線材火焰噴涂原理
圖1為火焰噴涂方法的基本原理示意圖。噴槍通過氣閥分別引入乙炔、氧氣和壓縮空氣，利用氧-乙炔燃燒火焰作為熱源，將連續(xù)、均勻送入火焰中的噴涂絲材端部加熱到熔化狀態(tài)，借助于高壓氣體將熔化狀態(tài)的絲材霧化成微粒，噴射到經(jīng)過預(yù)先處理的工件表面形成涂層。
圖1 線材火焰噴涂基本原理圖
1－基材；2－涂層；3－噴涂束流；4－熔融材料；5－火焰；6－線材或棒材；
7－氧氣；8－燃料氣；9－霧化氣；10－氣體噴嘴。
火焰線材噴涂裝置簡(jiǎn)單、操作方便；容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻的送料，噴涂質(zhì)量穩(wěn)定；噴涂效率高，耗能少。但絲材制造受到拉絲成型工藝的限制。
線材火焰噴涂設(shè)備
典型火焰線材噴涂系統(tǒng)如圖2所示，主要包括有線材火焰噴槍、氧氣、燃?xì)夂蛪嚎s空氣控制裝置、送絲裝置和供氣系統(tǒng)四部分組成。
1－空氣壓縮機(jī)；2－空氣干燥器；3－儲(chǔ)氣罐；4－乙炔瓶；5－氧氣瓶；6－氣體流量表；
7－空氣凈化器；8－空氣控制器；9－空氣流量表；10－絲架；11－噴槍。
（1）噴槍
噴槍是火焰線材噴涂設(shè)備中最關(guān)鍵的部件。用于噴涂線材的火焰噴槍，按氧-燃?xì)獾囊M(jìn)方式可分為射吸式和等壓式兩種，射吸式噴槍是利用氧氣氣流吸入乙炔氣，操作方便，使用安全。按送絲動(dòng)力可分為氣渦輪送絲和電機(jī)送絲兩種。我國(guó)設(shè)計(jì)的噴槍多為射吸式。
SQP-1型氧-乙炔火焰線材噴槍是由上海噴涂機(jī)械廠自行設(shè)計(jì)的射吸式火焰線材噴槍（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)），主要性能見表1，是目前國(guó)內(nèi)最常用的火焰線材噴槍，它以線材的金屬材料為噴涂材料，以氧-乙炔火焰為熱源，送絲動(dòng)力氣源為氣渦輪，可手持和機(jī)夾，該槍的外形和結(jié)構(gòu)如圖3所示。
表2 SQP-1型火焰線材噴槍性能
序號(hào)
項(xiàng)目
性能和數(shù)據(jù)
序號(hào)
項(xiàng)目
性能和數(shù)據(jù)
1
型號(hào)
SQP-1吸射式
12
氣體表壓力/MPa
氧氣
0.3~0.7
2
操作方式
手持固定兩用
乙炔
0.03~0.1
3
動(dòng)力源
壓縮空氣吹動(dòng)汽輪
空氣
0.4~0.8
4
調(diào)速方式
離心力-離合器
13
氣體消耗量
氧氣
2.5
乙炔
0.7
5
質(zhì)量
≤1.8kg
空氣
30
6
外形尺寸/(mm)
90×180×215
14
噴涂效率
/kgh-1
80鋼
Ф2.3
1.8
7
使用熱源
氧-乙炔火焰
鋁
Ф3.0
2.7
8
火花束角度
4°
鋅
Ф3.0
3.2
9
引力/N
≥65
A12O3
Ф2.2
0.4
10
線材直徑
/(mm)
Ф2.3、Ф3.0
低碳鋼
Ф3.3
2
11
噴射時(shí)顆粒直徑(鋼)/um
4~40
不銹鋼
Ф2.3
1.8
銅
Ф3.0
4.3
鉬
Ф2.3
0.9
圖3 SQP-1型線材火焰的噴槍外形和結(jié)構(gòu)圖
1－噴嘴部分；2－絲材；3－掛鉤；4－送絲滾輪；5－風(fēng)機(jī)部件；6-氣體開關(guān)
（2）控制裝置
氣體燃料、氧氣、壓縮空氣的壓力與流量是影響涂層性能的重要參數(shù)，一般需要采用調(diào)壓器和流量計(jì)同時(shí)進(jìn)行控制。通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣體的壓力和流量，并通過串聯(lián)回火防止器確保系統(tǒng)安全。
（3）送絲機(jī)構(gòu)
由絲材盤架和送絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，送絲機(jī)構(gòu)取決于槍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)裝置，為了能夠?qū)⒔z材均勻地送入火焰中，一般使用可使盤狀絲材回轉(zhuǎn)送出的送絲裝置。
（4）供氣系統(tǒng)
火焰線材噴涂必須氧氣、燃?xì)?、壓縮氣體三氣俱全?；鹧婢€材噴槍最好選用瓶裝氧氣，乙炔氣和經(jīng)干燥、凈化處理的壓縮空氣（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。乙炔氣最低限度也要用中壓發(fā)生器產(chǎn)生的乙炔氣，并且要能保證足夠的供氣量。壓縮空氣壓力、流量都必須滿足噴槍說明書的要求（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。壓縮機(jī)后應(yīng)接有空氣換熱排污器及油水分離器，以除去壓縮空氣中所含的水分和油。對(duì)“三氣”性能要求見表2。
表2 氧氣、乙炔、壓縮空氣的要求
名稱
分子式
純度/%
最高壓力/MPa
最大流量/m3·h-1
備注
氧氣
O2
≥99.2
