現有工藝
高速火焰噴涂（HVOF）在飛機起落架、軸承圈座、閥門(mén)及渦輪零部件等工件的耐磨涂層加工過(guò)程中被廣泛使用。在這類(lèi)產(chǎn)品常見(jiàn)的加工過(guò)程中，使用噴槍將完全或部分熔化的金屬、復合材料或者陶瓷液滴直接噴射到待加工表面。對于此類(lèi)耐磨層的加工，必須要進(jìn)行多層熱噴涂，因為每層涂層的厚度僅有 0.0002～0.0005 英寸（5.08～12.7 微米）。

為了得到致密的涂層，在噴涂過(guò)程中需要足夠的溫度（熱能）和很高的速度（動(dòng)能），這也就意味著(zhù)會(huì )有很多的能量作用于液滴及工件。同時(shí)這些能量里的很大一部分會(huì )變成熱量被工件吸收，從而造成工件溫度的升高。在熱噴涂過(guò)程中，不恰當的溫度控制將會(huì )導致一系列不好結果的出現，包括：工件和涂層過(guò)熱、熱變形、基體材料變性以及由層間溫差過(guò)大帶來(lái)的有害應力累積。這些問(wèn)題的存在最終都可能會(huì )導致涂層在服役期的異常失效。

所以，在熱噴涂工藝中，對溫度的控制是需要重點(diǎn)考慮的工藝因素之一。對于大多數熱噴涂工藝，壓縮空氣是最常見(jiàn)的冷卻介質(zhì)，并被廣泛使用。但是，使用壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)常常很難達到最佳的冷卻效果，而且壓縮空氣中的氧氣、水分以及碳氫化合物等成分還會(huì )對涂層帶來(lái)負面影響，進(jìn)而影響到涂層質(zhì)量。在對溫度控制要求較高的熱噴涂工藝過(guò)程中，除了采用壓縮空氣外，還不得不進(jìn)行必要的層間停歇，從而保證工件和涂層的溫度下降到合理的范圍，確保下一道次的噴涂效果，這就帶來(lái)了工作時(shí)間上的浪費。另外，為了保證工藝的穩定性，在這種層間停歇的過(guò)程中，噴槍仍在繼續燃燒，也會(huì )造成燃料和涂層粉末的浪費。

另外一個(gè)影響到熱噴涂工藝生產(chǎn)效率的因素就是：遮蔽保護裝置的安裝和拆卸時(shí)間過(guò)長(cháng)。在熱噴涂過(guò)程中，對于不需要進(jìn)行熱噴涂或者不能進(jìn)行熱噴涂的區域進(jìn)行遮蔽是必需的操作，常用的方法是在必要的位置安裝金屬擋板。

目前，熱噴涂遮蔽膠帶使用廣泛?，F在市面上有不同材料制成的遮蔽膠帶，包括玻璃纖維、金屬、聚合物和硅橡膠等。金屬膠帶比較難制備和安裝；而非金屬材料制成的遮蔽膠帶安裝過(guò)程比較容易，但是比較難去除，有時(shí)還需要額外的工序才能去除干凈。熱噴涂工藝過(guò)程中不恰當的溫度控制恰恰會(huì )引起不必要的膠帶變性，比如熱分解、硬化或者脆化。

新型熱噴涂層間連續冷卻工藝

使用低溫冷卻，可以幫助在熱噴涂工藝過(guò)程中得到更加有效的冷卻效果。但是，因為這種冷卻方式很難實(shí)現工件的均勻冷卻，因此會(huì )產(chǎn)生殘余應力，并可能引起涂層性能的下降，甚至造成涂層脫落。目前在工業(yè)界，二氧化碳（CO2）冷卻方法已被有效應用。二氧化碳與氮氣相比具有較高的熱容量，它的冷卻效率受較小的溫度限制（CO2的沸點(diǎn)為-78.5°C，而低溫氮氣的沸點(diǎn)為-196°C）。當要求較高的冷卻速率及相應的高氣體流率時(shí)，二氧化碳也會(huì )在基體表面形成多余的固態(tài)沉淀。將低溫氮氣冷卻方法與傳統空氣冷卻工藝相比，噴涂效率明顯提高。圖 1 顯示在為飛機起落架?chē)娡?WC-Co-Cr 涂層過(guò)程中兩種冷卻工藝的實(shí)際工藝參數比較。

