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HVOF运作的经济分析及其局限性 |
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HVOF无疑是一种有成效的热喷涂工艺。在90年代获得飞速发展，1997年其产值约达3．375亿美元，在各种热喷涂工艺中居亚军地位。不少文章介绍了它的很多特点和优异性能，其中有些在理论上做了较深入的探讨(尽管有时碰到一些矛盾的说法)。然而，和任何其它一门技术一样，它并不是在所有情况下都是完美无缺的，在某些方面进一步改进和发展之后，它的前景更为可观。
本文从不同角度拟对HVOF在运作中的成本进行初步分析与对比，并对它们可能存在的不足及某些局限性提出疑点。
关键词 HVOF 经济成本 运作 局限性
一、概述
HVOF(高速氧一燃料火焰喷涂)问世于1982年前后，1985年在工业上得到应用。应该说，D-GUN(爆炸喷涂)涂层的优异性及对该技术的长期专利保护，在很大程度上孕育了HVOF。对涂层性能悠关重要的两大决定因素——颗粒的飞行速度及其冲击到基体表面时的温度，一直是推动热喷涂设备创新的驱动力。而等离子喷涂与HVOF恰恰是这两大要素的集中体现，前者的焰流温度可高达16000℃以上(LPPS甚至达80000℃)，而后者可使颗粒速度达到1000米／秒以上。
在以往20年中，HVOF已越过几个不同的发展阶段。在第一代产品JET KOTE之后，又相继出现了SULZER(PT)的CDS，UTP的TOPGUN。以上三种枪的热源由氧及燃气提供，水冷系统，JET KOTE的燃烧室与出口喷咀成直角配置，燃气通过一直角环口导人枪管。CDS及TOPGUN均有燃烧室和枪管，但枪管长短与配置各有不同；八十年代中期，METCO公司推出MAMOND JET(DJ)标准型，九十年代初又将2600及2700复合型投放市场，都是氧一燃气产生热源，燃气通过虹吸装置与氧混合燃烧，2600及2700复合型的风帽比DJ标准型加长，燃烧部位气冷，其余部份水冷，不设热交换器，减少了热损失，JP-5000是HOBART TAFA公司1991年推出的产品，高压操作，氧与航空煤油产生热源，在枪体后端点燃，焰流通过不同长度的枪管喷出枪外。
以上几种HVOF装置的主要不同点集中在：
1．燃烧几何空间有腔膛式和喉管式。
2．热源有氧-燃气类和氧-煤油类。
3．冷却方式有水冷、气冷和混合型。
4．送粉入口处在燃烧空间之前或之后。
5．燃烧空间与枪管配置成直线型或拐角型。
这些HVOF各具有不同特点，其喷涂层性能及操作成本也有差异。
二、HVOF的工艺特点
尽管HVOF系统有几种不同的类型，但它们具有以下共同的特点：
无论是喉管式还是腔膛式，都有一个有限的几何空间构成燃烧区域。
无论是燃气还是煤油，都会与氧在这个有限的空间进行高强度的燃烧，使气体高速膨胀，形成高压。
燃烧产物在高压驱动下形成高速气流，以两倍马赫以上的高速通过长度不等的枪管冲击枪外。
火焰温度较低，燃烧室温度通常为2926—3100℃。
三、HVOF涂层的特点
在很高的颗粒速度及较低的喷涂温度下，HVOF涂层具有下列特点：
1．涂层与基体的结合强度高，对Co—WC涂层来说，可达到90MPa以上。
2．涂层孔隙率低，通常为1%以下。
3．涂层硬度高，Co—WC涂层HV可达1490。
4．由于残余应力低，可喷涂厚涂层。
5．因温度较低，飞行时间短，喷涂碳化物基粉的氧化及相变少。
HVOF最适宜喷涂的材料是碳化物基粉，如Co-WC，WC-Co-Cr及NiCr-Cr3C2等粉末，这些材料在等离子焰流中因经受很高的温度，会导致分解脱碳与氧化，使涂层性能变差。德国研究人员以Co-WC(13／87)粉(粒度-45+10μm)作喷涂材料，用不同HVOF进行喷涂，对涂层性能作了对比，结果示于表1。表1 不同HVOF喷涂Co-WC的涂层性能