>0.7
>2.5
—
乙炔
C2H2
≥99.0
>0.1
>0.7
—
空氣
—
—
>0.7
>30
清潔干燥
線材火焰噴涂工藝
火焰線材噴涂層能改善基體材料的表面特性。涂層的質(zhì)量取決于噴槍的性能和金屬絲的質(zhì)量，合理的選擇噴涂工藝方法和工藝參數(shù)也是確保涂層質(zhì)量的重要因素之一（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。噴涂工藝參數(shù)的變化將影響涂層的噴涂效率、沉積效率、結(jié)合強(qiáng)度、內(nèi)應(yīng)力和組織狀態(tài)等。氧—乙炔線材火焰噴涂的工藝如下：
（1）氧-乙炔火焰的選擇
火焰性質(zhì)對(duì)涂層質(zhì)量的影響，對(duì)不同材料會(huì)得出不同的效果。只有根據(jù)噴涂材料特性，涂層工作環(huán)境，來選用適宜的火焰性質(zhì)，才能更好地提高噴涂效率和涂層質(zhì)量。
中性火焰燃燒殘余物少，能提高噴涂效率和噴涂質(zhì)量，節(jié)約能源，是火焰線材噴涂時(shí)最常用的火焰，常用的金屬線材（如：鋅、鋁、鋼、銅、不銹鋼等）都采用中性火焰進(jìn)行噴涂作業(yè)。
氧化焰在噴涂合金鋼、不銹鋼、鋁之類材料時(shí)，則會(huì)增加涂層材料中的碳和合金元素的燒損，使涂層中的氧化物含量增高，耐蝕性下降，因此一般不用。
還原焰中若乙炔含量過高，火焰的穩(wěn)定性和剛度將下降，只是在噴涂鋁、不銹鋼材料時(shí)使用微還原焰可以減少涂層中氧化物含量和合金元素的燒損，提高涂層的耐蝕性能（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。
（2）氣體壓力和流量的選擇
如采用不同型式的噴槍，其噴涂參數(shù)可能不同，應(yīng)根據(jù)每把槍的使用說明書進(jìn)行調(diào)整。采用SQP-1型噴槍時(shí)，由于是射吸式，一般氧氣壓力選用0.3~0.7 MPa；乙炔壓力選用0.03~0.10 MPa；壓縮空氣是氧-乙炔火焰線材噴涂中不可缺少的氣源之一，是線材熔化后形成微小粒子并噴射到工件表面動(dòng)力的主要來源，在噴涂過程中，提高壓縮空氣的壓力（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)），既能使絲材熔滴獲得高的動(dòng)能，又能使熔滴保持高的溫度，對(duì)提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和涂層的致密度都非常有利，但壓力和流量過大將使火焰的溫度降低，造成粒子熔化不良，也會(huì)影響涂層質(zhì)量（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)），因此，壓縮空氣的壓力與流量也要根據(jù)火焰的參數(shù)進(jìn)行匹配選擇。一般氧-乙炔噴涂時(shí)選用壓縮空氣的壓力為0.4~0.8 MPa。
燃?xì)饬髁亢脱鯕饬髁康拇笈c小，可決定火焰的長(zhǎng)度。采用SQP-1型噴槍當(dāng)火焰為中性焰時(shí)，隨著氧-燃?xì)饬髁康脑黾樱鹧娴拈L(zhǎng)度明顯增加，焰流速度也增加，達(dá)到提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，減少涂層的孔隙率，改善涂層質(zhì)量的目的。
（3）噴涂距離的選擇
選擇合適的噴涂距離，對(duì)涂層的質(zhì)量影響很大，若選用過小的噴涂距離，絲材的熔滴溫度就高，動(dòng)能也大，有利于提高涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度。但是，氧-乙炔火焰?zhèn)鬟f給基體表面的溫度增高（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)），容易引起基體的熱變形，而且對(duì)加熱基體也會(huì)因?yàn)橥繉优c基體間熱膨脹系數(shù)的差異而引起涂層中新的應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致涂層的開裂和剝落。噴涂距離過大時(shí)，絲材熔滴的溫度和動(dòng)能下降，會(huì)降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和涂層的致密度（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。因此，噴涂時(shí)的理想情況是在對(duì)基體幾乎不產(chǎn)生熱變形的條件下，盡可能選用較小的噴涂距離。
粒子的最高飛行速度同噴涂時(shí)所用的燃?xì)狻⒀鯕饬髁?，壓縮氣體壓力的大小有非常大的關(guān)系（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。當(dāng)三種氣體都增加時(shí)，粒子的飛行速度將增加，而且最大速度的位置前移，此狀態(tài)時(shí)，噴涂距離可以選擇較大些。
