高速電弧噴涂熔滴速度的數(shù)值模擬及試驗

發(fā)布于：06-10

核心提示：高速電弧噴涂熔滴速度的數(shù)值模擬及試驗
摘要：熔滴速度是電弧噴涂涂層性能的主要影響因素之一。本文基于空氣動力學和二相流流體力學理論建立了高速電弧噴涂霧化氣流和熔滴速度的數(shù)學模型，并進行了數(shù)值模擬；同時用試驗方法測試了氣流速度及Al、3Cr13熔滴在不同噴涂距離處的平均速度；數(shù)值計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合。結(jié)果表明，霧化氣流的速度在距噴嘴一定距離內(nèi)將保持初始速度（約650m/s），然后隨噴涂距離的增大而衰減，這與超音速氣流通過Laval噴管后所產(chǎn)生的膨脹波和壓縮波相互作用有關(guān)；熔滴在霧化飛行過程中經(jīng)歷了先加速后減速的過程，小熔滴能在較短的距離內(nèi)被加速到最大速度；達到最大速度之后，小熔滴由于慣性力較小而迅速減速，而大熔滴則因較大的慣性力而減速不明顯；熔滴速度的變化是由熔滴的ReyπR2t為噴管喉部面積；Rt為噴管出口半徑。通過式（1）~式（4）可以求出霧化氣體速度沿軸向的分布。
1.2?熔滴的速度
在兩絲交會處形成的熔滴與高速霧化氣流之間存在著速度差異，因此熔滴在氣流拖曳力的作用下被加速。直徑為d的球形熔滴在一維定常氣流下的運動可由牛頓第二定律的形式給出［5］
式中：v為直徑為d的熔滴速度；ρg為氣體密度；ρd為熔滴密度；CD為拖曳系數(shù)。式（6）即為合金熔滴的運動方程。該方程忽略了時變與附加質(zhì)量的影響，即熔滴運動僅由氣流的拖曳力所決定。拖曳系數(shù)CD主要與Reynolds數(shù)有關(guān)，是表征氣體對熔滴作用程度的無量綱系數(shù)，在0.1?式中：Re為熔滴的Reynolds數(shù)；μg為氣體的動力學粘度。經(jīng)微分變換，有
由式（5）～式（9）可求出熔滴的軸向速度隨噴涂距離的變化關(guān)系。
1.3?數(shù)值模擬
利用數(shù)學計算軟件Matlab5.3對霧化氣流軸向速度和不同直徑的Al及3Cr13熔滴速度進行了數(shù)值模擬計算。計算所用參數(shù)如表1所示。
2?試驗過程
2.1?霧化氣流速度的測定
采用畢托管總壓法測定噴管出口霧化氣流的速度［7］。在噴管的出口處若氣流為超音速，就會在畢托管測試探針的管口處產(chǎn)生正激波。正激波波后氣流滯止壓力記作P1，當?shù)貧鈮簽镻a。根據(jù)Pa與P1的比值可確定馬赫數(shù)，可計算出氣流的速度。其測試原理如圖1所示。
2.2?熔滴速度的測定
采用雙轉(zhuǎn)盤法測定高速電弧噴涂熔滴在不同噴涂距離處的平均飛行速度，噴涂材料及工藝參數(shù)如表2所示，測試原理見圖2。即在第一盤上開設(shè)窄縫，當盤不旋轉(zhuǎn)時，由噴槍射出的粒子束可以通過此縫在第二盤上留下標記，隨后以高速旋轉(zhuǎn)同軸的雙轉(zhuǎn)盤，繼續(xù)噴涂，在第二盤上留下另一標記。粒子飛行的平均速度計算公式為
式中：L為兩盤間距；s為兩標記間弧長；R為轉(zhuǎn)盤半徑；n為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，vm為粒子平均速度。
3?結(jié)果與分析
3.1?軸向氣流速度分布
圖3是軸向氣流速度分布的數(shù)值模擬和測試結(jié)果，可見二者基本吻合。表明采用的數(shù)學模型較好地描述了高速電弧噴涂過程中軸向氣流速度的分布情況。
