高速电弧喷涂雾化熔滴传热过程数值分析Ⅰ.数学模型及传热参数变化规律

采用流体力学理论、凝固理论和牛顿冷却模式,提出了高速电弧喷涂雾化熔滴传热过程的数学模型,并用一种Fe-Al合金进行数值计算,用Spray watch-2i热喷涂监控系统测试不同喷涂距离处熔滴平均温度的变化,以验证数学模型的正确性,并分析了雾化熔滴传热参数的变化规律.结果表明,计算结果与实测数据基本吻合.雾化过程中熔滴的对流换热系数、温度、固相分数及冷却速度等传热参数呈规律性变化.直径为34 μm的Fe-Al合金雾化熔滴的初始液态冷却速度达2.5×106K/s,预示涂层将具有快速凝固组织特征.     

高速电弧喷涂雾化熔滴传热过程数值分析Ⅰ.数学模型及传热参数变化规律

采用流体力学理论、凝固理论和牛顿冷却模式,提出了高速电弧喷涂雾化熔滴传热过程的数学模型,并用一种Fe-Al合金进行数值计算,用Spraywatch-2i热喷涂监控系统测试不同喷涂距离处熔滴平均温度的变化,以验证数学模型的正确性,并分析了雾化熔滴传热参数的变化规律。结果表明,计算结果与实测数据基本吻合。雾化过程中熔滴的对流换热系数、温度、固相分数及冷却速度等传热参数呈规律性变化。直径为34μm的Fe-Al合金雾化熔滴的初始液态冷却速度达2.5×10⁶ K/s,预示涂层将具有快速凝固组织特征。     

高速电弧喷涂雾化熔滴的热传输行为

提出了高速电弧喷涂(HVAS)雾化过程熔滴的热传输理论模型,并用一种FeAl合金进行数值分析。结果表明,雾化过程中熔滴的液态冷却速度在105~107K穝-1数量级,预示涂层将具有快速凝固组织特征;熔滴尺寸、雾化气流初始速度、熔滴过热度及喷涂距离对雾化熔滴的热传输行为均有很大的影响;在一定范围内增大雾化气流压力,增大熔滴过热度,缩短喷涂距离,可以有效地改善高速电弧喷涂层的性能。     

等离子旋转电极雾化熔滴的热量传输与凝固行为

建立了在等离子旋转电极雾化 (PREP)制取合金粉末的过程中雾化熔滴的轨道运动方程 ,讨论了雾化熔滴在凝固过程中的热量传输与凝固行为 ,并确定了定量计算换热系数所需的雾化熔滴初始速度。用数值求解方法计算了FGH95高温合金雾化熔滴在PREP过程中的速度及其在凝固过程中的温度、固相分数、冷却速率等凝固参数。结果表明 :在作者提出的工艺参数下 ,FGH95合金熔滴的冷却速率达 10 4 K/s量级以上 ,合金过热度对冷却速率的影响主要在全液态阶段 ,而冷却速率和固相分数对氩氦气体的混合比例极其敏感     

高速电弧喷涂熔滴速度的数值模拟及试验

熔滴速度是电弧喷涂涂层性能的主要影响因素之一。本基于空气动力学和二相流流体力学理论建立了高速电弧喷涂雾化气流化和熔滴速度的数学模型，并进行了数值模拟；同时用试验方法测试了气流速度及Al,3Cr13熵滴在不同喷涂距离处的平均速度；数值计算结果与试验数据基本吻合。结果表明，雾化气流的速度和距喷嘴一定距离内将保持初始速度（约650m/s)，然后随喷涂距离的增大而衰减，这与超音速气流通过Laval喷管后所产生的膨胀波和压缩波相互作用有关；熔滴在雾化飞行过程中经历了先加速后减速的过程，小熔滴能在较短的距离内被加速到最大速度；达到最大速度之后，小熔滴由于惯性力较小而迅速减速，而大熔滴则因较大的惯性力而减速不明显；熔滴速度的变化是由熔滴的Reynolds数决定的。Al和3Cr13熵滴的最大速度在0．3m喷涂距离之内均超过音速。     

双丝电弧喷涂Ni-Al过程金属熔滴行为

对双丝电弧喷涂Ni-Al过程进行了研究。利用VOF双相流模型和标准k-ε模型,分析了不同直径熔滴在不同雾化气体压力下的变形和破碎过程,以及Weber数对熔滴破碎过程的影响。同时对不同速度的熔滴撞击基体的变形和凝固温度场进行了详细分析,揭示了双丝电弧喷涂粒子速度的飞行动力学规律。计算结果显示:双丝电弧喷涂熔滴破碎形式为一次破碎和二次破碎形式及爆炸式破碎形式。Weber数与雾化气体压力呈近似线性关系。提高雾化气体压力可以提高熔滴飞行速度,改善熔滴雾化效果。双丝电弧喷涂粒子在雾化气体中的初始加速较快,然后趋于平缓和稳定。当喷涂粒子加速飞行距离为200 mm,且粒子的粒度范围为5~50μm时,喷涂粒子的飞行速度仅能达到初始气流速度的15%~45%。熔滴的形态、凝固层变化和温度场变化一致,并获得了熔滴冷却速度范围为3.1×107~7.6×107 k/s。     

