新型超音速电弧喷枪、喷涂装置及制备Fe-Cr-Ni复合涂层的方法技术领域：
本发明涉及表面强化及再制造领域，涉及一种电弧喷枪、喷涂装置及制备Fe-Cr-Ni复合
涂层的方法，尤其涉及一种新型超音速电弧喷枪、包含该喷枪的喷涂装置及采用该喷涂装置
制备Fe-Cr-Ni复合涂层的方法。
背景技术：
热喷涂被广泛应用于工业生产的各个领域，如水轮机叶片、阀门，闸门、活塞杆、钢结
构桥梁等，能有效提高设备表面耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等性能，起到提高使用性能、延长使
用寿命等作用。按照热源分类，热喷涂主要分为：超音速火焰热喷涂、等离子热喷涂以及电
弧热喷涂。其中超音速火焰热喷涂主要采用丙烷、天然气、丙烯、氢气以及煤油等为燃料，
以氧气助燃，在燃烧室内快速燃烧，经过特殊设计的拉瓦尔喷管加速后形成超音速的焰流，
推动喷涂粒子以半熔融的状态高速沉积到工件表面。由于加速后的粒子以高达1000m/s的速
度冲击到工件表面，使得沉积的涂层获得致密的结构并实现70MPa以上的高结合强度，能满
足耐磨、防腐等的高性能要求，因此超音速火焰热喷涂技术被广泛应用。但是由于超音速火
焰热喷涂采用的是燃料加氧气的方式，存在成本较高，不适用于现场作业等局限性。
电弧喷涂，由于操作便捷、适用于现场作业、成本低、效率高、使用寿命长等特点，特
别适用于材料表面的防腐蚀施工，如桥梁、铁塔、锅炉、闸门等大型的钢结构件，可以很好
的替代传统的油漆、树脂刷涂以及电镀等。但是，传统的电弧喷涂技术存在粒子速度低、涂
层孔隙率较高(10～20％)、结合强度不足(5～25MPa)、氧化严重等问题，制约了该技术的发
展。
因此，新的电弧喷涂装置及方法被广泛研究，以提高电弧喷涂的粒子速度，如超音速电
弧喷枪(201120241285.X)介绍了一种高速电弧喷枪，金属熔粒流的飞行速度可达330m/s左
右。这些新的电弧喷涂装置较传统电弧有了一定的提高，但也仅仅小幅度提高了喷涂的粒子
速度，未能实现真正的超音速电弧喷涂。
随着现代工业的发展，对产品使用性能以及使用寿命的要求在不断提高，对于众多钢结
构件，既需要良好的耐腐蚀性能又增加了耐磨的要求。仅仅提高电弧喷涂的粒子速度将无法
满足要求，并且传统的电弧喷涂铝、锌、镁、铜等合金的方式，由于硬度低(200HV0.2左右)，
耐磨性能差，无法满足要求，需要选用更加先进的喷涂装置、喷涂方法以及新的合金丝材，
如Fe-Cr-Ni合金等。目前的电弧喷涂装置无法很好的完成这一类硬质合金丝材的喷涂。
发明内容：
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种新型超音速电弧喷枪、包括该喷枪
的喷涂装置及采用该装置制备Fe-Cr-Ni复合涂层的方法，该种电弧喷枪喷射的金属粒子速度
可达到800m/s以上，采用包含该喷枪的喷涂装置制备的Fe-Cr-Ni复合涂层具有高致密度、高
结合强度的特点，其优异的耐腐蚀、耐磨损、低氧化等性能更能满足实际应用的要求。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：
一种新型超音速电弧喷枪，包括两根高压空气输入管和两根导丝管，还包括安装基座、
燃烧室壳体、保护壳体和点火装置，安装基座上开有冷却空气管和用于通入燃料和压缩空气
的混合气体管，燃烧室壳体一端开有若干进气孔，另一端开有喇叭口状的雾化喷嘴，燃烧室
壳体与安装基座固连，二者之间形成燃烧腔体，燃烧腔体内安置布有若干通孔的环状催化陶
