超音速喷枪的结构特点
较先进的HVOF系统如JP25000，广东喷涂，使用安全的液体燃料、高压喷涂、吸入式送粉，设备热效率高。氧气和液体燃料被送进喷枪后部的燃烧室，并用火花塞点燃。粉末沿径向并从双孔加入内喷嘴喉管后的过度膨胀负压区，从而不需要高压送粉系统。现有超音速火焰喷涂系统之间结构上的主要差别在于:冷却方式:空气冷却和水冷却;送粉方式:轴向送粉和径向送粉;燃料种类:气体燃料(包括丙烯、丙烷、氢气或乙炔)和液体燃料(包括煤油、酒精、汽油等) 喷嘴结构: L aval喷嘴及等截面长喷管结构。
HVA F喷枪的结构原理与HVO F相近，只是在燃气雾化后采用空气取代氧气与之混合助燃，燃烧室设计上要求燃烧的完善程度尽可能高、燃烧稳定性好、点火容易可靠。所以一般采用最常用的圆筒型燃烧室并使燃油通过很细的喷嘴有效雾化;燃烧室外壁预热空气时同时冷却燃烧室。装甲兵工程学院自行研制的空气超音速火焰喷枪采用圆筒形燃烧室，中心送粉、空气冷却方式，结构简单;使用液体燃料和压缩空气助燃，焰流温度较低，但粒子飞行速度高，可有效抑制涂层材料的相变、氧化和分解。HEPJ设备中等离子体发生器是其关键部件之一。
由喷枪后枪体输入主气(氩气)和大流量的次级气(氮气) ，经气体旋流环作用，通过拉伐尔管型的二次喷嘴射出。而同时钨极接负极，引弧时一次喷嘴接正极，在主气中经高频引弧，正极接二次喷嘴，即在二次喷嘴内壁间产生电弧，在旋转的次级气强烈作用下，电弧被压缩在喷嘴中心并被拉长至喷嘴外缘，形成弧压高达几百伏的扩展型等离子弧，大功率的扩展弧有效地加热气体，从喷嘴中射出稳定集聚的超音速等离子射流，送入的喷涂粉末被有效地升温加速，撞击工件形成涂层。
HVAA是一种新发展的电弧喷涂技术，它是在普通压缩空气气流的基础上，加入丙烷或者丙稀等燃气，与压缩空气混合燃烧产生焰流，并且燃气被调节成过量，使焰流具有一定的还原性。由于燃烧产生的加速作用，最终的焰流速度可高达2马赫以上。同时燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化，经超音速火焰气流将熔化的丝材雾化为粒度细小、分布均匀的粒子，通过喷嘴，喷向基体表面形成涂层。CGDS技术中，经低温预热的高压气体通过缩放喷管产生超音速气体射流，将喷涂粒子从轴向送入气体射流中加速，以固态的形式撞击基体形成涂层。通常的冷喷涂将高压气流分为两部分:一部分经电阻加热后进入喷管;另一部分加热后携带颗粒进入喷管，在喷管中定位并加速后喷向基体并堆积形成涂层。冷喷涂技术的工作气体一般为He和N 2，而He比N 2的加速效果更好。
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超音速喷涂技术原理
现有设备中， 热源有火焰、等离子、电弧等几种， 工作气体(或工作液体) 也有所不同， 但均采用L aval 喷嘴或等截面喷嘴两种方式获得超音速[ 1 ]。如超音速火焰喷涂是利用可燃气(如氢气、丙烷或丙烯) 或液体燃料(如航空煤油) 等与氧气混合， 在燃烧室点燃， 剧烈膨胀的气体受喷嘴的约束形成超音速高温火焰流， 粉末沿燃烧室轴心由惰性气体(如氮气) 送入，受到加热与加速而喷出。超音速等离子喷涂是借助氩气和氮气通过L aval 喷嘴产生扩展型等离子弧，再利用扩展弧来加热气体得到超音速等离子射流同时有效地加温加热喷涂粉末。超音速电弧喷涂则是利用丙烷等燃气与压缩空气燃烧产生焰流，并且燃气被调节成过量，使焰流具有一定的还原性。冷喷涂技术基于加压的预热气流、渐缩放的喷嘴和加压的粉末送料器，闸板喷涂，产生细的高度聚焦的喷涂气流；气体压力越高，粒子速度越大。
焰流是否达到超音速可通过观察火焰中是否存在马赫锥来判断。当焰流达到超音速时，焰流的速度可以达到2～5 马赫。将粉末沿轴向或径向送进焰流中，即可实现喷涂。在燃烧过程中产生的能量将用来加热和加速焰流及粉末。气流的速度与气体的成分、压力、流量、温度、密度以及喷枪喷嘴的通径等有关。L aval 喷嘴是按流体动力学的原理设计的。喷嘴的流道是由细的喉管和逐渐加粗到某一尺寸的锥形管组成，在瑞利流和范诺流效应下，L aval 喷嘴在喷嘴内部焰流达到阻塞状态，从而在出口处获得超音速射流，当亚音速气流进入L aval喷嘴的收缩段后，由于过流断面积逐渐减小，气流膨胀加速到喷嘴喉部，压力值下降到临界压强值P = P 0 [2k + 1] kk- 1 对于空气，k= 14，则P = 0. 528P 0，此时焰速达到音速，气体流量达大值，此气流在其后的扩张管内的流动将会是继续减压增速，因而在喷嘴出口处可获得超音速焰流。其速度由可压缩流体力学公式计算: V = 当P 0 达到一定值后，按喷嘴入口和出口的压力，存在一个能够获得超音速焰流的合理的喷嘴形状，燃气通过喷嘴后就可获得超音速流。而且，随着P 0 的增大，喷嘴出口处气流的速度增高[ 10 ]。但对于等截面喷嘴的喷枪，是在喷嘴出口处达到阻塞状态，在喷可以得到的大焰流速度为当地音速[ 11 ]。理想气体的当地超音C 定义为: C = K R T (1) 其中: K 为气体的比热比， R 为气体常数， T 为当地温度。当地马赫数M 定义为当地气流速度V 与当地音速C 之比: M = V ?C (2) 马赫数M = 1 的状态为临界状态，拉丝轮喷涂， 此时， 流动状态被称为阻塞， 对于等截面喷管， 喷枪出口处焰流速度达到大， 等于当地音速。因为， 对于流过等截面喷管的焰流， 对焰流的加热(瑞利流: Reyleigh f low ) 和摩擦(范诺流: Fanno f low ) 都将增加焰流的速度和马赫数。当焰流达到阻塞状态时， 在自由射流中将产生膨胀波和压缩波，这两种波相交将在射流中产生明亮的马赫锥。锥角的一半称为马赫角， 马赫角的正弦与马赫数成正比。
根据马赫角的大小就可以确定马赫数， 再由(1) 式和(2) 式即可得出焰流的速度V 。
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