本实用新型涉及一种热喷涂技术，具体来说，涉及一种改进的超音速火焰喷涂装置。
背景技术：
超音速火焰喷涂是热喷涂技术中的一种新兴技术，它的正式命名是高速氧—燃料喷涂或高速火焰喷涂（High Velocity Oxygen—Fuel，即HVOF）。
超音速火焰喷涂（HVOF）是上世纪80年代发展起来的一种高速火焰喷涂方法。该方法利用丙烷与高压氧气在燃烧室内燃烧，并经laval管（拉瓦尔喷管）加速产生的高温高速燃烧焰流，燃烧焰流速度可达到五马赫（1500m/s）以上，将喷涂粉末轴向送进该火焰可以将喷涂粉末加热至熔化或半熔化状态，并加速到高达300-500m/s，甚至更高的速度（如，超音速）。由于以超音速飞行的颗粒撞击到基体表面时会更加平展，所以HVOF喷涂涂层结合强度、密度和硬度都非常高。近年来受到极大的关注，在航空、电力、冶金、造纸及石油化工等许多工业领域获得了广泛的应用。
在80年代初，美国Browning Engineering（布朗宁工程）公司首次推出一种高速火焰喷枪，名为Jet Kote。它一出现便立即得到了人们的关注。采用这种高速火焰喷枪的喷涂方法因具有很高的粒子撞击速度，而使得涂层结合强度、硬度、致密性、耐磨性都得到了改善。
超音速火焰喷枪的基本工作原理：由喷嘴进入燃烧室内的液体燃料如煤油，经雾化与空气混合后点燃，发生剧烈的气相燃烧反应。燃烧放出热能使燃烧产物剧烈膨胀，此剧烈膨胀的气体流经喷管时，受到喷管的约束作用形成超音速高温火焰流。喷涂材料粒子在超音速高温火焰流的作用下，得到加热和加速后喷出。
超音速火焰喷枪由以下三部分结构组成：供空气与燃料燃烧的燃烧室，将气流加速到超音速的拉瓦尔喷管和使喷涂材料粒子得到充分加热与加速的等截面长喷管。
燃烧室是将燃料的化学能转化为燃烧的热能的场所。因此，燃烧室性能的好坏决定了燃烧效率的高低。燃烧室内的气流流动可看作是无摩擦加热一维定常流动。
拉瓦尔喷管的主要有两个功能：一是控制燃气的流量，在燃烧室中维持一定的压力，以保证燃料正常燃烧；二是使喷管出口获得具有超音速流动的气流，进而使注入其中的喷涂材料粒子速度大大增加，最终高速喷射到被喷涂的工件表面。
等截面长喷管能使喷涂材料粒子得到充分加热与加速。燃气在长喷管中流动可视作有摩擦绝热流动。
可见，保证喷涂燃流和颗粒的飞行速度是该技术的关键点，为此设计人员在火焰喷涂枪的设计上做了大量工作，如使用较大直径的燃烧室在保证火焰稳定燃烧的前提下增加喷涂枪的输出功率；燃烧室燃料的充分燃烧和减少散热损失也是保证燃烧室压力和出口火焰速度的关键因素。因此，喷涂设备的设计和燃料的选择都是该技术发展所需探讨和研究的方向。
技术实现要素：
本实用新型的目的对超音速火焰喷涂装置和喷涂工艺进行改进，以提高喷涂效率和喷涂质量。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种超音速火焰喷涂装置，该装置包含燃烧室、喉道和喷枪管；该燃烧室具有第一进口端和第一出口端，该第一进口端包含燃料进口喷嘴、氧化剂进口喷嘴、铝粉进口喷嘴及火花塞，该第一出口端内径逐渐减小；该喷枪管具有第二进口端和第二出口端，第二进口端的内径逐渐增大，该第二进口端还设置有喷涂材料粒子入口；第一出口端与第二进口端通过喉道连通，喉道的内径小于第一出口端、第二进口端。
所述的燃料进口喷嘴为拉瓦尔喷嘴，能使得燃料进入燃烧室就以雾化形态存在，有利于与氧化剂、铝粉的充分混合。
较佳地，所述的喷枪管的筒体为等截面枪管。
较佳地，所述的铝粉进口喷嘴用于铝粉的输入，该铝粉为特细铝粉。
较佳地，特细铝粉的粒径小于1μm。
较佳地，特细铝粉的点火点为1000K-2700K。
较佳地，所述的燃料进口喷嘴用于燃料的输入，该燃料为航空煤油。
较佳地，所述的氧化剂进口喷嘴用于氧化剂的输入，该氧化剂为氧气、空气或富氧空气。
本实用新型的燃烧室进口端包含laval（拉瓦尔）喷嘴和铝粉喷嘴，航空煤油由Laval喷嘴进入燃烧室后雾化与空气和铝粉混合，通过火花塞点火燃烧，产生H2O和CO2，温度可达2250K以上，压力达1.1×106Pa，达到特细铝粉着火点（1000K左右），铝粉与H2O和CO2进行二次燃烧，再次放出大量热量，进一步增加压力，获得足够能量的燃气通过一个Laval喷管从枪筒喷出，喷管尺寸及形状设计使得在粉末注入处产生超音速过度膨胀，以有利于减少供粉压力使粉末注入更容易，然后涂层粉末被高速燃气流携带加速、混合并熔化，高速喷涂到基体表面形成致密涂层。