瓷片，催化陶瓷片上部分通孔与进气孔一端相联通，进气孔另一端连接混合气体管，保护壳
体套置于燃烧室壳体外，并开有喷枪出口，保护壳体与燃烧室壳体之间形成冷却空气流动腔，
该腔体与冷却空气管联通，采用单一的空气冷却方式，冷却空气从冷却空气管进入冷却空气
流动腔中，从喷枪出口喷出，实现对燃烧室的冷却。导丝管及高压空气输入管穿过安装基座
插入催化陶瓷片的中心孔处，使得电弧丝熔融点位于雾化喷嘴处，且高压空气的喷射方向为
射向雾化喷嘴的出口方向，点火装置穿置于催化陶瓷片上，使得点火点位于催化陶瓷片表面。
所述的燃料为丙烷、天然气或者二者任意比混合的混合气体，燃料与压缩空气进行燃烧，
不需要氧气。
所述的催化陶瓷片上通孔个数为200-400个，环形分布于催化陶瓷片上。
所述的进气孔个数为6-8个，呈环形分布于燃烧室壳体端部。
一种新型超音速电弧喷涂装置，该装置包括上述的新型超音速电弧喷枪。
应用上述的喷涂装置制备的Fe-Cr-Ni复合涂层。
应用上述的喷涂装置制备Fe-Cr-Ni复合涂层的方法，以质量百分比计，喷涂丝材的主要
成分为Fe60～81％、Cr15～30％、Ni4～10％，丝材的直径为1.6mm或2.0mm，混合气体管输
入的燃料的压力为0.45～0.6MPa；高压空气输入管通入的压缩空气的压力为0.5～0.65MPa；喷
涂电压为30～38V；喷涂电流为250～350A；送丝速率为2-4m/min；喷涂距离为100～250mm。
本发明的有益效果在于：
(1)与传统的电弧喷涂技术相比，本发明的超音速电弧枪通过压缩空气与燃料气体在燃
烧室中的充分燃烧并经过雾化喷嘴的加速，实现了超音速的燃气射流，燃气射流的速度可达
到900-1300m/s，形成2-4个马赫锥，金属粒子速度高达800m/s，大幅度提高了涂层的性能。
(2)本发明的电弧喷枪采用多孔状的催化陶瓷片，可以大幅提高燃料与压缩空气的燃烧
效率，并且可以在高温的燃烧环境中保持稳定的状态。通过该催化陶瓷片，实现了燃料气体
与压缩空气的充分混合，以及激发了其燃烧活性，实现稳定、充分的燃烧。一方面燃料气体
可以对丝材粒子起到保护的作用，另一方面充分的燃烧使得燃气射流中的含氧量降低，减少
了粒子的氧化。
(3)采用高压空气对雾化燃气射流起到进一步的加速作用，同时保证雾化射流从雾化喷
嘴中喷出，而不会倒流。
(4)与传统电弧喷涂涂层相比，本发明获得的涂层的结合强度提高了2倍以上
(30～45MPa)，可以有效避免涂层发生剥落，涂层的孔隙率降低到2％以下，可以获得致密的
涂层结构，有效防止腐蚀介质从孔隙进入并腐蚀基体，提高涂层的耐腐蚀性能；该涂层使用
时无需封孔处理，减少了工序和成本(传统电弧喷涂获得的涂层孔隙率高，大约10％左右，
使用时必须要封孔处理)。此外，涂层的平均显微硬度高于400HV0.2(400～550HV0.2)，可以
大幅提高涂层的耐磨性能；涂层的氧化率降低30％，可以保持良好的粉末性能。
(5)通过本发明超音速电弧技术制备的Fe-Cr-Ni复合涂层，具有传统电弧喷涂涂层所无
法实现的高致密性及耐磨性能等，可以被广泛应用于如闸门、锅炉管壁、活塞杆等工件表面。
附图说明：
图1为超音速电弧喷枪的结构示意图；
图2是图1的A-A方向剖面图；
图3为本发明制备的Fe-Cr-Ni复合涂层的截面扫描电镜照片。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明。
图1所示为本发明新型超音速电弧喷枪的一种实施案例，包括两根高压空气输入管13和
