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。     

高速电弧喷涂雾化过程的数值模拟

建立了高速电弧喷涂枪喷嘴结构气体流动的三维CFD模型,模拟了喷嘴的自由射流、以及气流喷向基体时的射流分布特征.在此基础上,计算了雾化熔滴在气体射流作用下的飞行轨迹,并通过对比实验测量了喷涂粒子的雾化性能.数值模拟结果显示,气体射流并非呈完全的轴对称分布,在丝材相交的平面和垂直于该平面的方向上,气流速度分布差别明显;在距基体约25 mm的射流中心附近位置,气体速度迅速下降,这为雾化熔滴的高速沉积提供了条件.另外,雾化粒子的数值模拟与实验结果相一致,都呈现出了中间高边缘低的速度分布特征.     

双丝电弧喷涂中粒子交叉飞行行为的在线测量及分析

采用两根具有不同熔点的材料分别作为双丝电弧喷涂的阳极和阴极丝材,采用SprayWatch-2i热喷涂监测系统,通过对融熔粒子飞行中温度的在线测量分析,直接验证了粒子的＂交叉飞行＂现象.利用能谱仪（EDS）定量研究了两极的材料和氧化物在喷涂沉积丘中的分布,并分析了这些分布特征在不同喷涂距离上的变化规律,结果发现,沿喷涂丘的横截面,来自阴极和阳极的扁平化粒子以接近反对称的方式分布.在所测量的两个喷涂距离上,各种成分（包括氧化物）的含量随喷涂距离变化不大.而且电弧喷涂涂层中具有约10 %左右的氧化物含量.     

电弧喷涂电弧燃烧过程分析

借助数字高速摄像技术,分析了电弧喷涂时电弧的引燃、燃烧和断弧过程.电弧喷涂时电弧遵循"引弧-燃烧-熄灭-再引弧"的过程,有两种原因造成电弧喷涂时熄弧,一是喷涂丝材短路,电弧自然熄灭;另一种情况是未完全熔化金属"拉长"电弧后突然从丝材端部脱开,从而造成电弧熄灭.当电弧处于正常燃烧时,呈椭圆状,有利于延长熔化粒子在电弧中运...     

电弧喷涂层温度场数值模拟

详细介绍了电弧喷涂层沉积过程中三维温度场有限元模拟技术 ,采用有限元分析软件计算了不同工艺、不同时刻以及不同位置涂层内的温度场 ,在建立传热模型过程中考虑了金属液滴束向涂层的传热与传质以及涂层向系统外的热量散失。采用在厚度方向以微小层叠加来模拟涂层的增厚 ,以此为基础构造涂层有限元计算几何模型 ,逐层激活层单元参与计算过程 ,实现移动边界以充分模拟真实的喷涂沉积过程。以实验验证计算结果 ,并详细讨论了喷涂沉积速率、界面传热系数以及间歇喷涂对涂层温度场的影响     

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。     

超音速电弧喷涂粒子速度的计算机仿真

粒子速度对涂层质量有重要的影响,计算机仿真是确定粒子运动规律的有效方法。通过建立数学模型,对超音速电弧喷涂纯铝的粒子速度进行了仿真计算,结果表明,粒子飞行过程中经历了一个加速减速的过程,直径40μm的粒子最大速度为365m／s,最大速度点离喷嘴出口52mm,试验测得的粒子最大速度为386m/s,位置在喷嘴出口40～60mm范围内。仿真计算反映了射流中粒子的运动特征,从理论上证明超音速电弧喷涂的粒子速度超过音速。     

超音速电弧喷涂粒子速度的测定

在电弧喷涂中,喷涂粒子的速度是影响涂层质量的重要因素,超音速电弧喷涂系统利用超音速气体雾化,加速喷涂粒子,增加喷涂粒子的速度,从而改善了涂层质量,采用Ｋｏｄａｋ１０１２型高速运动分析仪对喷涂粒子的速度进行了测定,结果表明,喷涂φ２．２ｍｍＴ８钢丝时,喷涂粒子的平均速度可达到２９１ｍ／ｓ。     

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.     

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.     

Numerical analysis of the effect of arc spray gun configuration parameters on the external gas flow

The objective of present study is to investigate the effect of different gun configuration parameters on the external gas flow by using a CFD model, and to optimize the design of an arc spray gun based on the modeling results. A converging nozzle and a converging/diverging nozzle for arc spraying were compared by calculating their flow distributions using a two-dimensional (2D) axially symmetrical model. Other parameters such as location of the intersection position and angle between the two wires were also analyzed in a three-dimensional (3D) model. The results show that the converging/diverging nozzle is more favorable for droplet atomization, moving the intersection position from the nozzle outside to the nozzle exit and using a moderate intersection angle are better for improving the flow dynamics properties. Consequently, an innovative design to upgrade the original HAS-01 type gun was put forward, and the modified design was experimentally compared with the original one by measuring the in-flight droplet size and velocity.     

高速电弧喷涂电压电流参数优化试验

采用正交试验法对影响电弧喷涂涂层性能的两个主要电参数进行了优化试验，根据涂层硬度、耐磨性、孔隙率等性能指标的测试结果，得到了相应的优化参数，电弧电压为34V，喷涂电流为180A时，喷涂涂层具有较好的综合性能，为今后高速电弧喷涂系统工艺参数的选定提供参考。     

面向等离子熔射成形技术的粉末飞行特性数值分析

粉末在射流场中飞行特性是影响熔射成形件质量的重要因素。通过所建立的粉末与射流相互作用的动量和能量传递方程，应用有限差分法，模拟计算和分析了粉末速度与温度分布规律及其对成形件质量的影响。结果表明：①粒径及密度越小，加(减)速度越快，而到达原模时的速度则不同；②热传导性越差，粒径越大，极值温度则越小，且逐渐向原模方向偏移；③粉末的力学行为和加热特性的匹配，可进一步提高熔射成形件质量。模拟结果为实现熔射成形质量控制及参数优化，提供了理论依据。     

Numerical simulation of copper based filler metal droplets spreading under arc brazing

1 INTRODUCTION Arc brazing technology is a newly developed joining technology .For its advantages ,it has been used more and more frequently in automobile industry and other wiring equipments . And this technology is considered to have a big foreground in practical joining applications . But up to now, the studies of this technology are restrained in practical production applications[1 3]and experi- mental analyses[4 ,5]; and few researchers have studied the spreading of liquid droplets ,…