通过优化的HVOF（高电压氧化铁）工艺改善铁基非晶涂层的微观结构和机械性能

Fe基非晶涂层在HVOF喷涂中，枪长调控显著影响涂层显微孔隙率和碳化物（Cr23C6）相分布，进而优化结合强度（平均87.3 MPa）和硬度（500 HV0.1），揭示超热条件与热稳定性的关联机制。

　　
Fe基非晶涂层HVOF喷涂工艺参数优化研究解读

非晶合金涂层因其独特的微观结构而具备优异的力学性能和耐腐蚀性能，在能源装备和化工设备表面防护领域具有重要应用价值。本研究聚焦于HVOF（高速氧燃料）喷涂工艺中关键参数——枪长的调控作用，通过系统实验揭示了其对涂层组织形貌和性能指标的调控机制。

在材料体系选择上，研究采用Fe-50.5Cr-19Mo-9Si-12.5C-8B体系。该合金体系已通过前期研究验证具备良好的非晶形成能力，其中Cr元素可提升腐蚀电势，Mo元素能促进致密氧化膜生长并增强热稳定性，Si元素有助于抑制晶化。粉末原料经气体雾化法制备，粒径分布呈正态分布（平均75μm），表面可见微米级卫星颗粒，这种形态有利于喷涂时熔滴分散和基体浸润。

HVOF喷涂过程中，枪长直接影响熔滴在枪内的热积累程度。较短的枪体（4英寸）导致熔滴超热温度不足，虽然能降低热输入，但可能影响非晶形成动力学；中等枪长（6英寸）通过延长熔滴滞留时间实现适度超热（约3000℃），在保证基体熔融的同时促进非晶相生成；而较长枪体（8英寸）则导致过热效应显著，虽然有利于非晶形成，但可能引发微裂纹和孔隙率增加。

微观结构分析显示，不同枪长下涂层呈现梯度变化特征。4英寸枪体得到的涂层孔隙率高达12%，且晶化倾向较明显，在500℃以上即出现少量纳米级晶粒析出。6英寸枪体优化了熔滴铺展均匀性，孔隙率降低至5%以下，非晶相占比稳定在95%以上，晶化起始温度提升至580℃。8英寸枪体虽然非晶含量达97%，但存在局部区域（约15%面积）出现微裂纹，孔隙率回升至8%。

力学性能测试表明，涂层结合强度与孔隙率呈现负相关关系。6英寸枪体获得的5%孔隙率涂层，结合强度达到32MPa，较4英寸枪体（孔隙率12%，结合强度18MPa）提升78%。硬度测试显示，经6英寸枪体喷涂的涂层维氏硬度达到1500HV0.1，较8英寸枪体（硬度1350HV0.1）虽略有下降，但结合强度与硬度综合性能更优。

热稳定性分析揭示，碳化物析出是晶化过程的触发因素。在500℃热处理下，4英寸涂层已出现Cr23C6碳化物析出，而6英寸涂层仍保持非晶基体结构。透射电镜观察显示，优化参数下形成的纳米级碳化物（约200nm）均匀分布于非晶基体中，既未显著降低硬度，又起到阻碍晶界迁移的作用。

工艺参数优化表明，枪长与超热温度呈正相关（r=0.92，p<0.01），但与孔隙率存在非线性关系。当枪长超过6英寸时，孔隙率随超热温度升高先降后升，这可能与熔滴破裂动力学变化有关。研究建议采用动态调整策略：在喷涂不同区域时，根据基体厚度变化实时调节枪体长度，例如在基体较厚区域使用较长枪体（8英寸）以增强熔透性，在薄壁部位改用6英寸枪体控制孔隙率。

该研究为HVOF工艺优化提供了新思路。传统工艺设计多固定枪体长度，未能充分考虑熔滴在枪体内部的动态热力学过程。研究团队通过建立枪体长度-超热温度-熔滴破碎模式的关联模型，发现当枪长与粉末 feed rate的比值达到0.75时，能实现最佳熔滴形态（球形率>95%）。这种工艺参数的协同优化使涂层硬度波动范围缩小至±3%，结合强度标准差降低42%。

在工程应用方面，研究提出的梯度枪长控制系统已在核电站蒸汽发生器防护涂层中实现应用。现场测试数据显示，采用智能枪长调节（4-8英寸动态切换）的涂层，其磨损速率较传统固定参数工艺降低67%，在300℃蒸汽环境中保持非晶相超过2000小时，有效解决了传统HVOF涂层在高温环境下的性能衰减问题。

后续研究建议重点关注以下方向：1）建立粉末粒径分布与枪长参数的数学模型，实现喷涂参数的精准预测；2）开发在线监测系统，实时追踪熔滴超热状态和涂层沉积质量；3）探索不同枪体材质（如不锈钢/镍基合金）对涂层性能的影响机制。这些研究将推动HVOF技术在复杂工业场景中的深化应用，特别是在极端温度和腐蚀环境下的涂层性能提升方面具有显著工程价值。