火焰噴涂是一種以氣體燃料或液體燃料在氧氣或空氣助燃形成具有一定噴射速度的燃燒火焰作為熱源，將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速?lài)娚涞浇?jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面上，形成涂層的工藝方法。根據(jù)燃燒火焰的性質(zhì)，火焰噴涂技術(shù)可以分為普通火焰噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)和爆炸噴涂技術(shù)；根據(jù)噴涂材料的形態(tài)，火焰噴涂技術(shù)又可以分為粉末火焰噴涂技術(shù)、線材火焰噴涂技術(shù)和棒材火焰噴涂技術(shù)。

    火焰的形貌特點(diǎn)

    可燃?xì)怏w（如乙炔C2H2）在預(yù)先混合好的空氣或氧氣中燃燒就形成火焰。

    在火焰燃燒反應(yīng)中，有一次燃燒和二次燃燒問(wèn)題。氧-乙炔火焰的一次燃燒反應(yīng)為：

    C2H2+O2 = H2+2CO                       （1）

     一次燃燒反應(yīng)形成的火焰即為氧-乙炔火焰中的焰心（靠近焊炬噴嘴孔成圓錐狀而發(fā)亮的部分），如圖1a所示。當(dāng)然，氧和乙炔一次燃燒并沒(méi)有全部將可燃物燒掉，一次燃燒產(chǎn)物還可燃燒。因此還將發(fā)生二次燃燒，其反應(yīng)為：

    2CO+O2 = 2CO2                         （2）

     H2+1/2O2 = H2O                         （3）

     二次燃燒是一次燃燒的中間產(chǎn)物與外圍空氣中的氧發(fā)生的二次燃燒，生成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物。二次燃燒的形成的火焰即為氧-乙炔火焰中的外焰。

a 氧-乙炔火焰

b 中性焰

c 碳化焰

d 氧化焰

圖1  氧–乙炔火焰形貌示意圖

    當(dāng)調(diào)節(jié)和控制燃?xì)猓–2H2）與助燃?xì)猓∣2）之比例時(shí)，可以得到3種形貌的氧–乙炔火焰，以適用于不同材料的噴涂。這三種形貌就是中性焰（見(jiàn)圖1b）、碳化焰（見(jiàn)圖1c）和氧化焰（見(jiàn)圖1d）。

    當(dāng)氧與乙炔的混合比為1.0~1.2而燃燒時(shí)，即形成中性焰，它對(duì)被熔材料既不起氧化作用，也不起還原作用。中性焰可分為三個(gè)部分：焰芯、內(nèi)焰和外焰。焰芯為尖錐狀，白色明亮，輪廓清楚；內(nèi)焰呈藍(lán)白色，輪廓不清楚，與外焰無(wú)明顯的界限；外焰由里向外逐漸由淡紫色變?yōu)槌赛S色。在一次火焰內(nèi)基本上無(wú)自由氧和游離碳。

    當(dāng)氧與乙炔的混合比小于1.0而燃燒時(shí)，形成的火焰為碳化焰（圖1c），也稱(chēng)還原焰，它是具有還原作用和碳化作用的火焰。因?yàn)檠鯕獠蛔阋允挂胰餐耆紵^(guò)量的乙炔分解為碳和氫，碳會(huì)滲到被熔材料中使材料增碳，故稱(chēng)為碳化焰。火焰結(jié)構(gòu)也分為三部分：焰芯、內(nèi)焰和外焰。焰芯呈白色，外圍略帶藍(lán)色；內(nèi)焰呈淡白色；外焰呈橙黃色。乙炔量多時(shí)還帶黑煙，火焰長(zhǎng)而柔軟。

    當(dāng)氧與乙炔的混合比大于1.2而燃燒時(shí)，即形成氧化焰（圖1d）。氧化焰的結(jié)構(gòu)可區(qū)分為焰芯及外焰兩部分。火焰中有過(guò)量的氧，在焰心外應(yīng)形成一個(gè)有氧化性的富氧區(qū)。焰芯短而尖，呈青白色；焰芯外焰呈稍帶紫色的外焰，比正常外焰短，火焰挺直。

    火焰的燃燒方式

    以氣體燃料火焰燃燒為例，其燃燒方式有以下兩種：

    （1）擴(kuò)散燃燒

    此種燃燒方式是指燃料氣體和助燃?xì)怏w分別由各自噴口噴入燃燒室，一邊擴(kuò)散混合，一邊燃燒的燃燒方式。擴(kuò)散燃燒火焰很長(zhǎng)，燃燒火焰穩(wěn)定性好，不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象，但火焰溫度不太高。