旋转盘离心雾化熔滴飞行动力学与凝固进程

建立了旋转盘离心雾化熔滴飞行与凝固进程的一个数学模型,并用Runge-Kutta方法进行数值求解,模拟镍金属熔滴飞行与凝固的基本情况,探讨过程和材料参数的影响。结果表明:在旋转盘离心雾化中熔滴经历了一个大的过冷,其过冷度约为0.2Tm;在整个飞行期间,熔滴的冷却速率并不是常数,在熔点附近冷却速率约为5×104K/s;角速度越大,冷却速率越大,熔滴开始和完成凝固所需时间越短,雾化室可小些;熔滴过热温度对熔滴过冷度和冷却速率影响不明显,但完成凝固所飞行的距离增大,从雾化室设计角度,不宜采用大的过热温度。     

超音速电弧喷射雾化银合金熔滴的传热与冷却

对超音速电弧喷射雾化Ag-Cu共晶型和Ag-Ni、Ag-Fe偏晶型合金雾化熔滴的传热与冷却进行了分析.考虑到熔滴冷却过程中, 表面热传导存在上限, 内部存在一定热阻, 熔滴冷却应为近似牛顿冷却方式, 在前人工作基础上, 对牛顿冷却方式的换热系数和冷却速率的表达公式进行了经验修正, 并用其它冷却速率测量方法进行了验证;计算了Ag合金雾化熔滴的换热系数和冷却速率, 结果显示, 超音速电弧喷射雾化快速凝固Ag合金粉末的冷却速率达到105～7K/s, 表明超音速电弧喷射雾化工艺的冷却速率比常规气雾化法高得多, 是制备高性能快速凝固合金粉末的新方法.     

喷射成形过程中雾化熔滴的凝固行为

通过对高温合金喷射成形过喷粉末凝固组织的分析，结合热传输分析结果，研究了喷射形过程中雾化熔滴的生核与生长动力学行为。研究结果表明：雾化过程中以异质生核为主，先凝固小颗粒与大尺寸熔滴相碰撞而成晶核在生核机制中起重要作用，不同粒度粉末均呈快速凝固枝晶生长形态，并给出了组织细化程度与冷却速度之间的定量关系。     

喷射成形中金属液滴凝固过程的计算机模拟

在群体动力学方法的基础上，提出了描述合金雾化液滴凝固过程动力学的数学模型，并将其与液滴的传热方程和运动方程相耦合，对A1—4．5％Cu(质量分数)合金液滴的冷却凝固过程进行了分析．结果表明，液滴冷却至一定温度时开始形核，随后晶粒长大；在形核过程中，晶粒尺寸分布区间较宽，形核后晶粒尺寸分布区间逐渐减小；液滴直径越小，冷却速度越快，晶粒数量密度越大，凝固结束时晶粒越细小．     

钛-铝双丝超音速电弧喷涂过程中熔滴粒子几何特性研究

为了研究工艺参数对钛-铝双丝超音速电弧喷涂熔滴粒子尺寸的影响规律,通过对喷枪出口处气流速度、气体质量流率和金属熔滴质量流率的分析测定,以Nukiyama-Tanasawa模型为基础,建立了喷涂粒子的平均直径与喷涂电压和电流间的解析关系,并对喷涂电压和电流对熔滴粒子平均直径的影响进行了计算机模拟仿真.结果表明:在喷枪结构和雾化气体压力一定时,雾化粒子的平均直径随喷涂电流的增大而增大,随喷涂电压的升高而减小,但总的变化幅度却较小.利用激光粒度分析仪对一定喷涂工艺条件下所得的粒子平均直径进行实验分析,结果与计算值之间的相对误差为9.52%,扫描电镜观察表明粒子形态以球形颗粒为主.     

