超音速电弧喷涂技术与应用
王汉功查柏林苏勋家扬晖
ｌ、前言
电弧喷涂具有生产效率高、生产成本低、工件受热小等优点，在长效防腐、维修、设备
制造和特殊功能涂层的制备方面应用广泛．在热喷涂中占有重要的地位，但是。与等离子喷
涂和超音速火焰喷涂相比，普通电弧喷涂的涂层质量较低，结合强度约２０ＭＰａ，孔隙率３
—１０％，限制了电弧喷涂的应用。
近年来，高能高速喷涂成为热喷涂发展的—个重要方向。特别是粒子速度，受到普遍关
注，粒子速度对涂层质量有决定性的作用，与等离子喷涂、超音速火焰喷涂相比，普通电弧
喷涂粒子速度较低．粒子速度成为制约电弧喷涂发展的重要因素。为了提高电弧喷涂的粒子
速度。改善雾化效果，人们采用了多种方案，但效果并不理想。
普通电弧喷涂采用收缩型喷嘴。这神喷嘴气流的最大速度为音速，如果采用拉伐尔喷嘴
（缩放喷嘴），气流的速度将达到超音速，利用计算机辅助设计优化设计出拉伐尔喷嘴，在将
气流速度提高到超音速的同时，将粒子速度也加速到音速或者超音速，因此，实现超音速电
弧喷涂在理论上是可行的。由此可见，超音速电弧喷涂技术是生产实践的需要，是科学技术
发展的必然。
２、超音速电弧喷涂的基本原理
与普通电弧喷涂一样．超音速电弧喷涂是—个不断重复进行的熔化——雾化——沉积的
过程。其基本原理是；燃烧于丝材端部的的电弧将均匀送进的丝材熔化，经拉伐尔喷嘴加速
后的超音速气流将熔化的丝材雾化为粒度细小分布均匀的粒子，喷向基体形成涂层。
超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂方法原理相似。但在雾化方式上，超音速电弧喷涂与普
通电弧喷涂有差剐，普通电弧采用亚音速雾化．而超音速电弧喷涂采用超音速雾化。与亚音
速雾化相比，超音速雾化的雾化效果好，雾化后的粒子细小均匀，速度高，有利于获得高质
量的涂层。
超音速电弧喷涂技术的关键是喷枪。喷枪采川拉伐尔喷嘴和气体循环冷却技术，高压空
气经喷枪的头部进入枪体，在冷却拉伐尔喷嘴的同时，将自身加温，然后进入拉伐尔喷嘴，
加速到超音速，超音速气流与熔化的丝材作用．将丝材雾化为粒度细小．分布均匀的粒子，
并将其加速到超音速。
３、超音速电弧喷涂性能与分析
３．１超音速电弧喷涂的粒子速度
测试结果表明，超音速电弧喷涂纯铝可达最大粒子速度为３８６ｍ／ｓ，平均速度３７３ｍ／ｓ，
超过常温音速．粒子速度是气流与粒子问拖动力作用的结果，拖动力取决于气流与粒子之间
的相对速度，其大小可用ｒ式表示。
Ａｄ
Ｆｆ——ｃ衄９ｌ（Ｖｇ－－Ｖｄ）ｌＶｇ—ｖｄ
８
其中．Ａｊ为粒子的表面积，ｃ衄为拖动系数，ｐＥ为气流的密度，Ｖｇ为气流的速度，Ｖｄ
为粒子的速度．由上式可以磊出。气流速度越高。拖动力越大。气流对粒子的加速作用越强。
超音速电弧喷涂系统由于采用了拉伐尔喷嘴．气流的速度被提高到超音速，增大了拖动力，
提高了粒子速度。
３．２超音速电弧喷缘的雾化效果
雾化气流的速度越高，雾化后的粒子越细小，分布越均匀。由雾化的原理可知，气流和
熔滴之问的相对速度是熔滴受到的气动力的决定因素，影响熔滴的变形和破裂，从而影响雾
化效果。如果用动能来描述气动力．用表面能来描述表面张力，则粒子的最大直径可按下式
确定：
２Ｃ
Ｏ
ｄⅫ＝——
ｐ
ｇＶ２
其中：ｃ为常数，Ｏ为熔滴的表面能，ｄ。。为粒子的最大直径。由上式可知气流的速度越
大，ｄ。。越小，雾化的微粒越细小。与普通电弧喷涂相比，超音速电弧喷涂的气流速度有很
大的提高，因而增强了雾化效果．雾化后的粒子细小均匀。雾化的３Ｃｒｌ３粒子基本成球形．
平均粒度为４．３２ｕｍ，较大的为１９．８ｕｍ，较小的为１
ｕｍ。
３．３超音速电弧喷涂涂层结合强度
一般情况下，涂层是要承受一定的载荷，因此结台强度是涂层最重要的性能指标。
