θ枪研发背景

HVOF（超音速火焰）喷涂工艺可产生非常致密的涂层，WC分解极少，但在实际应用中仍在推广阶段，主要原因是在不同领域已经证明的，即它高昂的运行费用。同时，一些技术问题仍然没有解决，例如涂层高残余应力和低抗拉强度使HVOF技术很难产生厚涂层，在振动和其它外力下,应用在不同的工业领域，以提供更多高质量的涂层。

传统HVOF工艺

绝大部分传统HVOF喷枪在喷射火焰的出口处设置喷嘴。粉末输送至喷嘴，熔化并喷涂。以下问题使这种机构运作费用高:
1) 内送粉严格限制喷涂粉末粒子范围。粒度范围之外的粉末过度熔化在喷嘴内部阻塞，工作中喷涂系统须经常停机。目前使用的粉末粒度下限取决于材料特性，往往在10～15μm。在实际制粉中大量生产的粉末比这个粒度细，但又不容易从上述接受的粒度中分离出来。
总之，只有四分之一的成品粉末能符合上述特别的粒度要求。这样，相应的材料方面费用就很高。
2) 送粉过程中，超过推荐的送粉量，也会造成喷嘴阻塞，能达到的最大送粉率非常低，不能高效利用喷枪产生的能量。
3) 在正常操作中，喷嘴和相关的部件也会在短时间内因送粉使部件磨损，导致运行费用增高。
4) 因能量调控范围很窄，沉积的粒子状态是熔化或半熔化，使用的粉末需限定在一个很窄的范成涂层厚度限制。涂层残余应力很高，涂层受到外力时容易产生裂缝.

θ枪的特点


不粘枪 无易损件 无故障 高稳定性 

超高能量-氧气燃油（+燃气）
θ枪可使用还原焰操作，产生低氧化物含量的涂层。喷枪焰流速度在目前的各种超音速喷涂系统中是最高的。

θ枪实现无喷嘴粉末熔化和加速
不会出现粉末粘枪和堵塞，在高速下喷涂超细粉末成为可能。

空气隧道流取代喷嘴或枪管
空气隧道流聚焦喷射火焰，充分加热和加速粉末。

无易损件
可靠的无故障操作设计确保长时间运行，产生高质量涂层，运行成本低。

θ枪的结构特征

图示1

枪控制系统

θ枪通过电系统操作
通过电磁阀控制氧气和燃油流量，通过气动球阀实行线性无间断控制其启动/关闭，参数操作重现性非常高，微调可达1/100。

PC控制
θ枪系统通过PC控制（程序控制），操作员只需按动开关按钮即可.。为在短时间间隔内持续操作，系统勿需停止而只需在待机状态下启动下一次喷涂，系统可互锁并可以与喷涂机器人和辅助设备联合使用。

紧凑的结构—便于移动
θ枪控制器，包括油泵，结构紧凑可轻松移动。控制台内具有正压力，这样在尘埃和高温等恶劣环境下能正常工作。坚固结构使用不锈钢管件，在长时间的使用中几乎勿需维护。






θ枪涂层的特性
与传统的HVOF涂层相比，θ枪涂层有很多不同的特性。

1.低氧化物含量（使用超音速还原焰）
θ枪可在燃油充足的情况下持续操作，产生还原焰。在氧气和燃油平衡供应情况下，可使喷射火焰在喷枪出口的外面依然燃烧，使用压缩空气喷射流会聚，可获得高超音速能还原焰。粉末此时注入焰流，熔化或软化、半熔化并加速。这些粒子到达基材前在大气中有一段飞行距离。在这段时间里粒子与空气中氧反应的时间非常短暂，即使是熔化的粒子氧化物量也非常低。在空气中喷涂时最大限度降低氧化物量的一个方法，是将粒子投入低热量并使用HVOF工艺将粒子加速到高速。但仍有些问题，如涂层产生极高的残余压应力和低沉积率。

在θ枪喷涂过程中，充足的高热量以及高加速能量同时传递给粒子，可得到最低的残余应力和较少的氧化物量的硬涂层。虽然很难定量确认涂层氧化物数量和程度，涂层截面显示传统HVOF涂层氧化物相很多。比较相似成分的涂层，如图示2、 图示3分别显示θ枪涂层的截面和传统HP/HVOF涂层的对比。

图示3中截面可以看到在每个粒子周围有氧化物，意味着熔化或软化粒子在空气飞行过程中或在火焰中得到氧，氧化是从表面深入粒子的。θ枪的还原焰中的氧含量相比于其它喷涂工艺非常低。θ枪在喷涂某些材料时具有极大的优势，例如在喷涂碳化铬这样需要高热量才能获得高质量和最低氧化物的涂层时。


