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火焰喷涂法是以氧一燃料气体火焰作为热源，将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并以高速喷射到经过预处理的基体表面上，从而形成具有一定性能涂层的工艺。火焰喷涂设备简单，是发展最早的一种喷涂工艺，现在应用仍十分广泛。 火焰喷涂依据喷涂材料的外形分为熔丝法、熔棒法和粉末法三种。熔丝法应用于能够形成丝材的各种金属与合金。该法亦可采用填充陶瓷粉（如氧化铝）的线段状塑料管作喷涂材料（热喷涂时塑料蒸发），也称线（丝）材火焰喷涂。熔棒法以陶瓷（氧化铝、氧化铅、硅酸盐等）制成棒状作喷涂，也称为棒材火焰喷涂。而那些不易制成丝材（铝锌合金、自熔合金等）的合金粉和低熔点（低于2 500qC）的陶瓷粉，则以采用粉末法送入火焰为宜，称为粉末火焰喷涂。 随着社会的发展和科技的进步，现在又出现了很多种新型的火焰喷涂方法。例如爆炸火焰喷涂、超音速火焰喷涂、反应火焰喷涂等。 1．线（丝）材火焰喷涂 线材火焰喷涂原理如图3.4所示。喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气，乙炔和氧气混合后在喷嘴出口处产生燃烧火焰。喷枪内的驱动机构通过送丝滚轮带动线材连续地通过喷嘴中心孑L送入火焰，在火焰中祓加热熔化。压缩空气通过空气帽呈锥形的高速气流，使熔化的材料从线材端部脱离，并雾化成细微的颗粒，在火焰及气流的推动下，喷射到经过预处理的基材表面形成涂层。为适应不同直径和不同材质的线材，可采用不同的喷嘴和空气帽，并调节送丝速度。在特殊场合下，也常用惰性气体作雾化气流。 线材端部的熔化状态取决于火焰和材料的性质。由于熔化金属的黏性，在气流作用下，当维持到表面张力达到最大时，熔粒才脱离，因此熔粒脱离一般是周期性的发生。从雾化区出来的粒子到离喷嘴5。30 mm距离，随同气流被加速，粒子飞行速度一般是60 -250 m/s。随着离喷嘴距离和直径的增加，飞行速度降低，如图3.5所示。
图3.4线材火焰喷涂原理示意图 1-涂层；2-燃烧火焰；3-空气帽；4-气体喷嘴；5-线材或棒材；6-氧气；7-乙炔；8-压缩空气；9-喷涂射流；10-基体
图3.5不同距离下粒子飞行速度 1-气流运动的大概速度；2-极少数粒子的运动速度；3-直径约为10μm粒子速度；4-直径约为40μm粒子速度；5-直径约为100μm粒子速度；6-直径约为200μm粒子速度 粒子的尺寸取决于燃烧时形成的气体压力、线材输送速度、喷嘴结构及雾化空气压力。在喷涂钢和铜时，全部粒子中约500-/0的粒子直径为50―100 Vm，约35%的粒子直径低于50μm，15%的粒子直径在100 μm以上，接近400 lcm。喷涂锌、铝时，30%粒子直径为50μm，70%的粒子直径小于50μm。飞行的粒子，如钢、铜具有球形的熔粒形状，锌、铝粒子呈不规则的形状。 线材火焰喷涂操作简便，设备运转费用低，因而获得广泛应用。线材火焰喷涂的主要特点是： ①可以固定，也可以手持操作，灵活轻便，尤共适合于户外施工。 ②凡能拉成丝的金属材料几乎都能用来喷涂，也可以喷涂复合丝材。 ③可以适应低熔点的锡到高熔点的钼材料的喷涂。 ④空气雾化和推动熔粒，射流较集中，沉积效率及涂层结合强度较高。 ⑤工件表面温度低，不会发生变形，甚至可以在纸张、织物、塑料上喷涂。 2．棒材火焰喷涂 图3.6为陶瓷棒火焰喷涂原理简图。陶瓷棒火焰喷涂是利用氧乙炔燃烧的热源，将连续、均匀送入火焰中的陶瓷棒加热、熔融，再通过高压气体雾化成微粒状，直接喷射到预先处理过的工件表面，连续沉积形成涂层。常用陶瓷材料为Cr2 03、A1203 .ZrSi04、2r02等。 陶瓷棒材火焰喷涂具有涂层质量好、结合强度高、孔隙率低、涂层硬度高等优点；能够生产不同的耐磨、耐蚀、耐高温、抗黏结涂层；能够精确控制涂层的厚度和表面特性；对体 热影响小；涂层的覆盖性强，无死角；操作简单，便于携带，便于现场施工。广泛应用于零部件耐磨损、耐冲刷、耐高温、耐腐蚀涂层及绝缘涂层的制备。