 这些研究者指出： 1．所有HVOF系统的Co-WC涂层与基体的结合强度都超过70MPa，其中大多数都超过胶粘剂的自粘强度90MPa； 2．JP5000、DJ2600和DJ2700的喷涂层具有较高的硬度(HV1340-1490)，结合强度比其它高出10-20MPa；3．喷涂过程中Co-WC相变的程度取决于粉末经受火焰温度的高低。TOP GUN粉末直接引人燃烧室，经受很高温度，相变就加大，而2600和2700系统中火焰温度被冷却空气降低，或JP5000在燃烧室之后进入火焰低温区的情况，相变就较少；4．喷涂过程中碳损失处于30-60%之间，看起来减少了碳化物的比率, 但由于Co基体溶入W和C而产生的硬化以及生成硬而耐磨的W2C和η相，它们的硬度和耐磨性并没有降低，只有C损失超过60%时，涂层硬度和耐磨性才会下降。当C损失小于60%时, 涂层硬度和耐磨性才会下降.当C损失小于30％时，硬度和耐磨性也会下降，这可能是HVOF的一个特殊表现：颗粒加热不足、熔化不充分所致。
从工业上应用的广泛性、成熟性及涂层更具优异性来看，DJ2600、2700和JP5000应该是HVOF更先进的代表，从而被人誉为HVOF的第三代产品。
四、HVOF运作成本的估算
要客观而准确地估算各种HVOF系统的操作成本是困难的。除非作为一个用户对自己的实际作业进行认真的核算。困难之处在于，设备制造厂家出于自身的考虑，所提供的数据未必一定正确。事实上，他们的估算结果往往有矛盾，差异很大。消耗品在不同地域有不同的价格、操作者的素质及习惯、选取参数的不一等等。不同的国情也会给经济分析带来歧义。 一个明显的事实是，HVOF的高速气流完全是靠大量的高强度的燃烧产物所形成并得以维持。在其运作成本中，燃料和氧气的消耗占很大比重，真正对喷涂粉末产生有效用的动能和热能所占很小，绝大部分通过水冷或气冷消散于周围环境。冷却水和压缩空气是靠HVOF系统的辅助设施来操动的，它们或多或少地也会影响到成本。在下面的估算中，人工、电力和粉末材料等项目，不在考虑之内。 JP5000采用氧气与航空煤油，DJ2600为氢气与氧气，DJ2700为丙烷或丙烯与氧气，这些HVOF系统已在航空工业等高技术领域成功应用多年，以它们为代表，对使用不同燃料及不同结构的HVOF系统运作成本，作粗略地估算。
选取三种不同的数据来源：1．国外有代表性的使用者；2．制造厂家本身；3．中国有代表性的用户。这些数据一并列入表2中，表3列入了有关消耗品在美国及中国的单价。
表2 HVOF的运作消耗费用
 
从表2可知，操作成本最低的HVOF系统，似乎应当是以丙烷为燃气的DJ2700，而燃气为氢气的DJ2600则是最高的(据说它喷涂某些粉末独具特性，尤其在水电系统得到有成效的应用)。大体看来，HVOF的平均操作费用，要比传统的火焰喷涂、电弧喷涂等方法要高出许多，甚至比等离子喷涂(APS)也会高一些，后者通常在18(N2／H2)与30(Ar／He)美元／时之间。
五、HVOF的某些局限性
HVOF的最大特点就是带给被喷涂的颗粒以极高的飞行速度，同时又具有较低的火焰温度。这些特点确实赋予涂层某些突出的特性(如很高的结合强度)，但另一方面恰恰又带来一些不足。
1．适宜喷涂的材料较少
现今喷涂材料已发展到550种以上，涂层功能几乎涉及到各种工业领域。而最能发挥HVOF特长的是喷涂碳化物基的金属陶瓷粉，在工业上得到采用的主要是Co-WC，WC-Co-Cr和NiCr-Cr3C2粉。
SULZER METCO是世界上最早推出专用于HVOF喷涂粉末系列的生产厂家，在其20余种HVOF专用粉末中，有一半是含有WC和Cr3C2的金属陶瓷粉，尽管这20余种粉末也有些涉及到恢复尺寸、耐蚀和间隙控制，但最重要的应用方面是在不同温度中的抗磨损。