超音速电弧喷涂涂层的结合强度高，３Ｃｒｌ３涂层的结合强度平均值达６０ＭＰａ。普通电弧
喷涂只有２０ＭＰａ，而美国研制的二次雾化电弧喷涂才有４０ＭＰａ，这是超音速电弧喷涂粒子
速度提高后的直接结果。由动量定理ＭＶ－ＦＴ可知，粒子速度越高，动量越大，沉积时的冲
量越大。粒子与基体接触撞击到凝固结束的冷却速度很高，该过程只有１０－’～ｌＯ’６秒，因此，
速度越高，粒子对基体的撞击作用越强，粒子变形越充分，有利于提高活性区域的面积：同
时，粒子沉积时·粒子的部分动能转化为热能，提高了粒子与基体的接触温度，粒子速度越
商，转化的热能越多：超音速电弧喷涂提高了粒子的速度，从而提高了涂层的结合强度．
３．４超音速电弧喷涂涂层孔隙率
３Ｃｒｌ３涂层孔隙平均大小为０．９Ⅱｍ，面密度为０．９％，体密度为Ｏ．７Ｎ。
由涂层的显微组织可以发现，孔隙基本上出现在粒子的交界处，这说明不完全重叠是涂
层孔隙形成的主要因素。超音速电弧喷涂粒子的速度高，粒子沉积时撞击力大，变形充分．
大大减少了粒子间的不完全重叠。另外，由于速度的提高，粒子沉积前飞行时间的缩短减少
４ｌ
了粒子氧化的程度．氧化物夹杂的减少，促进了粒子间的良好结合，有利于降低涂层的孔隙
率。
３．５超音速电弧喷涂涂层耐蚀性能
采用热喷涂铝、锌及其合金涂层，对钢铁件进行长效防腐，早在３０年代就开始应用，
至今仍是普遍采用的防护措施，并在继续发展。国内外大量的研究应用效果表明，这是最有
效和最经济的防腐方法。
超音速电弧喷涂铝和Ａｃ铝涂层中性盐雾试验结果表明，４５＃钢及４５＃钢表面刷涂料的
试样均出现大面积锈蚀，超音速电弧喷涂纯铝Ａｃ铝涂层及其复合涂层，试验合格。由于超
音速电弧喷涂涂层孔隙率低，基本上没有穿透孔，涂层表面有较合适的粗糙度，为封孔涂料
提供了良好的结合面，且喷涂的涂层有一定的活性，涂料与涂层的粘结比较牢固；封孔涂料
封闭了涂层内的孔隙，阻止了腐蚀介质的渗透：具有阴极保护作用的铝涂层和耐蚀的封孔涂
料为基体提供了良好的耐腐蚀防护，所以，超音速电弧喷涂铝、Ａｅ铝及复合涂层具有良好
的防护效果。
４、音速电弧喷涂技术的应用
超音速电弧喷涂涂层由于结合强度高，孔隙率低，表面粗糙度低，耐磨耐蚀性能好．与
普通电弧喷涂相比，涂层陛能有了很大的提高，因而，在工业中得Ｎ－ｒ广泛地应用，特别是
在长效防腐、设备修复、旧件翻新、产品表面强化等方面。
腐蚀一直是困扰人们的技术难题．超音速电弧喷涂由于涂层均匀致密、孔隙率低、穿透
性孔隙少，为腐蚀的防护提供了一条成本低、效果好的途径，特别是在桥柴、钢铁塔架、水
闸门、工业锅炉等的腐蚀防护。
在机械零部件的某些部位，采用热喷涂方法，制各耐磨或耐磨耐蚀的凉层，对零部件进
行修复或强化，是热喷涂技术应用的一个重要的方面．超音速电弧喷徐工艺简单．制备的涂
层结合强度高、孔隙率低，经磨削加工后易于满足精度和表面粗糙度要求。曲轴喷涂后经磨
削加工到规定尺寸，装车试验，性能电好，使用一年．检查发现，涂层完好。
在生产领域，超音速电弧喷涂也可对新产品进行表面强化，以提高产品的性能和使用寿
命。超音速电弧喷涂强化的印刷辊，涂层均匀致密．与基体结合力强，磨削加工后，涂层表
面光滑，表面强化效果好，满足使用要求。超音速电弧喷涂还可用于模具修复、模具制造、
特种功能凉层制备、装饰等领域。
总之，超音速电弧喷涂由于采用了拉伐尔喷嘴，将粒子的速度提高到超音速，改善了粒
子的雾化效果，提高了涂层质量，在工业中得到较广泛地应用，成功地推动了电弧喷徐的发
展。
超音速电弧喷涂技术与应用
作者：王汉功， 查柏林， 苏勋家， 杨晖
作者单位：
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引用本文格式：王汉功.查柏林.苏勋家.杨晖 超音速电弧喷涂技术与应用[会议论文] 2006