图示2 　θ枪涂层

图示3 传统HP/HVOF涂层

2.WC相的分解
θ枪涂层WC相低分解率要归功于上面提到的低氧化过程。典型的WC相分解即经常在碳化钨涂层中出现的WC→W2C分解，但含量很低，比较如下: 分别使用θ枪和传统HP/HVOF得到的WC-12%Co 涂层的X射线衍射图见图示4和图示5。

一般讲，这不同于给予粒子高热能的等离子喷涂工艺， WC→W2C的情况不会发生在超音速或HP/HVOF喷涂，当然实际上，发现有W2C和η相，这些似乎造成涂层非常硬而脆。但是这些相在θ枪的涂层中出现的几率极低。

WC涂层X射线分析


图示 4　θ枪涂层

图示 5　传统HP/HVOF涂层

3.出色的表面粗糙度（超细粉末的超音速喷涂）
众所周知，使用细粉末的等离子喷涂相比粗粉末可以使涂层具有很多优良性。使用细粉末或超细粉末产生的θ枪涂层具备以下优异性能。
1） 涂层非常致密
2） 粒子结合强度高
2） 粒子结合强度高
4） 表面粗糙度极高
5） 非常平滑的喷涂表面
6） 抗粉尘冲蚀
图示6为用超细粉末(13-2μ)制成的（WC-12%Co）的表面粗糙度，图示7为涂层截面。这种涂层可应用在胶片印刷锟上——需要非常好的镜面，也可应用在面积大或复杂外形的表面又无法加工，喷涂后可直接应用。

Filter = 2 CR
Length = 4.0 mm
Ra = 1.16 μm
Rmax = 9.59 μm
Rz = 8.30 μm
Rt = 9.25 μm
Rtm = 7.81 μm
Rpm = 4.01 μm
Pc = 62	图示6 用超细粉末(13-2μ)制成的（WC-12%Co）的表面粗糙度

图示7 超细WC涂层的截面

涂层成本的降低和应用

θ枪的研发，在降低成本的前提下产生高质量涂层，可在高能下操作保持高喷射火焰速度，同时降低涂层成本，达到以下要求:

1、材料消耗低: 选择粉末有很宽的粒度范围,特别可以使用超细粉,如:38-10μ即小于38μ的粉末。

2、高沉积率: 每个粒子均承受高热量，采用会聚的喷射火焰，提高沉积率。

3、运行成本低: 涂层的能耗最低。易损部件消耗最低。

4、喷涂时间短: 高送粉率，停机时间短。

图示8为锅炉管道碳化铬涂层。θ枪机器人系统在管道表面的任何角度都沉积相同的高质量涂层。与常规应用的手工喷涂工艺比较，对结构要求和总消耗大幅度降低，使用θ枪喷涂的碳化铬和传统HP/HVOF的参数对比见图示10。实际应用于锅炉管道的θ枪喷涂参数见图示11。

图示 8　喷涂修复锅炉管道



图示 9 θ枪喷涂的碳化铬涂层的截面，氧化物极少，未发现氧化层。

图示 10 　Cr沉积率　(%)·25NiCr　喷涂数据

θ枪系统规格说明

1.燃烧方式: 氧/燃油在火箭式燃烧室中燃烧
2.燃烧室容积: 100cc
3.点火方式: 高电压火花（6000V）
4.使用的燃料: 热燃油，柴油或1k-煤油
5.燃料油耗量: 在0.89-1.44MPa 下18-24升/小时
6.氧耗量: 在0.96-1.5MPa下600-1200升/分钟
7.枪操作压力: 0.54-0.83MPa
8.冷却水: 在0.68-0.98MPa下32-36升/分钟
9.压缩空气供给: 最低600升/分钟 最低0.5MPa
10.尺寸，重量: 100mm (O.D.)×250mmL,2Kg重(机身)



θ枪控制装置

1、控制项目:
1-1 氧气流量和开关
1-2 燃油流量和开关
1-3 压缩空气流会聚开关
1-4 送粉器开关
1-5 辅助设备开关
2、监控项目:
2-1 氧压
2-2 油压
2-3 燃烧室压力
2-4 送粉气压力（RPM）
3、控制方法:
3-1 氧气流量和燃油速度流量/电磁阀
3-2 氧和燃油的开关/气动球阀
4、操作:
通过PC自动操作（程序控制）
5、电力供应:
3相 200V 1.5KVA
6、外型尺寸、重量:
600mmW×1200mmH×500D, 60KG



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