通過(guò)消除冷卻停頓時(shí)間，低溫氮氣冷卻系統縮短了 50%的工藝時(shí)間，并減少了粉末及工藝氣體的消耗。低溫氮氣冷卻系統還能夠實(shí)現更為嚴格的溫度控制（±20°C），而且在熱噴涂過(guò)程中工件的溫度波動(dòng)范圍很小?？諝饫鋮s及氮氣冷卻試樣的特點(diǎn)表明，噴涂態(tài)涂層的結合強度、硬度及表面粗糙度基本沒(méi)有變化，同時(shí)氣孔率從 0.2%降低到 0.05%。氮氣冷卻試樣仍保留基體硬度（4340 鋼，熱處理后硬度達到 420 HV），比壓縮空氣冷卻（395 HV）及非冷卻試樣（390 HV）高。另外，低溫氮氣冷卻涂層中的氧含量更低，同時(shí)碳的流失量也最低。在使用低溫氮氣冷卻系統時(shí)，WC-Co-Cr 粉末的沉積效率比采用壓縮空氣冷卻平均增加 10%－15%，相對不進(jìn)行冷卻的熱噴涂工藝過(guò)程則能提高 30%以上。

采用低溫氮氣冷卻系統帶來(lái)的另一優(yōu)點(diǎn)則是可以幫助熱噴涂客戶(hù)節省熱噴涂準備過(guò)程中遮蔽操作的成本和時(shí)間。低溫氮氣對頂層涂層的迅速冷卻，避免了熱量的聚集，從而有效地防止熱量到達遮蔽帶底部。這樣，遮蔽帶在整個(gè)工藝過(guò)程中可以一直保持柔韌度，在噴涂過(guò)程結束后使用油灰刀即可對其進(jìn)行清除，且表面不易留下任何殘留物。遮蔽帶甚至還可以被多次重復使用。圖 2 為硅基遮蔽帶在熱噴涂過(guò)程中的溫度變化示意圖。

低溫氮氣冷卻系統通過(guò)實(shí)時(shí)監測涂層溫度分布來(lái)改變冷卻介質(zhì)流量，從而獲得有效冷卻且均勻的涂層。溫度監控反饋系統可采用多種測溫方法，包括單點(diǎn)紅外傳感器，二維紅外熱映像儀及接觸式熱電偶。PLC 控制冷卻系統可根據具體冷卻要求自動(dòng)切換多種冷卻介質(zhì)，包括室溫、氮氣、液氮/氮氣混流以及全液氮等冷卻介質(zhì)。從單個(gè)噴嘴或多路噴嘴中被釋放后，液氮被霧化并迅速形成微液滴，在離開(kāi)噴嘴很短的距離內轉化為低溫氮氣，這樣可防止在被加工表面殘留有液氮。另外，多區域冷卻控制算法的應用使每個(gè)冷卻噴嘴都可獨立在冷卻模式（以瞬時(shí)平均值為基礎）及平均時(shí)間溫度反饋間轉換。圖 3 為涂層噴涂過(guò)程中不同階段的溫度場(chǎng)。該低溫氮氣冷卻系統還可記錄溫度歷史并存檔，以便日后審核。

空氣產(chǎn)品公司的熱噴涂冷卻技術(shù)（圖 4）是工業(yè)領(lǐng)域中僅有的低溫氮氣冷卻工藝，而且我們已經(jīng)在多個(gè)國家申請了專(zhuān)利。這一技術(shù)有效地提升了航空部件、建筑設備以及軋輥等大型設備進(jìn)行高速火焰熱噴涂加工時(shí)的生產(chǎn)效率。氮氣冷卻技術(shù)的采用，對于需要較多熱量的熱噴涂工藝（高壓液體燃料火焰噴涂設備和高速火焰噴涂）來(lái)說(shuō)，是一種效率較高且極為經(jīng)濟的冷卻方法。

低溫氣體冷卻工藝是對工業(yè)界現有壓縮空氣冷卻方法的補充，而且該工藝還可針對不同工藝熱輸入值對冷卻介質(zhì)的使用量進(jìn)行自動(dòng)調節，從而實(shí)現工藝過(guò)程的經(jīng)濟性。低溫氣體冷卻還可有助于保證甚至提高產(chǎn)品質(zhì)量，比如更好地維持基體性能、減少涂層氧化及降低涂層與基體間的殘余應力等。