不少文章论述了HVOF喷涂Co-WC，WC-Co-Cr和NiCr-Cr3C2等粉末的工艺特点及涂层性能，从中指出：高速度及较低的温度保证了粉末在喷涂中更少的氧化和失炭，从而使涂层有更高的硬度和更好的耐磨损性。 但HVOF喷涂一些金属和合金粉，优越性就未必十分突出，喷涂某些氧化物粉，甚至会出现一些问题。
2．喷涂粉末的粒度要细
由于HVOF喷涂时颗粒飞行速度很高，火焰温度又较低，粉末被加热时间仅数千分之一秒，又由于气流带动大颗粒容易被滞后(如10μm颗粒的Co-WC可达气流速度的53％，而50μm颗粒只达26％)。
3．喷涂覆盖速度不够高
喷涂Co-WC粉每小时可达9公斤或更高，HVOF设备制造厂家们常这么说。但实际上不少用户只能达到这个数量的一半，送粉率再高，生粉加多，沉积率剧减。
4．沉积效率较低
沉积效率不仅影响到涂层的生成速度，更直接影响生产成本，如果沉积效率仅50％，这就意味着粉末单价升值一倍。据SULZER METCO提供的数据：JP5000、DJ2600和DJ2700喷涂C—Cr3C2—Ni(LW5)粉，沉积效率分别为38％，43％和42％。多数中国用户认为，上述HVOF系统喷Co—WC粉，沉积效率通常低于45％，喷NiCr—Cr3C2粉，甚至30％左右。一种现象是，喷涂起始时容易沉积，但一旦生成一层硬涂层之后，沉积效率骤然降低，反弹似乎加剧。
5．枪管容易结瘤
JP5000配有长度不等的枪管，枪管的必要性和优越性在很多文章中都提到，但很少提到它经常结瘤。喷涂Co—WC可坚持30分钟左右，喷NiCr—Cr3C2粉则不到一刻。剥离结瘤是使用者头痛的一件事。
6．热利用率低
对HVOF热利用率的计算，文章不多。可以想见，大量的气体高强度燃烧、冷却水和冷气可劲地带走热量，用于粉末的热能和动能，所占很少。
7．操作不方便
JP5000这类带有水冷的HVOF系统，枪体太重，手持时间不能过长，到现场施工还要解决氧气汇气排、设置氧气加热器(减压之前需加热，否则一减压就会结冰)等等，现场施工不容易。
五、HVOF的最佳应用效果
基于HVOF所具有的特点，应该在选用之前对喷涂工件进行所谓的“涂层选择”及“喷涂方法的确定”，主导线是工况条件一涂层功能一喷涂方法，贯穿全线的是对涂层性能的要求及经济上是否合算。
1．要求高结合强度(处于高应力工作状态)、高耐磨以及工件本身的“高身价”，HVOF应该是一种首选的方法。在这种情况下，工件在工作中经受严重磨损，用其它喷涂方法或者受到局限(如喷焊引起变形)，或者涂层性能达不到预期效果，而采用HVOF则迎刃而解，尽管运作费用较高，但总体经济效益更高。如喷涂水轮机叶片、水电阀门、造纸工业中的高速辊等。
2．一些高技术领域中热喷涂的传统应用行业，如航空发动机制造业。这些部门对材料性能要求很高，而现今的冶金技术又解决不了，HVOF的出现为航空发动机整体性能的提高提供了可能。事实上这正是HVOF的重要应用成果之一。
3．喷涂Co-WC、WC-Co-Cr和NiCr-Cr3C2这些碳化物基的金属陶瓷粉，HVOF独占优势。能提供在＜850℃广泛的温度段中非常耐磨损的涂层，在＜550°C的低温段域，Co-WC的HVOF涂层已为人所熟知并获广泛应用，而NiCr-Cr3C2的HVOF涂层在解决连续退火炉炉辊、连续镀锌钢板生产线的浸没辊以及燃煤锅炉管(可从1.5 - 2.0mm的年磨损量减小到0．038mm)等工件强化保护方面，迈出了可喜的一步。(end)
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(1/6/2005) |
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