超音速火焰噴涂（High-velocity oxygen-fuel spraying process，簡稱HVOF）是一種新型的熱噴涂技術，由美國Browning公司在1981年研制成功，并以JET-KOTE為商品名推出。這項技術的核心設備是噴槍，它由燃燒室、Laval噴嘴和等截面長噴管三部分組成。

在噴涂過程中，液體燃料（如煤油）在燃燒室內與氧氣混合后點燃，產生高溫高壓的燃燒氣體，這些氣體流經Laval噴嘴時被加速到超音速，形成高溫高速的焰流。噴涂材料（粉末或線材）被送入這個焰流中，被加熱并加速到300-500m/s的速度，噴涂到基體表面，形成高質量的涂層。

特點

• 粒子飛行速度快，可以達到五馬赫（1500m/s）以上。

• 噴涂溫度相對較低，可以有效抑制噴涂材料在噴涂過程中的分解，尤其適合WC-Co系硬質合金的噴涂。

• 涂層結合強度高，致密性好，耐磨損性能優越，超過了等離子噴涂層、電鍍硬鉻層和噴熔層。

優勢

1. 高粒子速度：HVOF噴涂的粒子飛行速度非常高，可以達到300-500m/s，甚至更高，這有助于涂層與基材之間形成更強的結合力。

2. 較低的噴涂溫度：與等離子噴涂相比，HVOF噴涂的焰流溫度相對較低，這有助于減少噴涂材料在噴涂過程中的氧化和碳化，尤其適合WC-Co系硬質合金的噴涂，有效抑制WC在噴涂過程中的分解。

3. 高密度和低孔隙率：HVOF噴涂可以獲得高密度的涂層，密度可達理論密度的99.9%，孔隙率低，這使得涂層具有更好的耐磨性和耐腐蝕性。

4. 涂層質量優異：HVOF噴涂的涂層具有更好的均勻性和附著力，涂層殘余應力小，可以在一定程度上設計殘余應力，從而噴涂較厚的涂層。

5. 廣泛的應用范圍：HVOF噴涂技術適用于機械、電力、冶金、航空和石油化工等工業領域，用于金屬材料表面防護和修復。

6. 環境友好：在國際“雙碳”目標下，HVOF噴涂涂層可以長期為相關部件延長壽命，為低碳綠色制造提供新的途徑。

7. 操作靈活性：HVOF噴涂技術可以噴涂各種規格和形狀的物體，特別適合于大面積涂層，并可在野外作業。

8. 高噴涂效率：HVOF噴涂的生產效率較高，每小時可以噴涂幾公斤到幾十公斤的涂層材料。

9. 基體溫度低：基體溫度一般在30～200°C之間，變形小，熱影響區淺，適合于熱敏感材料的涂層制備。

10. 材料利用率高：HVOF噴涂過程中，材料的利用率較高，浪費較少，這有助于降低成本。

成本

1. 初期設備投資較高：HVOF技術需要專門的高溫高壓噴涂設備，這些設備的購置成本相對較高。例如，等離子噴涂技術相對于傳統噴涂技術而言成本較高，這主要是因為涉及到高溫噴涂設備、粉末材料的制備和后續涂層處理等環節 。

2. 材料利用率高：HVOF技術的材料利用率通常在40-200 g/min (5 - 26 lb/h)之間，這意味著材料浪費較少，可以減少涂層的成本。相比之下，傳統噴涂技術的材料利用率較低，通常在30%至50%之間，導致更多的材料浪費 。

3. 涂層質量高：HVOF涂層具有優良的耐磨性、耐蝕性、耐高溫、隔熱性能，這些特性可以減少后續的維護成本和延長部件的使用壽命，從而在長期運營中節省成本 。

4. 生產效率高：HVOF技術的生產效率較高，噴涂速度是傳統噴涂的5-10倍，沉積效率優于傳統噴涂，這可以大大降低涂層成本 。

5. 環境友好：HVOF技術對環境的影響較少，與傳統電鍍工藝相比，熱噴涂處理適用于多種材料及處理過程，因此，熱噴涂是一個比較有吸引力的涂覆技術 。

6. 節省人力成本：HVOF技術可以減少人力資源的需求，因為它可以實現自動化和快速噴涂，從而節省人力成本 。

7. 長期經濟效益：盡管HVOF技術的初期設備投資較高，但由于其高效率、高材料利用率和高質量的涂層，使得長期運營成本較低，展現出更高的經濟效益 。

HVOF技術在鈦合金表面制備耐磨涂層的應用實例

1. 在TC11鈦合金表面采用HVOF工藝制備的WC-10Co4Cr金屬陶瓷涂層，能夠有效改善鈦合金的耐磨性和耐蝕性。研究表明，涂層的孔隙率低（2.55%），硬度高（達到1400 HV），并且與基體結合良好，主要通過機械結合的方式。這種涂層的制備不僅提高了鈦合金的耐磨性，還顯著降低了磨損量，噴涂涂層鈦合金的磨損量僅為未噴涂鈦合金的1.56%，且磨損機制主要是磨粒磨損。

2. 另一項研究中，通過HVOF技術在TC4鈦合金表面制備了Cr3C2-NiCr、Ni50和NiCr涂層。結果表明，Ni50涂層能夠降低TC4鈦合金基體和摩擦副的黏著磨損損失，提供了一種可行的方案來提高鈦合金零部件間的摩擦性能。

3. 在TC6鈦合金表面利用HVOF噴涂工藝制備的納米結構WC-10Co-4Cr涂層，研究了其對鈦合金的滑動磨損和拉伸疲勞性能的影響。結果表明，涂層展現出優異的表面特性，具有最小的微裂紋和低孔隙率，顯著提高了鈦合金的耐磨性，并且對基材的疲勞強度影響極小。

4. HVOF噴涂的WC-Co涂層能夠顯著提高TC18鈦合金的耐磨耐蝕性能。涂層與基體結合良好，以機械結合為主，并且硬度及彈性模量明顯高于基體，顯著改善了基體的耐磨性。

HVOF技術在鈦合金表面制備NiCoCrAlY底層和Ni-cBN耐磨面層的應用案例

1. 工藝參數：

• 噴涂材料：NiCoCrAlY合金和Ni-cBN粉末。

• 熱源：氧氣和乙炔或氧氣和煤油。

• 噴涂設備：采用超音速火焰噴涂設備，包括燃燒室、Laval噴嘴和等截面長噴管。

• 噴涂參數：噴涂速度、噴涂距離、噴涂厚度等需要根據具體材料和涂層要求進行優化。

2. 效果評估：

• 涂層結構：通過掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散譜（EDS）分析，可以觀察到涂層與基材之間的元素互擴散現象，涂層與基體形成良好的結合。

• 涂層性能：熱處理后，涂層的缺陷和孔隙率顯著降低，從8.3%降至1.4%。此外，涂層的硬度、密度、結合強度和殘余應力等性能指標也得到了改善。

• 耐腐蝕性：在CO2飽和鹽水中進行電化學腐蝕測試，結果顯示優化后的NiCoCrAlY涂層具有良好的耐腐蝕性能。