图3.6棒材火焰喷涂原理简图 3．粉末火焰喷涂 粉末火焰喷涂是利用预混氧气及乙炔在喷嘴外燃烧产生的热能加热粉末材料，依靠焰流的推力，将加热熔化的粉末喷射到预处理表面形成涂层。由于工艺操作简便以及粉末喷涂材料品种的增多，该方法的应用相当广泛。喷涂原理如图3.7所示。喷枪通过气阀分别引入乙炔和氧气，经混合后，从喷嘴环形孔或梅花孔喷出，产生燃烧火焰。喷枪上设有粉斗或进粉管，利用送粉气流产生的负压抽吸粉斗中的粉末，使粉末随同气流从喷嘴中心喷出进入火焰，被加热熔化或软化，焰流推动熔粒以一定速度喷到工件上。为了提高熔粒速度，有的喷枪设有压缩空气喷嘴，压缩空气对熔粒产生推力。对于与喷枪分离的送粉装置，借助压缩空气或者是惰性气体，通过软管将粉末送人喷枪。
图3.7粉末火焰喷涂原理示意图 1-氧一乙炔混合气体；2-送粉气；3-喷涂粉末；4-喷嘴；5-燃烧火焰；6-涂层；7-基体 根据燃烧火焰焰流速度及燃烧方式，粉末火焰喷涂可以分为普通火焰粉末喷涂、高速 火焰喷涂和爆炸喷涂。氧一乙炔火焰粉末喷涂是较普遍采用的方法，与其他热喷涂方法相比，主要有设备简单、轻便、投资少；操作工艺简单，容易掌控，现场施工方便，便于普及；遁于机械部件的局部修复和强化，成本低，效益高；涂层的气孔率较高，涂层的残余应力较小等特点。 由于以上特点，火焰粉末喷涂方法广泛用于在机械零部件和化工容器、辊筒表面制备耐蚀和耐磨涂层。在无法采用等离子喷涂的场合（如现场施工），用火焰粉末喷涂法可方便地喷涂粉末材料，对喷枪喷嘴部分作适当变动后，可用于喷涂塑料粉末。 如汽车发动机曲轴轴颈部位的磨损过量和拉伤，采用氧一乙炔火焰粉末喷涂方法修复，不仅能防止工件变形而且修复后工件的性能和安全都满足工况的使用要求。用镍包铝或铝包镍粘结底层材料打底，用Ni320粉末作工作层材料。经装车运行20 000 km后检测，喷涂过的轴颈磨损量是未喷涂轴颈的1/3。1/2。此外，对连杆瓦孔座、凸轮轴、半轴、转向节及多种零件也能进行喷涂修复，经在国产进口各种型号汽车上应用，效果很好。 1．线材火焰喷涂设备 典型的线材火焰喷涂设备的组成如图3.8所示。
图3.8线材火焰喷涂设备组成示意图 喷枪是主要的喷涂工具，分为等压式喷枪和射吸式喷枪。射吸式喷枪是通过载气气流吸入乙炔气，操作方便，使用安全，是常用的枪型。喷枪中驱动丝材的动力分气动式和电动式，气动式又分为气动涡轮式和气动马达式。为了调节丝材的送进速度并能自动稳定，喷枪有自身或附加的调速器。调速器随着采用的动力不同，有机械的、机电的、电子的、风动的等。 国内目前仅生产手持射吸式SQP-I型线材气喷枪，外形如图3.9所示。该喷枪从结构上由机动部分、混合头都分及手柄部分组成。机动部分驱动丝材并能调节送丝速度，混合头部分是控制氧气、乙炔、空气开关的重要机构。通过旋动阀杆手柄可使三种气体按所需要的顺序配气，以达到确保点火和正常喷涂的目的。 SQP-I型气喷枪分高速、低速两种规格，前者用于喷涂锌、铝等低熔点金属；后者用于喷涂钼、钢等高熔点金属。 氧气及乙炔系统由气源、压力及流量调节装置、回火防止器以及输气管道等组成。对于火焰喷涂，供给喷枪的氧气和乙炔的压力和流量应能在规定的工作参数范围内连续调节，并能有参数指示和确保操作安全的装置。通过调节阀能方便地调节气体压力和流量，并通过串接回火防止器确保喷涂过程中的安全。 为了确保涂层质量，供给喷枪的压缩空气除了有压力和流量的要求外，还必须是干燥和洁净的，即无水无油。因此压缩空气供给系统应该包括空气压缩机和空气净化装置。
