高速火焰喷涂国内习惯上称为超音速火焰喷涂，它的英文缩写为HVOF（High Velocity Oxygen Fuel的首写字母）
。超音速火焰喷涂是在爆炸喷涂的基础上发展起来的一项新的热喷涂技术
，是在上世纪八十年代初期，由美国Browning公司最先研制成功
，并推出名为JET-KOTE的商用喷涂设备。超音速火焰喷涂技术一经问世，就以其超高的焰流速度和相对较低的温度，在喷涂金属碳化物和金属合金等材料方面显现出了明显优势。在世界各大热喷涂公司的积极推动下
，该技术发展很快
，目前超音速火焰喷涂技术在喷涂金属碳化物、金属合金等方面，已逐步取代了等离子喷涂和其它喷涂工艺，成为热喷涂的一项重要工艺方法
。
1．超音速火焰喷涂原理
        超音速火焰喷涂是将助燃气体与燃烧气体在燃烧室中连续燃烧，燃烧的火焰在燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出口联接的膨胀喷嘴产生高速焰流
，喷涂材料送入高速射流中被加热、加速喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法

。可使用乙炔

、丙烷
、丙烯
、氢气等作为燃气
，也可使用柴油或煤油等液体燃料。煤油、氧气通过小孔进入燃烧室后混合，在燃烧室内稳定
、均一地燃烧
。有监测器用来监控燃烧室内压力
，以确保稳定燃烧
，喷涂粉末的速度与燃烧室内压力成正比。燃烧室的出口设计使高速气流急剧扩展加速，形成超音速区和低压区。粉末在低压区域沿径向多点注入，粉末均一混合，在气流中加速喷出

。超音速火焰喷涂焰流速度高达1500m/s-2000m/s
，一般可观察到5-8个明显的马赫锥
，粒子流速度高达300-650m/s。
2．设备构成
        超音速火焰喷涂设备一般由喷枪
、送粉器
、控制系统、喷枪冷却系统、气体供应系统五部分构成
。目前我国在用的超音速火焰喷涂设备绝大部分是进口的
，使用最多的型号为：Sulzer Metco公司的DJ-2700和Praxair公司的JP-5000，JP-5000是原HobartTafa公司研制成功的，后该公司并入了Praxair公司
。这两种设备在国外应用也最为广泛
，代表了当今世界超音速火焰喷涂技术的发展水平。
3．涂层和工艺特点
        超音速火焰喷涂工艺因其鲜明的特点：超高的焰流速度和相对较低的温度
，使其涂层性能和喷涂工艺具有许多特点：
    （1）火焰及喷涂粒子速度高
。火焰速度达到1800m/s以上，粒子速度：300-650m/s
。
    （2） 粉粒受热均匀
。喷涂粉粒沿轴向或径向注入燃烧室
，使粉末在火焰中停留时间相对较长
，熔融充分

，产生集中的喷射束流。
    （3）粉粒与周围大气接触时间短

，粉末粒子飞行速度高，和周围大气接触时间短
，很少与大气发生反应
，喷涂材料中活泼元素烧损少
。这对碳化物材料尤为有利，可避免分解和脱碳。
    （4）喷涂粉末细微，涂层光滑 用于超音速火焰喷涂的粉末粒度一般为：10-45μm，属于细粒度粉末，同时喷涂粒子速度高，熔融充分，形成涂层时变形充分
，使得涂层表面粗糙度小
。
    （5）涂层致密，结合强度高 一般超音速火焰喷涂涂层的孔隙率＜2%，结合强度＞70MPa
。
4.主要工艺参数
。
        以DJ型超音速火焰喷涂系统为例
，介绍工艺参数对涂层性能的影响。
      （1）粉末特性
。目前粉末供应商提供了品种繁多的碳化物粉末，而粉末特性往往因其制粉工艺方法的不同 而表现出较大的差异。粉末特性包括：粉末粒度分布、颗粒形状
、表面粗糙度等。对DJ2700设备来说
，适宜的粉末粒度为：15μm-40μm
。
      （2）氧-燃气流量和比例
。超音速火焰喷涂的焰流温度及特性取决于氧-燃气流量和混合比例。超音速火焰喷涂时
，首先应按照设备的规定要求确定氧气和燃气的流量，以保证喷枪焰流达到设计的功率水平
。实际生产过程中有多种因素可导致氧-燃气比例的波动，而氧-燃气比例对确定最终的涂层组织十分重要。理论上，丙烷完全燃烧要求氧与丙烷的比例为5∶1（C3H8+5O2=4H2O+3CO2），这一燃烧比例产生的是中性焰（即，燃烧时氧与燃气分子全部耗尽）
。若燃气比例下降
，焰流中未消耗尽的氧分子将产生“氧化”气氛
，导致熔融粉末粒子的过度氧化，涂层中氧化物含量增多
。混合气中燃气过多会产生低温贫氧的火焰
，所得涂层中未熔粒子和孔洞增多
，而氧化物含量降低
。事实上
，中性焰是不存在的，在高温
，燃烧过程不是完全可逆的，反应物与反应产物以热平衡和化学平衡方式共存。研究结果表明：对DJ型超音速火焰喷涂系统
，当氧-燃气比例在4.2-5.6之间时，可获得高性能的涂层。
       （3）喷涂距离
。研究表明：DJ型超音速火焰喷涂系统，当粉末粒子在距喷枪出口100mm以内即已达到了其最高温度，随着喷距的增加粒子温度逐渐降低
，在100-230mm范围内
，粒子温度大约降低了60℃，其降低幅度并不大，粒子仍可保持约1775℃的高温；而粒子速度在距喷枪出口大约190mm内是一个逐渐加速的过程

，在距喷枪出口190-200mm左右达到480m/s以上的最高速度
，在170-230mm喷距上，粒子速度基本维持在480m/s以上。
        考虑到高温焰流对基体传热的不利影响
，喷距在可能的情况下应尽量增大
，故对DJ型超音速火焰喷涂系统来说，适宜的喷距应为：190-230mm
。与其它喷涂工艺相比
，超音速火焰喷涂喷距的可调整范围是比较大的，这得益于粒子的高速度
。较大的喷距可调范围对实际生产十分有利
，因为可以根据工件的形状
、大小、涂层厚度等要求选择适宜的喷距，以得到综合性能最好的涂层。
（4）送粉量。
        对任何热喷涂工艺来说
，送粉量都是影响涂层性能的一个重要参数。某种粉末在某一具体的喷涂工艺条件下
，都对应有一适宜的送粉量范围。
若送粉量过小，可能的不利影响有：
       1）被喷涂粉末过熔，粉末烧损，烟雾大
，易污染涂层。
       2）每一遍喷涂不能完全覆盖其扫过的路径
，造成涂层孔隙率增大。
       3）延长了喷涂时间易造成工件过热涂层开裂和生产成本的增大
。
若送粉量过大，可能的不利影响有：
      1）粉末熔化不充分，涂层结合强度降低，孔隙率增大。
      2）涂层应力增大，导致涂层开裂
。
      3）粉末沉积率下降
，生产成本提高。
        研究表明
：使用DJ系统
，喷涂WC-Co涂层时，当送粉量在38-60g/min之间变化时

，涂层孔隙率在1.12-2%之间
，显微硬度在HV1000-1300, 粉末沉积率为40-50%，涂层性能优
。喷涂CrC-NiCr涂层时：当送粉量在27-45g/min之间变化时，可获得令人满意的涂层质量。