火焰喷涂是一种以气体燃料或液体燃料在氧气或空气助燃形成具有一定喷射速度的燃烧火焰作为热源，将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷射到经过预处理的基体表面上，形成涂层的工艺方法。根据燃烧火焰的性质，火焰喷涂技术可以分为普通火焰喷涂技术、超音速火焰喷涂技术和爆炸喷涂技术；根据喷涂材料的形态，火焰喷涂技术又可以分为粉末火焰喷涂技术、线材火焰喷涂技术和棒材火焰喷涂技术。

    火焰的形貌特点

    可燃气体（如乙炔C2H2）在预先混合好的空气或氧气中燃烧就形成火焰。

    在火焰燃烧反应中，有一次燃烧和二次燃烧问题。氧-乙炔火焰的一次燃烧反应为：

    C2H2+O2 = H2+2CO                       （1）

     一次燃烧反应形成的火焰即为氧-乙炔火焰中的焰心（靠近焊炬喷嘴孔成圆锥状而发亮的部分），如图1a所示。当然，氧和乙炔一次燃烧并没有全部将可燃物烧掉，一次燃烧产物还可燃烧。因此还将发生二次燃烧，其反应为：

    2CO+O2 = 2CO2                         （2）

     H2+1/2O2 = H2O                         （3）

     二次燃烧是一次燃烧的中间产物与外围空气中的氧发生的二次燃烧，生成稳定的最终产物。二次燃烧的形成的火焰即为氧-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

图1  氧–乙炔火焰形貌示意图

    当调节和控制燃气（C2H2）与助燃气（O2）之比例时，可以得到3种形貌的氧–乙炔火焰，以适用于不同材料的喷涂。这三种形貌就是中性焰（见图1b）、碳化焰（见图1c）和氧化焰（见图1d）。

    当氧与乙炔的混合比为1.0~1.2而燃烧时，即形成中性焰，它对被熔材料既不起氧化作用，也不起还原作用。中性焰可分为三个部分：焰芯、内焰和外焰。焰芯为尖锥状，白色明亮，轮廓清楚；内焰呈蓝白色，轮廓不清楚，与外焰无明显的界限；外焰由里向外逐渐由淡紫色变为橙黄色。在一次火焰内基本上无自由氧和游离碳。

    当氧与乙炔的混合比小于1.0而燃烧时，形成的火焰为碳化焰（图1c），也称还原焰，它是具有还原作用和碳化作用的火焰。因为氧气不足以使乙炔完全燃烧，过量的乙炔分解为碳和氢，碳会渗到被熔材料中使材料增碳，故称为碳化焰。火焰结构也分为三部分：焰芯、内焰和外焰。焰芯呈白色，外围略带蓝色；内焰呈淡白色；外焰呈橙黄色。乙炔量多时还带黑烟，火焰长而柔软。

    当氧与乙炔的混合比大于1.2而燃烧时，即形成氧化焰（图1d）。氧化焰的结构可区分为焰芯及外焰两部分。火焰中有过量的氧，在焰心外应形成一个有氧化性的富氧区。焰芯短而尖，呈青白色；焰芯外焰呈稍带紫色的外焰，比正常外焰短，火焰挺直。

    火焰的燃烧方式

    以气体燃料火焰燃烧为例，其燃烧方式有以下两种：

    （1）扩散燃烧

    此种燃烧方式是指燃料气体和助燃气体分别由各自喷口喷入燃烧室，一边扩散混合，一边燃烧的燃烧方式。扩散燃烧火焰很长，燃烧火焰稳定性好，不会发生回火现象，但火焰温度不太高。

    （2）预混燃烧

    此种燃烧方式是指气体燃料与部分或全部助燃气均匀混合后再进入燃烧室燃烧，预混燃烧属于动力燃烧。在部分预混燃烧时，火焰有两个锥面，即内焰和外焰，在外焰区实际上是气体燃料的扩散燃烧。随助燃气的增加，火焰缩短。达到完全预混燃烧时，燃料燃烧速度很快，燃烧几乎可以在瞬间完成，外焰不再存在。采用预混燃烧方法能够实现高负荷燃烧，但有回火的危险。

    热喷涂常采用的是预混燃烧方式。在预混燃烧中，燃料气和助燃气的混合方式主要有射吸式混合和等压式混合两种。射吸式混合指燃烧气与助燃气按喷射器原理混合，一般以助燃气做喷射气体，如图2所示。

图2  射吸式混合原理图

    等压式混合是燃料气和助燃气均以临界速度喷入混合室内进行混合（见图3），等压式混合时，燃料气和助燃气的压力相等或成一定比例，燃料气与助燃气流动可分为平行流动（靠湍流混合）和按一定角度或垂直相交流动及两者均为旋转气流之间的混合两种。

图3  等压式混合原理

     等压式混合的预混燃烧稳定性较射吸式混合的要高，其预混燃烧的气体流量（火焰功率）及调节范围也比射吸式预混燃烧大。

    火焰的传播特性

    气体燃料燃烧的火焰传播速度是指燃烧火焰锋面在其法线方向上向未燃烧气体燃料方向传播的速度。按气体火焰传播理论，要维持火焰的稳定性，应保持可燃气体向火焰锋面的运动速度与火焰传播速度相等，否则将出现回火或脱火现象。

    1. 脱火

    当可燃气体混合物在燃烧火焰锋面处，沿法线方向上的分速度大于该混合物火焰传播速度时，火焰会脱离喷口燃烧，甚至被吹灭，这种现象称为脱火。对应于脱火时的可燃气体混合物的气流速度称为脱火极限。

    2. 回火

    当可燃气体混合物在燃烧火焰锋面处，沿法线方向上的分速度小于该混合物火焰传播速度时，火焰缩回燃烧器内部，这种现象称为回火。对应于回火时的可燃气体混合物的气流速度称为回火极限。回火可能性与火焰传播速度成正比。

    只有当可燃气体混合物气流速度处于回火极限和脱火极限之间时，火焰才能稳定燃烧。对火焰喷涂设备而言，脱火危害远小于回火。因此在喷涂操作中要特别注意防止回火的发生，预防回火的方法主要是降低火焰传播速度或提高燃气喷出速度，具体措施如下：

    （1）在保证可燃气体流量的条件下，选择多孔数、小孔径、深喷口的喷嘴设计，可以提高燃气的喷出速度和喷嘴的冷却作用，减小火焰的传播速度。

    （2）选用火焰传播速度较低的燃气。

    （3）对喷嘴进行冷却，可有效防止可燃气初始温度的上升，减小火焰传播速度。

    （4）保证较高的喷嘴内气压，提高燃气的喷出速度。

    （5）选择扩散燃烧方式，使燃气和助燃气在喷嘴外边扩散混合边燃烧。但这种方式燃烧强度有限。

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