图3.9 SQP-1型气喷枪外形 l-混合头部分；2-送丝滚轮压帽；3-导丝管；4一阀杆旋钮；5-调速旋盘；6-机动部分；7-手柄部分 2．粉末火焰喷涂设备 氧一乙炔火焰粉末喷涂设备的组成与线材火焰喷涂一样，也是由氧气及乙炔供给系统、压缩空气供给系统、喷枪等部分组成。气体供给系统与线材火焰喷涂完全相同，气体控制屏可以通用，所不同的是喷枪，当喷枪不需要附加压缩空气时，则不需要压缩空气供给设备。在枪外供粉的情况下，需要附加送粉装置。 氧一乙炔火焰粉末喷枪的种类较多，但都是由火焰燃烧系统和粉末供给系统组成，由于在结构上的差异和特点，形成了一系列枪型，下面介绍国内常用的两种型号。 (1) SPH-E型两用枪 所谓两用枪是既可喷涂，又可用于自熔性合金喷焊的喷枪。 ． SPH-E型两用枪的外形结构如图3.10所示，枪内结构如图3.11所示。喷枪有四个控制阀：氧气控制阀（O阀）；乙炔控制阀（A阀）；送粉气体控制阀（T阀）；粉末流量控制阀(P阀)。氧气进入喷枪后，分成两路，一路经T阀进入送粉体喷射孔，产生射吸作用抽吸粉末；另一路经O阀进入射吸室产生负压抽吸乙炔，．两种气体在混合室混合后从喷嘴环孔喷出，产生燃烧火焰。P阀相A阀可分别控制送粉量和乙炔流量。该枪还设置有快速安全阀和备用进气接口。在喷涂完毕后，只要向后扳动快速安全阀，就立即切断各路气体。当再次喷涂时，只要向前扳动，点火后，火焰的气体参数和送料量均不变。备用进气接口可以在需要时接入压缩空气或惰性气体，以提高粉末在火焰中的流速。
图3. 10 SPH-E型两用枪外形 l-喷嘴；2-送粉气体控制阀（T阀）；3-支柱；4-乙炔控制阀（A阀）；5-氧气控制阀（O阀）；6-手柄；7-快速安全阀；8-乙炔进口；9-氧气进口；10-备用进气口；11-粉末流量控制阀(P阀)；12-粉斗座；13-粉罐
图3. 11 SPH-E两用枪内部结构 1-乙炔进口；2-氧气进口；3-备用进气口；4-氧气控制阀；5-乙炔控制阀；6-粉末流量控制阀；7-送粉气体控制阀；8-粉罐；9-喷嘴；10-送粉气体喷射孔；11-手柄；12-快速安全阀 SPH-E型两用枪使用的喷嘴有环形和梅花形两种，结构如图3.12所示。梅花形喷嘴有12个咖0.8 mm或8个币1 mm的小孔，特点是火焰功率大，但速度较低，一般用于喷涂。环形喷嘴功率较小，但速度较高，不易回火，适应性宽，可用于喷涂和喷焊。SPH-E型两用枪可使用JOG 50型接长管，用于内孔喷涂。使用接长管时，先拆下喷枪上的喷嘴，然后在喷嘴位置装上接长管即可。
图3.12环形喷嘴和梅花形喷嘴 1-喷嘴体；2-喷嘴套 (2) SPH-E2000型喷涂枪 SPH-E2000型喷涂枪是20世纪90年代国际先进水平的枪型。该枪在枪体结构上和SPH-E墅枪相同，但在喷嘴和送粉结构上比SPH-E型枪有更优异的性能。喷嘴系统内有三种火焰喷嘴和三种空气喷嘴，压缩空气接管直接通往喷嘴部分，在空气喷嘴作用下形成气帘。环形喷嘴与相应的收敛型空气喷嘴配套使用时，形成锥形气帘，对火焰具有“压缩效应”，提高了热流密度，因而在同等功率下，热焓值较高，粉末熔化较充分，故沉积效率提高，如喷涂镍基自熔性合金时，沉积效率高达900-/0以上。梅花形喷嘴与相应的空气喷嘴配套使用时，火焰功率大，有最高的喷涂速率和沉积效率。如喷涂自熔合金时，喷涂速率达9 kg/h，沉积效率达90%以上。当送粉速率最大时，空气帘可冲淡粉末蒸发的烟雾，从而保证了涂层质量。锥形梅花喷嘴与相应的加速空气喷嘴配套使用时，可将粉末强追送入火焰的焰心内，延长了粉末在火焰中的停留时间，熔融的粉末微粒喷出后，又被空气加速。这套喷嘴最适用于喷涂陶瓷等高熔点材料，如喷涂Al2 03 +130-/0 Ti02陶瓷粉末时，沉积效率也高达800-/0以上，这些特点是一般粉末火焰喷枪所无法比拟的。