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Ⅱ.工艺参数对熔滴传热过程的影响

在高速电弧喷涂雾化熔滴传热过程数学模型的基础上，用Fe-Al合金进行了数值计算，分析了工艺参数对熔滴传热过程的影响。结果表明，熔滴尺寸越小，在一定喷涂距离上的对流换热系数则越大、熔滴温度越高、固相分数越小、冷却速度越大；雾化气流压力和喷涂电流越大，在一定的喷涂距离上熔滴温度也就越高，熔滴中的固相分数越低，且其凝固过程也越长；熔滴的冷却速度对熔滴尺寸和喷涂距离的变化十分敏感，而对雾化气流压力和喷涂电流的变化不太敏感；Fe-Al合金熔滴的液态冷却速度达10^5～10^7K／s数量级，预示涂层将具有快速凝固组织特征。     

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。     

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.     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

等离子喷涂层片形成过程流体动力学模拟

建立了等离子喷涂层片形成过程的流动、传热和凝固耦合的三维数学模型,基于计算流体力学软件Fluent,运用有限体积法（FVM）离散控制方程,流体体积跟踪法（VOF）追踪熔滴自由表面,模拟了镍熔滴撞击基底表面形成层片的流体动力学过程,并对结果可视化输出.结果表明,撞击开始时刻,压力在撞击点出现最大值,熔滴内部压力场呈＂蘑菇云＂状,撞击压力分布从撞击点向熔滴上部递减;熔滴撞击后沿径向铺展,速度矢量场出现两个对称漩涡,在基底导热和熔体流动传热综合作用下,铺展熔滴内部温度场呈＂驼峰＂状分布;熔滴铺展速度最大值滞后最大撞击压力0.03μs出现.     

Heat transfer analysis of atomized droplets during high velocity arc spraying

The heat transfer problem of the atomized droplets during high velocity arc spraying (HVAS) was modeled and solved by a numerical method using a Fe-Al alloy, and the influences of several important process parameters on the heat transfer behaviors of the atomized droplets were analyzed. The results show that the initial cooling rates of different size droplets range from 105 to 107 K/s, thus producing the coating microstructure with the features of rapid solidification. The droplet size, atomization gas pressure and droplet superheat have great influences on the heat transfer behavior of the droplet. The droplet temperature and cooling rate are much sensitive to the droplet sizes, but insensitive to the atomization gas pressure and droplet superheat. It can be predicted that the properties of HVAS coatings will be improved by decreasing droplet size as well as increasing atomization gas pressure and droplet superheat in certain extents.     

雾化工艺对Al-Si合金液滴凝固组织的影响

将雾化合金液滴的传热与运动方程相耦合,对合金的冷却过程进行研究,探讨液滴尺寸、气体初始速度、熔体过热度等参数对合金冷却过程及粉末微观组织的影响,并结合A390合金进行了计算。结果表明,随着液滴尺寸减小,所获得的冷却速度及过冷度增大;当液滴尺寸足够小时,液滴温度的变化趋势及合金液滴的组织将发生突变;增加雾化气体的初始速度,降低熔体过热度,可以抑制初生相的析出,有利于细化合金的组织。     

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。     

Modeling of heat flow and solidification during atomization and spray deposition processing

A mathematical model of the spray deposition process, based on heat flow analysis during solidification of droplets, as well as that of the spray deposit, is presented. The heat flow during cooling of droplets is analyzed in five distinct stages. A one-dimensional heat transfer model, using a finite difference method, is used to calculate the temperature of the deposit. The results indicate that the cooling rate of a wide size range of droplets of Al-4.5 Cu alloy in the spray varies from 10³–10⁵°C s⁻¹ in contrast to a slow cooling rate of 1–10°C s⁻¹ of the spray deposit. The spray enthalpy on the deposition surface increases linearly with the melt superheat. In contrast, the atomization gas pressure does not have a significant influence on the enthalpy of the spray in this process. The cooling rate of the deposits predicted from the model compares well with those obtained by the measurements.     

POEM法制备微米级Cu球形粒子的传热与凝固行为研究

脉冲微孔喷射法（POEM）制备微米级球形粒子是典型的无容器传热和凝固过程,制备出的球形粒子具有粒径均一、圆整度高、热履历一致等特点,对流和辐射主导的传热机制对其制备工艺、凝固过程和组织控制至关重要。针对脉冲微孔喷射法微米级球形金属粒子的制备过程、冷却传热与凝固特征,本文建立了三维球坐标系下的粒子传热与凝固数值计算模型,考虑纯Cu粒子在无约束凝固过程中的对流和辐射换热特点,采用温度回升法处理纯金属的凝固潜热,计算了金属粒子在凝固过程不同阶段的温度变化与分布特点,考察了粒子凝固进程中的温度梯度、冷却速率、液固界面推进与凝固速度;模拟分析粒子的对流、辐射换热特征及贡献强度,探讨了不同制备工艺对粒子对流换热的影响,为POEM法微米级球形粒子制备工艺的优化和凝固过程调控提供参考。