两根导丝管7，还包括安装基座14、燃烧室壳体2、保护壳体1和点火装置12，安装基座14
上开有冷却空气管8和用于通入燃料及压缩空气的混合气体管6，燃烧室壳体2一端开有6
个呈环状均布的进气孔5，另一端开有喇叭状的雾化喷嘴9，燃烧室壳体2与安装基座14固
连，二者之间形成燃烧腔体3，燃烧腔体3内安置布有若干通孔的环状催化陶瓷片4，催化陶
瓷片4上部分通孔与进气孔5一端相联通，进气孔5另一端连接混合气体管6，保护壳体1
套置于燃烧室壳体2外，并开有喷枪出口，保护壳体与燃烧室壳体之间形成冷却空气流动腔
11，该腔体与冷却空气管8联通，导丝管7及高压空气输入管13穿过安装基座14插入催化
陶瓷片4的中心孔处，使得电弧丝熔融点10位于雾化喷嘴处，点火装置12穿置于催化陶瓷
片上，使得点火点位于催化陶瓷片4表面。
如图2所示，催化陶瓷片4呈多孔结构，开有200-400个通孔，呈环形分布于催化陶瓷
片上，催化陶瓷片与燃烧室壳体2紧密连接，使部分通孔与进气孔联通，燃料及压缩空气的
混合气体通过混合气体输入管6以及进气孔5进入催化陶瓷片4的孔中，在穿过这些孔时，
获得充分的混合及催化，进入燃烧腔体3中，进行充分、稳定的燃烧。
燃烧室壳体2、燃烧腔体3、催化陶瓷片4、进气孔5及雾化喷嘴9构成燃烧室雾化器，
雾化喷嘴为喇叭形结构，位于燃烧室的出口端。燃烧产生的高速焰流通过雾化喷嘴加速后喷
出形成高速燃气射流，高压空气通过高压空气输入管13喷向雾化喷嘴方向对高速燃气射流进
行进一步加速，最终形成雾化射流的速度为900-1300m/s，形成2-4个马赫锥。
两根导丝管7及两根高压空气输入管13末端分别对称地置于催化陶瓷片4的中心孔处，
正负极电弧丝的熔融点位于燃烧室雾化器的雾化喷嘴9内，电弧丝通过导丝管7进入该位置
后接触形成高温电弧区，形成熔融的金属粒子。
燃烧室雾化器中产生的高速焰流以及高压空气形成超音速雾化射流，对熔融的电弧丝进
行雾化，获得超细的雾化粒子，并将粒子加速到800m/s以上，沉积到工件表面形成涂层。
保护壳体1内壁和燃烧室壳体2外壁之间形成冷却空气流动腔11，冷却空气进入该腔体
对燃烧室雾化器进行冷却后从喷枪出口端喷出，不需要其他如水循环冷却等冷却方式。
图3所示为采用超音速电弧喷涂的Fe-Cr-Ni复合涂层，其一种制备方法具体如下：
1、预处理
对基体(如45钢、Q235等常用钢材)表面进行去离子水清洗，丙酮、酒精除油清洗，
烘干，喷砂毛化处理(选用20-35目的白刚玉或棕刚玉砂，喷砂压力0.4～0.6MPa)，处理后表
面达到St3的洁净度要求。
2、对基体进行预热，预热后基体表面温度为150-200℃。
3、采用本发明的超音速电弧喷涂装置进行超音速电弧喷涂Fe-Cr-Ni复合涂层，喷枪与基
体表面夹角75～90°，喷涂距离为100～250mm，喷枪移动速度为500～800mm/s，送丝速率为
2-4m/min。喷涂丝材的主要成分为Fe60～81％、Cr15～30％、Ni4～10％(质量百分比)，丝材
的直径为1.6mm或2.0mm，
4、主要工艺参数为：丙烷及压缩空气的压力0.45～0.6MPa；高压空气的压力为
0.5～0.65MPa；电压30～38V；喷涂电流为250～350A。
5、喷涂5～7层，涂层最终厚度150～200μm。
6、涂层性能测试分析：涂层的孔隙率小于2％，结合强度为35～45MPa，显微硬度为
400～550HV0.2，300h盐雾试验等级为Rp10，涂层的摩擦磨损测试性能较基体提高4倍以上，
具有良好的耐腐蚀性能及耐磨性能。