该枪的另一个特点是在粉斗座内设有平衡过滤系统。在正常工作情况下，过滤网阻止粉末漏出。当粉斗内形成负压时，平衡过滤系统自动供气，保持粉斗内的压力，因此在喷涂微细粉末时，不加振动器也能保证送粉畅通。 1．火焰喷涂材料 火焰喷涂可以喷涂的材料很多，可以使用其他方法进行喷涂的材料都可以进行火焰喷涂。喷涂的材料主要包括： ①各种金属及合金线材。如锌及锌合金线材、铝及铝合金线材、铜及铜合金线材、钼及其合金喷涂丝等。 ②复合喷涂线材。复合喷涂线材是把两种或两种以上的材料复合而制成的喷涂线材。复合喷涂线材中大部分是增效复合喷涂线材，即在喷涂过程中不同组元相互发生热反应生成化合物，反应热与火焰热相叠加，提高了熔粒温度，从而提高了涂层的结合强度。常用的复合方法有五种。即丝一丝复合法．将多种不同组分的丝铰轧成一股；丝一管复合法，将一种或多种金属丝穿人某种金属管中压轧而成；粉一管复合法，将一种或多种粉末装入某种金属管中加工成线材；粉一皮压结复合法，将粉末包覆在金属丝外；粉一胶黏剂复合法，把多种粉末用胶黏剂混合挤压成线材。 ③合金粉末。包括自熔性合金粉末，如镍基自熔性合金粉末、钴基自熔性合金粉末和铁基自熔性合金粉末，以及复合粉末，如镍一铝复合粉末。 ④陶瓷粉末。包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物及硅化物粉末，常用的热喷涂陶瓷粉末主要有Al2 03、2r02 .Ti02 .WC、Cr2 03等。 ⑤塑料。塑料涂层具有美观耐蚀的性能，若在塑料粉末中添加硬质相，还可使涂层具有二定的耐磨性。例如，聚乙烯涂层可耐250℃温度，在常温下耐稀硫酸、稀盐酸腐蚀，具有耐浓盐酸、磷酸腐蚀的性能，而且具有绝缘性和自润滑性。常用的塑料有尼龙、环氧树脂等。 2．火焰喷涂燃料 火焰喷涂法常用的燃料有乙炔、氢气、液化石油气和丙烷。火焰喷涂法燃料的发展趋势是使用液体燃料，例如重油和氧作热源，粉末与燃料油混合，悬浮于燃料油中。此法与其他方法相比，粉末在火焰中有较高的浓度并分布均匀，热传导性更好。很多氧化物材料（例如氧化镪、氧化硅、富铝红柱石-A16Si2013）宜采用火焰喷涂法进行喷涂。 火焰喷涂工艺包括工件表面准备、预热、喷涂底层、喷涂工作层和涂后处理。 表面制备包括表面清理及表面粗糙两个工序。 预热有利于熔粒的变形和相互咬合，提高沉积率，降低涂层的内应力，去除工件表面的水分。预热温度不宜过高，对于普通钢材一般控制在100。150℃为宜。可直接用喷枪预热，但要使用中性焰或轻微碳化焰，也可采用电阻炉等预热。工件预热是安排在表面准备工艺之前还是之后对涂层的结合强度也有很大影响。条件允许时，最好将预热安排在表面准备之前，防止预热不当产生表面氧化膜与涂层结合强度降低。 工件表面处理好之后，为增加涂层和基材的结合强度，一般在喷涂工作之前，先喷涂厚度约0. 10―0. 15 mm的放热型的镍包铝或铝包镍粉末作为打底层。喷涂镍一铝复合粉末时，应使用中性焰或者是微碳化焰。另外，选取的粉末粒度以180一250目为宜，以避免产生大量的烟雾及其沉积导致结合强度下降。喷涂时，要掌握和控制喷涂材料的性质、火焰的性质以及热源的功率、喷涂材料的供给速度、雾化参数、喷涂距离、喷涂角度和喷涂的移动速度等，以获得高质量的涂层。 火焰喷涂层是有孔结构，在腐蚀条件下工作时，需要将空隙密封。常见的封孔剂有石蜡、酚醛树脂、环氧树脂等。密封用的石蜡是指有明显熔点的微结晶石蜡，其中美国Metc0 185密封剂具有耐盐、淡水和几乎所有酸、碱性能。酚醛树脂封孔剂适用于密封金属及陶瓷涂层的孔隙，这种封孔剂具有良好的耐热性，在200℃以下可连续工作，且除强碱外，可耐大多数有机化学试剂的腐蚀。 |
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