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超音速热喷涂技术是采用超音速气流,使喷漆雾化后形成超细、均匀、致密的热涂层。由于该技术具有施工效率高,涂层厚度可控性高,涂料利用率高等特点。因此广泛应用于建筑物的内外墙面及顶棚的涂装工程中。
超音速火焰喷涂技术在工业领域中有着广泛的应用,特别在航天航空和石油工业等对涂层性能要求严苛的领域中发挥着重要作用。其优越性在于其耐磨损和耐腐蚀的特性,以及均匀的化学性质和低空隙率。这项技术的工作原理是,燃气与氧气的混合气体在高压环境下被送至喷枪的点燃区,并在此处点燃。随后,环状流动的热气流受到外围压缩空气的压缩,从而加速形成超音速火焰。同时,粉末通过载气被送至喷枪出口,进入燃烧火焰中,进而形成所需的涂层。超音速火焰喷涂设备的设计紧凑,主要包括喷枪、送粉器、控制系统、热交换系统和各种管路,具有操作简便、工作稳定、燃料消耗低以及涂层性能优异等特点。
超声速火焰喷涂的显著优势包括:
涂层硬度高
采用超音速火焰喷涂技术,所形成的WC-Co涂层具有高达1600的显微硬度(HV),与烧结材料相媲美。其动能和热输出得到有效利用,确保了涂层的致密性和均匀性,孔隙率极低(小于1%)。同时,涂层内部应力较小,使得喷涂厚度超越常规热喷涂技术所能达到的范畴。此外,涂层与基材之间的结合力强大,某些情况下甚至能达到83 MPa以上。WC-CoCr,作为WC-Co的进一步发展,不仅具备出色的抗腐蚀性,还展现出抗疲劳和耐磨性能。
优越的工艺特性
超音速火焰喷涂技术具有出色的工艺性,其喷涂距离适中(150380mm),火焰温度维持在2900-3300℃的较低水平。同时,喷涂粒子的速度高达2000m/s,这使得粒子在喷涂过程中具有更高的动能。与等离子喷涂和电弧喷涂相比,该技术的温度更低,粉末材料与周围大气的接触时间短,从而减少了粉末的氧化和烧损。因此,它特别适合用于喷涂碳化物等易氧化粉末材料。
优异的抗高温氧化与耐冲蚀性
通过HVOF技术制备的WC-17Co、WC-12Co以及NiCrBSi+35WC涂层,均展现出卓越的抗高温氧化和耐冲蚀特性。特别值得一提的是,WC-17Co涂层在抗冲蚀方面展现出了杰出的性能。
强大的抗热疲劳性
对采用HVOF技术喷涂的碳化钨涂层进行了抗热疲劳行为的研究。经过热震试验的验证,HVOF涂层依然保持完好,无裂纹或剥落等任何缺陷,这充分证明了其出色的抗热疲劳性能。
与爆炸喷涂相比
超声速火焰喷涂虽然同样利用燃料燃烧产生超声速气流,但其生成的焰流是连续且均匀的,而爆炸喷涂的焰流则是脉动的。此外,在操作过程中,还需要同步脉动地使用惰性气体来清除枪管中的残余燃气。
这些涂层在耐磨损和抗腐蚀方面表现出色
它们的表面通常经过磨光处理,达到平滑状态,同时也可以选择进行磨光或超磨光处理,以满足不同的需求。
设备的操作简便且灵活,易于进行日常保养
它可以喷涂各种尺寸和形状的物体,特别适用于大面积的涂层工作,并且非常适合在野外环境下进行作业。
采用超音速火焰喷涂技术,以陶瓷材料为涂层,对导辊进行表面处理。经过精细加工,确保涂层厚度至少达到6mm,同时表面粗糙度优化至Ra8,从而确保涂层与基材牢固结合,无砂眼、气孔或剥离现象,显著提升导辊的表面耐用性。然而,超声速火焰喷涂技术也存在诸多不足之处,包括材料利用率低、喷涂层与基板粘结强度不足、基材表面处理要求高、喷涂过程受多种条件影响且缺乏有效的涂层质量检测方法,以及适宜喷涂的高熔点陶瓷粉末材料较少等。此外,喷涂金属或合金粉末时成本相对较高,无法充分体现该技术的优越性。在喷涂Co-Wc粉末和低熔点TiO2陶瓷粉末时,该技术能确保粉末在喷涂过程中氧化和失碳程度较低,从而获得高硬度和耐磨损性的涂层。但需注意,该技术无法熔融高熔点陶瓷粉末材料。
喷涂粉末的粒度要求严格。
在喷涂过程中,由于颗粒飞行速度极高,而火焰温度相对较低,因此要求粉末颗粒尺寸细小(通常在10至53微米之间),且分布范围要窄。否则,这些粉末颗粒将无法熔化,从而影响涂层的质量。
超声速火焰喷涂的供气系统相当庞大
操作起来并不便捷,同时产生的噪音水平较高(通常超过120分贝),因此需要配备专门的隔音和防护设备。此外,该技术对气体消耗量也很大,通常是普通火焰喷涂的数倍至10倍。即便采用如煤油这样的液体燃料,对氧气的需求量也相当可观,往往需要采用“汇流排”管网供气系统来满足需求。若使用气体燃料,则供气装置的规模将更为庞大。
在喷涂过程中,工件持续受到大流量燃气的喷射
导致工件基体吸收大量热量。然而,由于热效率较低,燃料在高温燃烧时产生的热能大部分被冷却水或冷却空气带走。同时,高速焰流中的热能因粉末颗粒在焰流中停留时间短暂,使得热交换不够充分,进而影响了热能的利用率。
若选用的喷涂材料质量不佳或长时间进行喷涂作业,可能会出现结瘤现象
近年来发展的超声速火焰喷枪,以压缩空气为助燃气体,被称为高速空气燃料喷涂(HVAF)。这种技术不仅能显著减少氧气消耗和成本,还能简化供氧设备,无需水冷却。此外,其燃烧火焰的温度有所降低,在喷涂WC-Co等易氧化高耐磨涂层时,可减少碳化物的烧损,从而提升涂层的质量。但需注意的是,使用这种技术需要配备10m3以上的空气压缩机。