超音速火焰喷涂（High-velocity oxygen-fuel spraying process，简称HVOF）是一种新型的热喷涂技术，由美国Browning公司在1981年研制成功，并以JET-KOTE为商品名推出。这项技术的核心设备是喷枪，它由燃烧室、Laval喷嘴和等截面长喷管三部分组成。

在喷涂过程中，液体燃料（如煤油）在燃烧室内与氧气混合后点燃，产生高温高压的燃烧气体，这些气体流经Laval喷嘴时被加速到超音速，形成高温高速的焰流。喷涂材料（粉末或线材）被送入这个焰流中，被加热并加速到300-500m/s的速度，喷涂到基体表面，形成高质量的涂层。

特点

• 粒子飞行速度快，可以达到五马赫（1500m/s）以上。

• 喷涂温度相对较低，可以有效抑制喷涂材料在喷涂过程中的分解，尤其适合WC-Co系硬质合金的喷涂。

• 涂层结合强度高，致密性好，耐磨损性能优越，超过了等离子喷涂层、电镀硬铬层和喷熔层。

优势

1. 高粒子速度：HVOF喷涂的粒子飞行速度非常高，可以达到300-500m/s，甚至更高，这有助于涂层与基材之间形成更强的结合力。

2. 较低的喷涂温度：与等离子喷涂相比，HVOF喷涂的焰流温度相对较低，这有助于减少喷涂材料在喷涂过程中的氧化和碳化，尤其适合WC-Co系硬质合金的喷涂，有效抑制WC在喷涂过程中的分解。

3. 高密度和低孔隙率：HVOF喷涂可以获得高密度的涂层，密度可达理论密度的99.9%，孔隙率低，这使得涂层具有更好的耐磨性和耐腐蚀性。

4. 涂层质量优异：HVOF喷涂的涂层具有更好的均匀性和附着力，涂层残余应力小，可以在一定程度上设计残余应力，从而喷涂较厚的涂层。

5. 广泛的应用范围：HVOF喷涂技术适用于机械、电力、冶金、航空和石油化工等工业领域，用于金属材料表面防护和修复。

6. 环境友好：在国际“双碳”目标下，HVOF喷涂涂层可以长期为相关部件延长寿命，为低碳绿色制造提供新的途径。

7. 操作灵活性：HVOF喷涂技术可以喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂层，并可在野外作业。

8. 高喷涂效率：HVOF喷涂的生产效率较高，每小时可以喷涂几公斤到几十公斤的涂层材料。

9. 基体温度低：基体温度一般在30～200°C之间，变形小，热影响区浅，适合于热敏感材料的涂层制备。

10. 材料利用率高：HVOF喷涂过程中，材料的利用率较高，浪费较少，这有助于降低成本。

成本

1. 初期设备投资较高：HVOF技术需要专门的高温高压喷涂设备，这些设备的购置成本相对较高。例如，等离子喷涂技术相对于传统喷涂技术而言成本较高，这主要是因为涉及到高温喷涂设备、粉末材料的制备和后续涂层处理等环节 。

2. 材料利用率高：HVOF技术的材料利用率通常在40-200 g/min (5 - 26 lb/h)之间，这意味着材料浪费较少，可以减少涂层的成本。相比之下，传统喷涂技术的材料利用率较低，通常在30%至50%之间，导致更多的材料浪费 。

3. 涂层质量高：HVOF涂层具有优良的耐磨性、耐蚀性、耐高温、隔热性能，这些特性可以减少后续的维护成本和延长部件的使用寿命，从而在长期运营中节省成本 。

4. 生产效率高：HVOF技术的生产效率较高，喷涂速度是传统喷涂的5-10倍，沉积效率优于传统喷涂，这可以大大降低涂层成本 。

5. 环境友好：HVOF技术对环境的影响较少，与传统电镀工艺相比，热喷涂处理适用于多种材料及处理过程，因此，热喷涂是一个比较有吸引力的涂覆技术 。

6. 节省人力成本：HVOF技术可以减少人力资源的需求，因为它可以实现自动化和快速喷涂，从而节省人力成本 。

7. 长期经济效益：尽管HVOF技术的初期设备投资较高，但由于其高效率、高材料利用率和高质量的涂层，使得长期运营成本较低，展现出更高的经济效益 。

HVOF技术在钛合金表面制备耐磨涂层的应用实例

1. 在TC11钛合金表面采用HVOF工艺制备的WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层，能够有效改善钛合金的耐磨性和耐蚀性。研究表明，涂层的孔隙率低（2.55%），硬度高（达到1400 HV），并且与基体结合良好，主要通过机械结合的方式。这种涂层的制备不仅提高了钛合金的耐磨性，还显著降低了磨损量，喷涂涂层钛合金的磨损量仅为未喷涂钛合金的1.56%，且磨损机制主要是磨粒磨损。

2. 另一项研究中，通过HVOF技术在TC4钛合金表面制备了Cr3C2-NiCr、Ni50和NiCr涂层。结果表明，Ni50涂层能够降低TC4钛合金基体和摩擦副的黏着磨损损失，提供了一种可行的方案来提高钛合金零部件间的摩擦性能。

3. 在TC6钛合金表面利用HVOF喷涂工艺制备的纳米结构WC-10Co-4Cr涂层，研究了其对钛合金的滑动磨损和拉伸疲劳性能的影响。结果表明，涂层展现出优异的表面特性，具有最小的微裂纹和低孔隙率，显著提高了钛合金的耐磨性，并且对基材的疲劳强度影响极小。

4. HVOF喷涂的WC-Co涂层能够显著提高TC18钛合金的耐磨耐蚀性能。涂层与基体结合良好，以机械结合为主，并且硬度及弹性模量明显高于基体，显著改善了基体的耐磨性。

HVOF技术在钛合金表面制备NiCoCrAlY底层和Ni-cBN耐磨面层的应用案例

1. 工艺参数：

• 喷涂材料：NiCoCrAlY合金和Ni-cBN粉末。

• 热源：氧气和乙炔或氧气和煤油。

• 喷涂设备：采用超音速火焰喷涂设备，包括燃烧室、Laval喷嘴和等截面长喷管。

• 喷涂参数：喷涂速度、喷涂距离、喷涂厚度等需要根据具体材料和涂层要求进行优化。

2. 效果评估：

• 涂层结构：通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱（EDS）分析，可以观察到涂层与基材之间的元素互扩散现象，涂层与基体形成良好的结合。

• 涂层性能：热处理后，涂层的缺陷和孔隙率显著降低，从8.3%降至1.4%。此外，涂层的硬度、密度、结合强度和残余应力等性能指标也得到了改善。

• 耐腐蚀性：在CO2饱和盐水中进行电化学腐蚀测试，结果显示优化后的NiCoCrAlY涂层具有良好的耐腐蚀性能。