近年来，随着汽车、钢铁、造纸包装机械、石油化工等行业的迅速发展，对机械零部件表面的涂层性能要求越来越高，国内超音速火焰喷涂（HVOF）设备的用户也逐年稳步增长。笔者根据近年来在JP-5000 HVOF方面的应用经验，对HVOF应用中若干应该注意的问题做一探讨，以期抛砖引玉，共同促进应用技术的充分交流。

影响HVOF涂层性能的因素很多，我们把这些因素归纳为三大类（如图1）。下文以常用的以煤油为燃料的JP-5000为例，对涂层的一些常见的影响因素进行分析。

图1  影响HVOF涂层性能的一些因素

1        HVOF使用的粉末类型

1.1 金属陶瓷粉末制造工艺

众所周知，HVOF主要应用在喷涂金属陶瓷涂层。金属陶瓷粉末的制造工艺主要有5种途径，见图2。

图2 金属陶瓷热喷涂粉末的制造工艺

各种粉末的微观SEM形貌见图3。

图3 不同制造工艺的粉末形貌

其中，团聚烧结工艺制造的粉末具有外形为疏松的球形，流动性好，在HVOF火焰中吸热均匀充分，金属与陶瓷比例大范围可调等等特点，所以在国际上应用最广。实际上，团聚烧结粉末几乎成为HVOF用粉的标准规格。表1. 金属陶瓷粉末在日本的典型消耗。

表1 金属陶瓷粉末在日本的典型消耗

1.2  HVOF喷涂过程中的枪管堵塞现象

在JP-5000等带枪管的HVOF喷涂过程中，经常会由于粉末等方面的原因，粉末颗粒粘附在枪管出口内壁，随后被气流以大熔滴形式吹出枪管，在涂层表面形成缺陷。大熔滴在撞击基底时无法充分变形，结合力差，而且其周围往往会存在穿透性气孔，进一步恶化涂层性能。

图4 有枪管的HVOF喷涂过程中典型大熔滴现象示意图

大熔滴产生的原因很多，如果排除喷涂参数的原因，从粉末方面考虑，主要是粉末的粒度与粉末的压溃强度未充分优化引起。

1.3 团聚烧结粉末的优化

团聚烧结的粉末通过烧结获得一定的内聚强度，为了表征其内聚强度，一般采用测量粉末压溃强度的方法。

图5 粉末颗粒压溃强度测量方法

图6 粉末颗粒压溃强度测量中的载荷－位移曲线

对于热喷涂粉末，我们一般用D3％表示其细端粒度（D3%是粉末的累计粒度分布数达到3%时所对应的粒径，其物理意义是粒径小于它的颗粒占3%），D50%代表其平均粒度。

图7 粒度术语含义

如果团聚粉末的内聚强度不够高，粉末在运输、预热和气流送粉过程中由于粉末颗粒之间的机械摩擦和颗粒与送粉器零件的摩擦和冲击，团聚粉末会破碎成更细颗粒。下面以Cr3C2/25NiCr为例进行一些分析。

表2 团聚烧结Cr3C2/25NiCr粉末通过Praxair/TAFA  1264送粉器后颗粒粒径的体积分数的改变

颗粒压溃强度(MPa)

从表2中可以看出，在颗粒压溃强度较低时，通过送粉器后粉末粒度已经变细，而在粉末强度较高情况下，通过送粉器前后粒度几乎没有变化。

粉末粒度细、强度低时，在火焰中很容易软化或熔化，撞击基底表面后变形充分，所以粉末的沉积效率就较高，但是也很容易出现枪管堵塞现象；反之，如粉末粒度大、强度高，在火焰中就不太容易软化或熔化，喷涂到基底表面就容易反弹，沉积效率较低，但不太容易出现枪管堵塞现象（见图8）。