喷射成形电子封装Si-Al合金凝固过程模拟研究

为了优化喷射成形Si-Al合金成形工艺，获得优良的显微组织，本文模拟了喷射成形Si-30wt％Al合金的凝固过程，研究了雾化压力和沉积距离对熔滴冷却过程中的温度和固相分数的影响。模拟计算结果表明，部分优化的工艺参数为：雾化压力0．8MPa，沉积距离600r／mm。该工艺条件下，固相分数可达70％。实验证实，采用该工艺参数易于获得均匀、细小的Si颗粒组织。     

雾化沉积快速凝固过程的计算机模拟：Ⅱ.数值分析

在理论模型的基础上，计算了Ａｌ－４．５％Ｃｕ合金在雾化沉积过程的气体出口速度，气体与金属熔体的质量流率。微滴平均尺寸和微滴运动速度等流体流动动力学参量以及合金在雾化和沉积阶段的温度、固相分数和冷却速度等凝固参量的变化规律，并对计算结果作了分析和讨论。     

雾化沉积快速凝固过程的计算机模拟──Ⅱ．数值分析

在理论模型的基础上，计算了Ａｌ—４．５％Ｃｕ合金在雾化沉积过程的气体出口速度，气体与金属熔体的质量流率，微滴平均尺寸和微滴运动速度等流体流动动力学参量以及合金在雾化和沉积阶段的温度、固相分数和冷却速度等凝固参量的变化规律。并对计算结果作了分析和讨论。     

高速电弧喷涂雾化气流速度的数学模型

雾化气流速度是电弧喷涂涂层性能的决定因素之一，是模拟计算熔滴速度，熔滴温度，冷却速度等参数的前提条件，通过比较文献中出现的几个数学模型，结合试验测定结果，在空气力学理论的基础上提出了高速电弧喷涂雾化气流数学模型。     

Cu-13.5%Sn合金雾化液滴凝固过程模拟

在群体动力学的基础上,提出了描述Cu-13.5%Sn（质量分数）合金雾化液滴凝固过程的动力学模型;并将其与液滴的传热方程和运动方程相耦合,对雾化液滴的冷却凝固过程进行了模拟分析,探讨了液滴尺寸、气体初始速度、熔体过热度和初生相与异质形核基底间润湿角对液滴凝固行为的影响.模拟结果表明：本模型能够很好地描述雾化液滴的凝固过程;液滴冷却至一定温度开始形核,随后晶粒长大;液滴直径越小,冷却速度越快,液滴内晶粒数量密度就越高,凝固结束时晶粒亦越细小.形核润湿角和熔体过热度的增加,导致液滴内晶粒数量密度降低,晶粒半径增大;而气体初始速度的增加,有利于液滴内晶粒细化.     

GMAW焊接熔滴过渡过程的模拟研究

以流体力学、电磁理论为基础,通过VOF方法对熔滴进行界面追踪,考虑熔滴拖拽力、表面张力,建立了GMAW熔滴过渡行为的数学物理模型。通过FLUENT软件结合udf(user-defined functions)程序对低碳钢焊接过程的熔滴过渡过程进行了模拟。结果显示:模拟的熔滴脱落时间、长度和半径与试验结果吻合较好;电流密度越大,熔滴过渡时间越短,熔滴尺寸越小。熔滴滴落过程的速度矢量结果表明,熔滴涡环的出现及湮灭与合力和粘性耗散有关。     

电弧喷涂熔滴速度分布有限元分析

基于双流体模型，并采用ANSYS／CFD分析了Al、Zn丝材电弧喷涂熔滴颗粒拟流体的空间速度分布规律。结果表明：喷涂压力的提高能够显著增大熔滴颗粒拟流体的速度；双流体混合粘度系数μmix是影响其空间速度分布的重要因素。     

雾化Al-Si合金液滴冷却凝固过程模拟

在群体动力学模型基础上，提出了描述雾化共晶合金液滴组织演变的数学模型，并将其与液滴的运动与传热方程相耦合，对合金的冷却凝固过程进行研究，探讨液滴尺寸对合金冷却凝固过程的影响，结合A390合金进行了计算。结果表明：随着液滴尺寸的减小，所获得的冷却速度及过冷度增大，而析出初生Si相的尺寸及体积分数减小，当液滴尺寸足够小时，液滴温度的变化趋势及微观组织将发生突变。     

DE-GMAW焊接熔滴过渡过程模拟研究

焊接熔滴的过渡方式以及工艺参数对于焊缝质量起着主导作用。以流体力学和电磁理论为基础,通过VOF模型对熔滴界面追踪,考虑了熔滴的等离子流拉力、表面张力,建立了DE-GMAW熔滴过渡行为的数学物理模型,并对模型进行了求解。将模拟的熔滴脱落时间、尺寸与实验结果进行了验证对比,结果吻合良好;模拟研究表明,随着旁路电流的增加,熔滴的过渡方式逐渐发生变化,熔滴过渡时间缩短,熔滴尺寸减小。入口速度(送丝速度)对于熔滴的等效直径和脱落时间有较大的影响,在旁路电流不变时,可适当地通过控制入口速度调整熔滴的等效直径与脱落时间。