計算的氣流初始速度為653m/s，而且在距噴管出口0.08m內(nèi)保持該速度，之后開始隨距離的增大而衰減。實測氣流速度也反映出相同的規(guī)律，只是在初始階段氣流速度在600~700m/s范圍內(nèi)波動，然后開始下降。由于新型高速電弧噴槍采用了縮張形Laval噴管，故當0.65MPa的高壓空氣通過Laval噴管時，形成欠膨脹狀態(tài)的超音速氣流，氣流出管后繼續(xù)膨脹加速，直到射流邊界（自由邊界）。膨脹波在自由邊界上反射為壓縮波，二者相交形成馬赫錐［7］，從而造成在距噴管出口一定距離內(nèi)超音速氣流軸向速度出現(xiàn)波動。隨噴射距離的增大，與環(huán)境大氣的相互作用也增大，產(chǎn)生的壓縮波越來越強，氣流軸向速度進入衰減階段?？梢?，使用高速電弧噴槍，擴大了氣流超音速區(qū)域范圍，這不僅會提高熔滴的飛行速度，而且也將改善熔滴的霧化效果。
3.2熔滴速度分布
圖4是熔滴速度分布的數(shù)值模擬結(jié)果，計算時選用3Cr13，熔滴直徑為5~100μm?？梢钥闯?，熔滴被霧化氣流加速到一最大速度后開始減速，在熔滴的最大速度處氣流速度等于熔滴速度，此時熔滴的Reynolds數(shù)為零。即熔滴經(jīng)歷了一個加速減速的過程。
由式（8）可知，熔滴的直徑越小，其Reynolds數(shù)也就越小。而從式（7）可知，Reynolds數(shù)越小，則拖曳系數(shù)CD越大。因此，與大熔滴相比，小熔滴能在較短的時間和距離內(nèi)被加速到最大速度。達到最大速度之后，由于氣流速度小于熔滴速度，熔滴失去加速力而開始減速；而且直徑小于20μm熔滴的Reynolds數(shù)變得很低，慣性力很小，這時氣流的阻礙作用就表現(xiàn)明顯。所以，小熔滴速度迅速下降，在曲線上表現(xiàn)出一最大速度峰值。而大于30μm的熔滴在達到最大速度之后，其拖曳系數(shù)近似為0.7，因此大熔滴仍有較大的慣性力而沒有明顯的減速。從曲線上看，除了霧化的初始階段之外，大熔滴的速度隨噴涂距離的變化不大。
3.3?Al和3Cr13熔滴平均速度分布
由于用雙轉(zhuǎn)盤法測定的是在距噴槍一定距離處所有直徑熔滴的平均速度，故在數(shù)值模擬時，計算出平均直徑熔滴的速度，并與實測值進行比較。噴入水中的凝固粒子經(jīng)分離、清洗和烘干后，在Q500MC圖像分析儀上統(tǒng)計粒度分布，并計算出Al和3Cr13粒子的平均直徑分別為20.4μm和48.9μm。
圖5是Al和3Cr13熔滴平均速度的數(shù)值模擬和實測的結(jié)果，可以認為數(shù)值模擬基本上反映了熔滴的運動規(guī)律。結(jié)果表明，在超音速的霧化氣流的帶動下，高速電弧噴涂霧化熔滴能夠達到很高的飛行速度。在噴涂距離0.3m內(nèi)，Al熔滴的最大速度約為342m/s，3Cr13熔滴的最大速度約為388m/s?，均超過音速（當?shù)匾羲偌s為340m/s）。而在傳統(tǒng)電弧噴涂下熔滴的最大速度約為250m/s［2］。由于熱噴涂涂層與基體及扁平粒子之間主要以機械結(jié)合為主，所以熔滴速度的顯著提高有利于提高涂層與基體之間界面的結(jié)合強度和扁平粒子之間的內(nèi)聚結(jié)合強度。同時，由于熔滴速度的增大，縮短了熔滴的霧化飛行時間，也提高了熔滴撞擊基體時的溫度，增加了熔滴撞擊瞬間的鋪展能力，不但能夠減少氧化物的含量，而且能夠降低孔隙率，從而改善了電弧噴涂涂層的綜合性能。
4?結(jié)論
（1）用建立的高速電弧噴涂霧化氣流和熔滴速度分布的數(shù)學模型進行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合。
（2）霧化氣流的速度在距噴管出口一定距離內(nèi)將保持初始的超音速，然后隨噴涂距離的增大而衰減。這與超音速氣流通過Laval噴管后所產(chǎn)生的膨脹波和壓縮波相互作用有關(guān)。
（3）熔滴在霧化飛行過程中經(jīng)歷了先加速后減速的過程。小熔滴能在較短的距離內(nèi)被加速到最大速度；達到最大速度之后，小熔滴由于慣性力較小而迅速減速，而大熔滴則因較大的慣性力而減速不明顯。熔滴速度的變化是由熔滴的Reynolds數(shù)決定的。
（4）Al和3Cr13熔滴的最大速度在0.3m噴涂距離之內(nèi)均超過音速。(http://www.newmaker.com)