图8 颗粒强度和小颗粒含量的体积分数对沉积效率的影响

这样，对于金属陶瓷粉末，存在一个与粉末细端粒度、颗粒强度相关的最佳组合区域，在这个区域，粉末可以在保证不发生枪管堵塞的情况下获得最高的沉积效率。

以上是在选择HVOF用粉末时必须考虑的因素，同时也可以解释为什么在表1所列各种制粉方法中，1、2、4、5粉末的沉积效率较低，因而用量较少。

图9  采用JP-5000喷涂Cr3C2-25%NiCr 粉末时大熔滴转换曲线示意图（椭圆框中为最佳区域）

2.      喷涂参数的选择

以液体燃料的JP-5000为例：

完全燃烧情况下，JP5000的氧气/煤油理想化学配比

                    煤油≈CH1.953 含10 – 16的碳原子

           CH1.953＋1.49O2→CO2+0.98H2O根据理想化学配比和燃烧室压力等压线，形成如下流量压力图10。

图10  JP-5000的氧气/煤油流量图

图10中，左下往右上斜线为理想化学配比线，越靠近理想配比线，煤油燃烧越充分，火焰温度越高（2600℃左右）；理想配比线左上方为氧气富余区，火焰内为氧化性气氛，右下方为煤油富余区，火焰内为还原性气氛；为获得很高的粒子速度，常用喷涂参数大多处于氧气富余区；左上往右下斜线为燃烧室压力等压线，燃烧室压力越高，焰流速度越快，粒子飞行速度也越高。为获得理想的涂层，需要综合考虑氧气/煤油流量和燃烧室压力等因素。

图11中A－I是JP-5000常用的喷涂参数。为进一步说明喷涂参数对涂层性能的影响，我们进行了几组试验，对喷涂好的试样用胶带封边后进行标准的中性盐雾试验，考察涂层中贯穿性气孔的情况，从而反映涂层的质量。喷涂条件见表3.

图11  JP-5000常用的喷涂参数

表3 喷涂粉末及喷涂条件

粉末牌号

成分

粒度

喷涂距离

枪管长度

W2007

WC/20%Cr3C2/7%Ni

-45+15μm

300mm

6英寸(152.5mm)        

8英寸(203.0mm）

W1004

WC/10%Co/4%Cr

8英寸(203.0mm）

*喷涂设备：JP-5000(Praxair/TAFA)

基材：SS400(70×50×2mm)， 涂层厚度：200μm

图12 W2007涂层在不同氧气/煤油配比下的耐蚀性

对图12的结果，分析如下：

.      D点的燃烧室压力火焰温度都较高，使用8英寸长枪管喷涂W2007粉末时出现了枪管堵塞现象，产生大熔滴，涂层性能较差，此时采用6英寸枪管可以避免枪管堵塞。

 A点与C点离理想配比线距离相同，火焰温度相近，但C点的燃烧室压力高于A点，所以粒子飞行速度较高，涂层较致密。

 E点与H点离理想配比线距离相同，火焰温度相近，但H点的燃烧室压力高于E点，所以粒子飞行速度较高，涂层较致密。

图13 W1004涂层在不同氧气/煤油配比下涂层的耐蚀性

对图13的结果，分析如下：

 A点与C点的情况对W1004（WC/10Co/4Cr)涂层同样适用

D点与H点的差别在于氧气流量，H点的氧气流量较高，离理想配比线较远，温度较低，但燃烧室压力高于D点，所以粒子飞行速度较高。对W1004（WC/10Co/4Cr)涂层来说，二点都在涂层十分致密区域，所以耐蚀性未显示出明显差别。

根据笔者的经验，由于国内煤油规格的多样性以及氧气纯度的差别（注：现客户多用Exxonmobil的D60等溶剂替代航空煤油），还有设备保养状况的不同，在喷涂HVOF涂层时，不可迷信所谓标准喷涂参数，必须分析获得涂层的组织、气孔率、硬度等结果，然后进行参数优化。一般来说，涂层中出现球形颗粒，说明火焰温度太低，根据图10来提高火焰温度；如涂层气孔率较高，一般是朝着提高燃烧室压力方向调整；氧化物含量高，一般朝着燃烧室压力高而火焰温度低的方向调整。

3 涂层表面粗糙度的控制

随着钢铁、包装等行业的迅速发展，对HVOF涂层的表面粗糙度提出越来越多的要求。过去许多厂家采用调整喷砂工艺，用常规-45/+15微米的粉末喷涂来获得不同的粗糙度。但喷砂控制范围十分有限，过度喷砂会在基底表面形成内应力、形成倒钩和砂粒镶嵌，对涂层性能不利。

另外一种常用的粗糙度控制方法是采用喷涂不同粒度分布的粉末来获得。图14是不同平均粒度的WC/12Co粉末获得的喷涂态粗糙度。涂层喷涂态的粗糙度可以在2－7微米间调节。图15为不同的粉末粒度范围与粗糙度的对照。

随着HVOF超音速火焰喷涂的广泛应用，必然会出现大量的新需求和新问题，我们希望与业界同行加强交流，共同促进我国HVOF应用水平的提高。