOF喷涂涂层的各项性能优于等离子喷涂层和火焰喷涂层。HVOF喷涂最能反映粉末的原始设计性能。 上海新业喷涂机械有限公司 上海君山表面技术工程股份有限公司 上海锦联机械设备修造有限公司 上海精信热喷涂密封工程有限公司 ———————————————————————————————————————————————