在通常的工藝參數(shù)下，絲材熔滴飛行的最大速度在噴涂距離為100 mm左右處。因此，氧-乙炔焰絲材噴涂距離一般選為100~150 mm，對(duì)于放熱型復(fù)合絲材，噴涂距離可加大到150~200 mm。
（4）絲材直徑和絲材送進(jìn)速度的選擇
在氧-乙炔焰絲材噴涂中，選用的絲材直徑越大，可以提高噴涂的效率和降低涂層的含氧量（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。但是選用大直徑的絲材進(jìn)行噴涂時(shí)，受到噴槍功率的限制。國(guó)產(chǎn)SQP-1型氧-乙炔焰絲材噴槍選用的絲材直徑為2.3 mm和3 mm兩種。美制12E型氧-乙炔焰絲材噴槍選用的絲材直徑一般為3.77 mm和4.77 mm兩種。
絲材送進(jìn)速度取決于絲材本身的熔點(diǎn)和氧-乙炔焰參數(shù)的最佳條件。當(dāng)氧-乙炔焰參數(shù)為最佳條件時(shí)，由于火焰能量大、穩(wěn)定性好，絲材也可處于最佳的加熱狀態(tài)，絲材的送進(jìn)速度可以偏高些（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。但是，當(dāng)絲材的送進(jìn)速度過高時(shí)，會(huì)造成絲材熔滴出現(xiàn)熔化不均勻的現(xiàn)象。因此，在確保涂層質(zhì)量的前提下，必須選用較高的絲材送進(jìn)速度，以便提高噴涂效率。當(dāng)絲材的送進(jìn)速度過低時(shí)，絲材熔滴出現(xiàn)細(xì)密狀顆粒，造成涂層含有較多的氧化物，會(huì)降低涂層的性能和噴涂效率（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。比較合適的送絲速度，得到的金屬霧化粒子的尺寸約在20~70 μm。每一種噴涂材料其噴涂時(shí)送絲速度是不同的。使用QX-1型噴槍可以通過觀察線材在火焰中伸出空氣帽的長(zhǎng)度判斷送絲速度是否合理（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。一般熔點(diǎn)高于750 ℃的金屬材料，如：碳鋼、不銹鋼絲等，其伸出長(zhǎng)度約在3~5 mm，而熔點(diǎn)低于750 ℃的鋅、錫、鉛、巴氏合金等其伸出空氣帽長(zhǎng)度可大于5 mm以上。
國(guó)產(chǎn)SQP-1型氧-乙炔焰絲材噴槍具有中速和高速兩種送進(jìn)速度。對(duì)于高熔點(diǎn)絲材和氧化物絲材，其直徑為2.3 mm時(shí)，則一般選用中速檔（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）；對(duì)熔點(diǎn)較低的金屬絲材，其直徑為3 mm時(shí)，則一般用高速檔。
（5）噴槍與基體表面的相對(duì)移動(dòng)速度的選擇
噴槍與基體表面的相對(duì)移動(dòng)速度，對(duì)涂層質(zhì)量和基體的熱變形有一定的影響。當(dāng)相對(duì)移動(dòng)速度過慢時(shí)，基體表面溫度升高，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)表面氧化和熱變形。同時(shí)基體表面出現(xiàn)的熱膨脹與涂層出現(xiàn)的冷凝收縮，均發(fā)生在它們之間的接觸面上，使之出現(xiàn)較大的拉伸應(yīng)力，降低了涂層與基體表面之間的結(jié)合強(qiáng)度（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。所以，除及時(shí)冷卻涂層外，正確選擇噴槍與基體表面的相對(duì)移動(dòng)速度是很重要的。
線材火焰噴涂設(shè)備
火焰線材噴涂可以直接、快速、方便地在鋼結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)罐、機(jī)械零部件表面制備耐腐蝕、抗氧化、耐磨損、導(dǎo)電、屏蔽等金屬及復(fù)合材料涂層。還可以在水泥、木材、石膏等非金屬表面制備具有裝飾性的金屬涂層，目前該技術(shù)的應(yīng)用已遍及各行各業(yè)（熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)）。
為使涂層性能達(dá)到使用要求，在應(yīng)用火焰線材噴涂涂層時(shí)，應(yīng)考慮涂層的如下特點(diǎn)：
（1）涂層與基體的結(jié)合是機(jī)械錨接形式，涂層與涂層的母材相比更脆、更硬、耐磨性更好。但它不適合在沖擊載荷下使用。
（2）涂層一般都有孔隙，在有腐蝕介質(zhì)環(huán)境中使用，涂層必須進(jìn)行封閉處理。
（3）涂層形成過程中，有元素?zé)龘p和氧化反應(yīng)。對(duì)涂層進(jìn)行熱擴(kuò)散處理時(shí)，則需考慮元素?zé)龘p和氧化物的含量。
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：熱噴涂與再制造