本实用新型通过改进燃料和喷涂装置，取得了以下有益效果：
1、使用航空煤油代替普通煤油，热效率更高，提高焰流速度，获得了更加致密和高结合度的涂层；
2、以拉瓦尔喷嘴作为燃料尽快喷嘴，使得燃料进入燃烧室即雾化，与氧化剂充分接触，迅速燃烧，通过航空煤油及铝粉的混合二次燃烧，使燃料燃烧更加充分，为焰流提供更大更充足的动力，提高喷涂效率及喷涂质量。与相对传统电弧喷涂相比，由于本实用新型的超音速气流的雾化、加速作用，粒子细小、均匀且速度高，从而提高了涂层的结合强度和内聚强度，并降低了涂层的孔隙率；同时粒子在空中停留的时间短，涂层氧化物含量低。
附图说明
图1为本实用新型的一种超音速火焰喷涂装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例与附图对本实用新型的技术方案作进一步地说明。
如图1所示为本实用新型的一种超音速火焰喷涂装置，包含燃烧室1、喉道2和喷枪管3，该燃烧室具有第一进口端和第一出口端12，该第一进口端包含燃料进口喷嘴1-1、铝粉进口喷嘴1-2、火花塞1-3、氧化剂进口喷嘴1-4及冷却水进口1-5（该冷却水在整个喷枪外壁循环，以冷却燃烧室和枪管的外壁），该第一出口端12内径逐渐减小；该喷枪管3具有第二进口端31和第二出口端32，第二进口端31的内径逐渐增大，第一出口端12与第二进口端31通过喉道2连通，喉道2的内径小于第一出口端12、第二进口端31，该第二进口端31还设置有喷涂材料粒子入口3-1，该第二出口端32还设置有冷却水出口3-2。所述的第一出口端12、喉道2和第二进口端31构成一个拉瓦尔喷管结构，以使得燃料气流获得超音速。
所述的燃料进口喷嘴1-1为拉瓦尔喷嘴，航空煤油燃料通过喷嘴进入燃烧室后为雾化状态。
所述的喷枪管3的筒体为等截面枪管。带有涂料超音速焰流通过枪管时为不断加速和加热的高速直线的束流，为了尽量保持该束流的速度和稳定性不受枪管内气流的扰乱，所以枪管内腔设计为平行光滑的圆柱体，再此描述为各个截面相等的等截面枪管，等截面长喷管能使喷涂材料粒子得到充分加热与加速。燃气在长喷管中流动可视作有摩擦绝热流动。
采用本实用新型的超音速火焰喷涂装置对基体表面进行喷涂的方法包含：
步骤1，分别通过燃料进口喷嘴1-1、氧化剂进口喷嘴1-4、铝粉进口喷嘴1-2向燃烧室1内喷入燃料、氧化剂及铝粉，使得燃料、氧化剂及铝粉在燃烧室内充分混合；
步骤2，通过点火塞1-3点火，使得燃料在燃烧室内充分燃烧，经喉道2产生高温超音速气流，焰流温度为2700-3000℃，焰流速度可达到1500m/s以上；
步骤3，从喷涂材料粒子入口3-1向喷枪管3中输入载气喷涂材料粒子；
步骤4，经喉道产生的高温超音速气流将喷涂材料粒子在喷枪管内充分加热、加速，由喷枪管的第二出口端32喷涂到基体表面，形成喷涂层。
较佳的实施例中，所述的铝粉为特细铝粉，优选粒径小于1μm；所述的铝粉的点火温度范围为1000K~2700K。更佳地，特细铝粉的着火点为1000K。
较佳的实施例中，所述的燃料为航空煤油；铝粉与航空煤油的送入量比例为：1:50，以质量比计。
所述的氧化剂为氧气、空气或富氧空气。
对于WC-CO系、Cr3C2/NiCr系硬质合金涂层，按照ASTM或有关标准测量，本实用新型的涂层的结合强度可达到150MPa，等离子WC-CO涂层的结合强度约为40MPa,而爆炸喷涂层的结合强度为70~80MPa，而且，本实用新型的超音速喷涂WC-CO涂层的硬度可以达到1100-1300HV，与爆炸喷涂涂层相当，一般等离子喷涂层显微硬度为800-1000HV。
综上所述，本实用新型采用航空煤油做燃料，在燃烧室内加入特细铝粉，该特细铝粉能与碳氢燃料的燃烧产物H2O和CO2进行二次燃烧，使得燃料燃烧更加充分，且能提高气流的推力。航空煤油与普通煤油相比有更高的辛烷值，燃烧后能释放更多热量，且燃烧更加充分。特细铝粉（粒径小于1um的细铝粉）与普通的细铝粉（粒径约为几个um）在燃烧性能上有很大的不同，前者有很好的抗凝聚性，这样，超细铝粉在燃面就不易形成铝凝滴，其次，铝粉的点火能随粒度增大呈数量级增大，超细铝粉与普通铝粉相比，具有更低的点火点，它能改善燃烧性能与点火性能。另外，超细的铝粉燃烧后形成白色的AL2O3粉末，不会对涂层造成污染，不仅提高喷涂效率，还大大改善了喷涂质量。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。