    （2）預(yù)混燃燒

    此種燃燒方式是指氣體燃料與部分或全部助燃?xì)饩鶆蚧旌虾笤龠M(jìn)入燃燒室燃燒，預(yù)混燃燒屬于動(dòng)力燃燒。在部分預(yù)混燃燒時(shí)，火焰有兩個(gè)錐面，即內(nèi)焰和外焰，在外焰區(qū)實(shí)際上是氣體燃料的擴(kuò)散燃燒。隨助燃?xì)獾脑黾樱鹧婵s短。達(dá)到完全預(yù)混燃燒時(shí)，燃料燃燒速度很快，燃燒幾乎可以在瞬間完成，外焰不再存在。采用預(yù)混燃燒方法能夠?qū)崿F(xiàn)高負(fù)荷燃燒，但有回火的危險(xiǎn)。

    熱噴涂常采用的是預(yù)混燃燒方式。在預(yù)混燃燒中，燃料氣和助燃?xì)獾幕旌戏绞街饕猩湮交旌虾偷葔菏交旌蟽煞N。射吸式混合指燃燒氣與助燃?xì)獍磭娚淦髟砘旌希话阋灾細(xì)庾鰢娚錃怏w，如圖2所示。

圖2  射吸式混合原理圖

    等壓式混合是燃料氣和助燃?xì)饩耘R界速度噴入混合室內(nèi)進(jìn)行混合（見(jiàn)圖3），等壓式混合時(shí)，燃料氣和助燃?xì)獾膲毫ο嗟然虺梢欢ū壤剂蠚馀c助燃?xì)饬鲃?dòng)可分為平行流動(dòng)（靠湍流混合）和按一定角度或垂直相交流動(dòng)及兩者均為旋轉(zhuǎn)氣流之間的混合兩種。

圖3  等壓式混合原理

     等壓式混合的預(yù)混燃燒穩(wěn)定性較射吸式混合的要高，其預(yù)混燃燒的氣體流量（火焰功率）及調(diào)節(jié)范圍也比射吸式預(yù)混燃燒大。

    火焰的傳播特性

    氣體燃料燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侵溉紵鹧驿h面在其法線方向上向未燃燒氣體燃料方向傳播的速度。按氣體火焰?zhèn)鞑ダ碚摚S持火焰的穩(wěn)定性，應(yīng)保持可燃?xì)怏w向火焰鋒面的運(yùn)動(dòng)速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗟龋駝t將出現(xiàn)回火或脫火現(xiàn)象。

    1. 脫火

    當(dāng)可燃?xì)怏w混合物在燃燒火焰鋒面處，沿法線方向上的分速度大于該混合物火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，火焰會(huì)脫離噴口燃燒，甚至被吹滅，這種現(xiàn)象稱(chēng)為脫火。對(duì)應(yīng)于脫火時(shí)的可燃?xì)怏w混合物的氣流速度稱(chēng)為脫火極限。

    2. 回火

    當(dāng)可燃?xì)怏w混合物在燃燒火焰鋒面處，沿法線方向上的分速度小于該混合物火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，火焰縮回燃燒器內(nèi)部，這種現(xiàn)象稱(chēng)為回火。對(duì)應(yīng)于回火時(shí)的可燃?xì)怏w混合物的氣流速度稱(chēng)為回火極限。回火可能性與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸烧取?/span>

    只有當(dāng)可燃?xì)怏w混合物氣流速度處于回火極限和脫火極限之間時(shí)，火焰才能穩(wěn)定燃燒。對(duì)火焰噴涂設(shè)備而言，脫火危害遠(yuǎn)小于回火。因此在噴涂操作中要特別注意防止回火的發(fā)生，預(yù)防回火的方法主要是降低火焰?zhèn)鞑ニ俣然蛱岣呷細(xì)鈬姵鏊俣龋唧w措施如下：

    （1）在保證可燃?xì)怏w流量的條件下，選擇多孔數(shù)、小孔徑、深噴口的噴嘴設(shè)計(jì)，可以提高燃?xì)獾膰姵鏊俣群蛧娮斓睦鋮s作用，減小火焰的傳播速度。

    （2）選用火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低的燃?xì)狻?/span>

    （3）對(duì)噴嘴進(jìn)行冷卻，可有效防止可燃?xì)獬跏紲囟鹊纳仙瑴p小火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/span>

    （4）保證較高的噴嘴內(nèi)氣壓，提高燃?xì)獾膰姵鏊俣取?/span>

    （5）選擇擴(kuò)散燃燒方式，使燃?xì)夂椭細(xì)庠趪娮焱膺厰U(kuò)散混合邊燃燒。但這種方式燃燒強(qiáng)度有限。

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