高速低温喷涂气固作用行为及喷涂系统研究进展

高速低温喷涂是利用固相或含固相的低温粉末在高速度、高动能作用下碰撞基体表面沉积的喷涂方法,具有氧化轻微、结合牢固、组织致密、综合力学性能优异等潜在优势,在高性能金属或金属基复合材料涂层制备、增材制造和零件损伤修复等领域获得广泛关注。以粉末低温高速碰撞沉积过程为主线,凝练现有冷喷涂和低温超音速火焰喷涂两种具体工艺的共性特征,阐明喷涂气流与粉末颗粒的气固两相交互作用规律,分析出合理调控颗粒温度和速度是改善沉积体性能的关键。其次分析高速低温喷涂设备系统的构成,详细讨论各核心部件的结构设计策略及对气固流动行为的影响,总结出通过调整工艺参数与喷枪结构,可以实现颗粒温度和速度的按需控制。最后,对高速低温喷涂工艺及设备系统发展目前尚存的关键问题进行展望。总结如何通过喷涂参数与装置设计,最终达成调控沉积体性能的目的,有助于深入理解高速低温喷涂的沉积机理,对研制高性能的喷涂设备系统具有参考意义。

喷距对低温超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层性能的影响

以粒度为5--15μm的WC-10Co4Cr为热喷涂粉末,采用低温超音速火焰喷涂（LT-HVOF）技术制备WC-10Co4Cr涂层,并利用粒子收集技术研究喷距对涂层显微结构和性能的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）、粗糙度测试仪和显微硬度仪分别对涂层的显微结构、粗糙度、硬度和韧性进行测试分析。实验结果表明：WC-10Co4Cr涂层的显微硬度（HV0.3）和致密度随着喷距的增大而降低,分别由喷距100 mm时的1 484.19和0.5%降低至喷距310 mm时的930.50和2.2%;涂层的结构和性能与粉末在焰流中的熔融状态和飞行速度相关,喷距在100~190 mm范围内粉末呈未熔化状态,220~310 mm范围内呈微熔化状态,粉末的飞行速度随喷距的增加呈下降趋势;粉末呈微熔化状态时断裂韧性与HVOF涂层相当且明显高于粉末呈未熔化状态的断裂韧性;优化的喷涂距离为220~280 mm,该段距离内可以获得涂层粗糙度约为2μm、孔隙率小于1%、显微硬度大于1 018（HV0.3）、断裂韧性大于3.323 1 MPa·m1/2的涂层。

Ti-Ni低温超音速火焰喷涂层及激光处理后的特征

低压等离子喷涂制备的Ti-Ni涂层性能优异,但成本高、效率低。以镍包钛为粉末,采用低温超音速火焰喷涂技术制备了Ti-Ni涂层,并在惰性气氛保护下对涂层进行激光后处理,从而获得了致密的Ti-Ni涂层。对粉末、喷涂态涂层和激光处理态涂层的结构和相组成进行了表征。结果表明:喷涂态Ti-Ni涂层次表面结构较为疏松,但内部结构致密;涂层以Ni作为Ti的黏结相,Ti没有发生熔融和铺展开,两者没有发生合金化;经激光处理后,涂层表面和内部的致密度明显提高,涂层中以TiNi和Ti2Ni合金相为主,但还含有少量的Ni相存在。

Ti-Ni热喷涂层的制备及其空泡腐蚀性能

由于空泡溃灭时产生的高温高压气泡对材料损伤影响的复杂性,目前对空泡腐蚀的机理尚无统一认识。以Ni包覆Ti粉末,采用低温超音速火焰喷涂和热处理相结合的方法在316L不锈钢上制备了Ti-Ni涂层。采用SEM、XRD等对涂层的显微结构和相组成进行了表征,并与超音速火焰喷涂WC层对比,利用超声波处理仪评价了Ti-Ni涂层的空泡腐蚀性能,并分析了涂层的失效机理。结果表明,热处理态Ti-Ni涂层以Ni-Ti合金为主晶相,并含有少量的Ni3Ti和Ti2Ni,涂层的抗空泡腐蚀性能较好,优于喷涂态和WC涂层;Ti-Ni涂层的空泡腐蚀先在涂层孔隙缺陷处萌生,形成裂纹并逐渐扩展,最终导致涂层剥落。

喷距对低温高速火焰喷涂Ti涂层的影响

采用新研发的低温高速火焰喷涂在A3钢基体表面沉积了钛涂层,对涂层的显微结构和相组成进行了表征,探讨了喷距对涂层结构和相组成的影响。结果显示,涂层表面均具有较高的粗糙度,涂层的剖面分析表明涂层包含近表面疏松结构区和内部致密区。近表面疏松结构区不仅涂层的孔隙高,孔径大,而且存在较多裂纹;除80 mm喷距,其他3种喷距下涂层的内部致密区仍有较多大孔隙,80 mm喷距下可以获得涂层内部致密区的致密度达到99%,但涂层中观察到灰色的氧化物界面。XRD分析表明,钛涂层中含有一定量钛的氧化物相。利用粒子在焰流中的速度特征,发现粒子的速度随喷距的降低而提高了,分析认为高速粒子对前面沉积涂层的喷丸效应是获得致密钛涂层的关键因素。

不同工艺制备的Ni-Cr-Al-Y合金涂层及性能

采用低压等离子喷涂(LPPS)、常规超音速火焰喷涂(HVOF)和低温超音速火焰喷涂(LT-HVOF)三种工艺在铸造镍基高温合金K438基体上制备了Ni-Cr-Al-Y涂层,并对三种工艺制备涂层的显微结构、元素分布、相组成和基本性能进行对比研究。结果表明:LPPS涂层致密无层状结构,含氧量微小,具有较高的显微硬度和好的抗氧化性;HVOF涂层为典型的层状结构,含氧量高,显微硬度低,抗氧化性差;LT-HVOF涂层含氧量大大降低,具有优良的抗氧化性;三种涂层都发生了元素扩散。

低温超音速火焰喷涂MCrAlY涂层的高温氧化

采用低温超音速火焰喷涂工艺(LT-HVOF)制备了NiCoCrAlYTa合金涂层,通过静态氧化增量方法绘制氧化动力学曲线并计算氧化速率常数;用XRD、SEM及EDS表征涂层氧化后表面的物相组成、形貌和生成氧化物成分。结果表明:低温超音速火焰喷涂制备的NiCoCrAlYTa涂层在900、1000和1100℃氧化200h后,均达到完全抗氧化级。900℃和1000℃氧化时,涂层表面均形成致密连续的α-Al_2O_3层;1100℃氧化时,氧化产物可分为两层,外层为Cr_2O_3和尖晶石氧化物,内层为α-Al_2O_3。