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。     

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。     

超音速电弧喷涂的粒子雾化研究

雾化在电弧喷涂中具有重要的作用,滁层质量很大程度上取决于雾化效果。超音速电弧喷涂的雾化过程包括丝材端部的熔化、熔化金属的脱落、熔滴的雾化三个阶段。气流的速度和流量、送丝速度、熔化金属的物理特性、气流的物理特性是影响雾化效果的主要因素。超音速电弧喷涂由于拉伐尔喷咀的作用,雾化效果好,从而得到高质量的涂层。     

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.     

[例15]高速电弧喷涂技术在机件再制造中的应用

正高速电弧喷涂是在普通电弧喷涂枪的基础上,通过特殊设计的高压气体喷嘴产生的超音速气流将熔化的金属材料雾化成微滴,并高速沉积到工件表面形成致密涂层的表面工程技术。喷涂铁基熔滴速度在喷枪出口附近由传统喷涂的100m/s,提高到250m/s,结合强度平均提高约10MPa。该技术     

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。     

高速电弧喷涂枪结构优化的试验

试验优化了一种高速电弧喷涂枪的结构.用SprayWatch-2i热喷涂监测系统测试了喷枪的雾化熔滴速度,并研究了Al涂层和3Cr13涂层的组织和性能.结果表明,丝材和导电嘴的存在,严重扰动了雾化气流流态,两丝夹角和丝交点离喷管出口距离也显著影响了喷管气流场的分布特征;改进设计喷枪的雾化熔滴速度显著提高,其3Cr13雾化熔滴的最高速度达到210 m/s;涂层组织和力学性能也得到改善,喷涂Al涂层和3Cr13涂层时,结合强度分别提高了55%和39%,硬度值也分别增加了26%和9%,涂层的显微组织更均匀致密,孔隙率更低.     

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.     

高速电弧喷涂粒子雾化特性试验研究

本文研究了高速电弧喷涂Ａｌ和３Ｃｒ１３的粒子雾化特性。用Ｐｉｔｏｔ管总压法和扫描电镜,图象分析仪分别测定了喷枪出口雾化气流轴向分布和雾化粒子的粒度分布,用ＰｅａｒｓｏｎＸ＾２分布拟合检验法对粒子的粒度分布进行统计分布检验。     

等离子喷涂工艺参数对粒子速度和温度的影响

在G型喷嘴下，利用SprayWatch-2i喷涂粒子速度、温度测试仪在线测量粒子的飞行参数，研究了等离子喷涂工艺参数对喷涂粒子速度和温度的影响，并对等离子喷涂氧化锆粉末的主要工艺参数进行优化分析。在诸因素中．气体流量对粒子速度和温度的影响最为显著，随着主气流量的增加，粒子速度有所增加。     

冷喷涂TC4涂层临界沉积速度计算及制备涂层性能研究

目的研究冷喷涂TC4涂层的临界沉积速度及粒子温度对临界沉积速度的影响规律,并研究气体压强对沉积涂层性能的影响规律。方法理论研究上,采用有限元LS-DYNA软件中的Johnson-Cook塑性模型,选取3D164计算单元建立模型,研究粒子在不同温度和不同速度下碰撞基体后的形貌特征,确定粒子沉积临界速度。试验研究上,采用N_2作为冷喷涂驱动气体,在TC4合金上制备TC4涂层,然后采用SEM、Image J图像分析软件、硬度计等分析已沉积涂层的孔隙率和硬度等性能。结果 25、400、500、600℃温度下,计算表明10μm的TC4合金粒子在TC4基板上的临界沉积速度分别为730、465、392、361 m/s,即随粒子温度升高,粒子临界沉积速度降低,粒子沉积成涂层更容易。采用冷喷涂工艺在TC4基板上沉积TC4涂层,在N_2温度600℃、气体压力3 MPa的条件下,制备的TC4涂层厚度约1000μm,与TC4钛合金基体结合紧密,涂层孔隙率约为6.46%。结论气体温度升高,粒子临界沉积速度降低;气体压强变大,制备的涂层厚度就大且更加致密。     

滑移速度对织构表面气穴效应的影响

为研究不同的滑移速度对织构表面气穴效应的影响,建立单个微凸体织构的二维计算模型,利用CFD方法模拟不同滑移速度下气穴效应在气体体积率、压力分布和壁面剪切力等方面的表现。研究结果表明:当滑移速度不超过5 m/s时,织构表面的流体中不产生气穴;当滑移速度由5 m/s逐渐增大到20 m/s时,在织构流体出口端的收敛区将生成气穴,气穴的大小随着滑移速度的增大而减小,气穴处的气体体积率随着滑移速度的增大而增加;当滑移速度继续由20 m/s增大至30 m/s之间的某值以后,气穴的大小不再减小,气体的体积率仍随滑移速度的增大而增加。滑移速度在5~30 m/s的范围内,滑移速度越大,产生的额外承载力越大,壁面剪切力越大。此外,气穴的存在有助于降低壁面剪切力。     

新型高速电弧喷涂枪的开发研究

详细介绍了开发研制的新型高速电弧喷涂枪：分析测定了新型喷枪和普通喷枪出口的雾化气流速度,同时采用A1和3Cr13作为对比试验材料,对涂层进行性能研究并观察了其组织结构。结果表明：新型喷枪的雾化气流速度的捌试计算值在距枪口80mm的范围内仍然能保持在600m／s左右,比普通喷枪的雾化气流速度有显著地提高：高速电弧喷滁熔融的金属粒子雾化充分,涂层组织致密,层状结构十分明显,并且结合强度值和硬度值均较高：新型高速电弧喷涂枪,结构简单,工作性能稳定。高速电弧喷涂是一种优质、高效、低成本的热喷涂方法。     

Numerical Study on the Effect of Substrate Angle on Particle Impact Velocity and Normal Velocity Component in Cold Gas Dynamic Spraying Based on CFD

Numerical study was conducted to investigate the effect of substrate angle on particle impact velocity and normal velocity component in cold gas dynamic spraying by using three-dimensional models based on computational fluid dynamics. It was found that the substrate angle has significant effect on particle impact velocity and normal velocity component. With increasing the substrate angle, the bow shock strength becomes increasingly weak, which results in a gradual rise in particle impact velocity. The distribution of the impact velocity presents a linearly increase along the substrate centerline due to the existence of the substrate angle and the growth rate rises gradually with increasing the substrate angle. Furthermore, the normal velocity component reduces steeply with the increase in substrate angle, which may result in a sharp decrease in deposition efficiency. In addition, the study on the influence of procedure parameters showed that gas pressure, temperature, type, and particle size also play an important role in particle acceleration.     

高速火焰电弧复合喷涂枪制备3Cr13涂层的性能

高速火焰电弧(HVAF-ARC)复合喷涂枪是高速火焰喷涂枪和电弧喷涂枪的结合体,利用产生的高速燃气来雾化加速电弧喷涂过程中产生的熔融粒子,提高了喷涂粒子的飞行速度,降低了粒子的氧化,可高效制备优质的涂层。文中利用自主开发的新型高速火焰电弧复合喷涂枪和普通高速电弧喷涂枪,分别在钢基体上制备了3Cr13涂层,通过对涂层的性能检测发现,复合喷涂枪所制备涂层的氧元素含量和孔隙率都比普通高速电弧喷涂枪制备的涂层低,分别降低了33%和49%,硬度提高了12%,复合喷涂枪制备涂层的性能得到较大的提高。