当高速电弧喷涂熔滴速度的数值模拟及试验

高速电弧喷涂熔滴速度的数值模拟及试验

摘要：熔滴速度是电弧喷涂涂层性能的主要影响因素之一。本文基于空气动力学和二相流流体然后拔掉电源力学理论建立了高速电弧喷涂雾化气流和让它的相干资讯也备受众多群体的关注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熔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，雾化气流的速度在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熔滴的最大速度在0.3m喷涂距离之内均超过音速。

关键词：高速电弧喷涂； 气流速度； 熔滴速度； 数值模拟； 速度测试

0序言

电弧喷涂技术是以两根金属丝材为电极在喷枪端口部相交短路产生的电弧为热源，使金属丝材熔化，然后用压缩空气将熔化金属雾化成微熔滴，并将微熔滴加速喷射到工件表面，继而沉积、冷却而形成涂层的一种工艺［1］。在过去的几十年中，电弧喷涂技术以其高效、节能、节材等优点而得到广泛的应用，逐渐成为最受重视的热喷涂技术之一。但传统电弧喷涂涂层的组织和性能与等离子喷涂、高速火焰喷涂(HVOF)等相比尚有差距，这在一定程度上限制了电弧喷涂技术的应用范围。高速电弧喷涂技术(HVAS)是20世纪90年代开发出的先进热喷涂技术，因其熔滴飞行速度的大幅度提高（达到350m/s）和雾化效果的进一步改善，从而制备出与等离子喷涂相近的高结合强度、低孔隙率的高质量涂层［2］,大大拓宽做冷热冲击测试采取原装微电脑大型液晶LCD(320*240DOTS)中英文显示控制系统了电弧喷涂的应用领域。

电弧喷涂涂层的性能受到多种因素的影响，其所具有的快速凝固组织与雾化过程中熔滴的动力学及热传输有密切关系。对雾化过程的动力学和热传输行为进行分析，不仅是选择喷涂工艺参数的重要依据，也有助于正确地理解高速电弧喷涂涂层组织的形成与演变机制。但由于试验技术的限制，难以用实测方法获得熔滴温度、冷却速度等热传输参数，通常采用理论模型进行数值模拟计算，而确定雾化气流速度和熔滴速度是进行模拟计算的前提条件。

本文将在气体动力学和二相流流体力学理论的基础上，建立高速电弧喷涂雾化气流和熔滴速度的数学模型，并进行数值模拟；同时用试验方法测试气流速度及Al、3Cr13熔滴在不同喷涂距离处的平均速度，以验证数学模型。

1数学模型及数值模拟

由于高速电弧喷涂受到许多工艺参数的影响，而且其雾化动力学过程相当复杂，因此建立雾化气流和熔滴速度的数学模型必须做如下的假设以简化问题。

（1） 流体（包括雾化气流和熔滴）的运动为一维定常流动。

（2） 熔滴是在雾化初始瞬间形成的，一经形成就因表面张力的作用而呈球形。

（3） 雾化熔滴的飞行仅为气体拖曳力作用的结果，自身重力的影响忽略不计，不考虑熔滴之间的碰撞和粘附。

1.1 雾化气流速度

高速电弧喷涂熔滴的速度是由雾化气流的速度决定的。从喷枪喷出的超音速气流可以看作单相自由射流［3］，且其径向速度很小，故可用轴向速度近似描述雾化气流的速度分布。在理论分析和大量试验结果的基础上，文献［4］给出了轴向气流速度的表达式为：

式中：u为轴向气流速度；u0为喷枪出口处轴向气流初始速度；x为轴向距离；λ为与气流速度衰减有注入特殊的吸湿聚合物关的常数，且

式中： α为一与气体动力学粘度有关的经验常数,取α=10.5；Ae=πR20为喷管出口面积；R0为喷管出口半径。初始速度u0由下式给出［3］

式中： Jg为气体流量；R为气体常数；T0为出口处气体温度；γ为气体比热容；P0为气体压力；ρg为气体密度；At=πR2t为喷管喉部面积；Rt为喷管出口半径。 通过式（1）~式（4）可以求出雾化气体速度沿轴向的分布。

1.2 熔滴的速度

在两丝交会处形成的熔滴与高速雾化气流之间存在着速度差异，因此熔滴在气流拖曳力的作用下被加速。直径为d的球形熔滴在一维定常气流下的运动可由牛顿第二定律的形式给出［5］

式中： v为直径为d的熔滴速度；ρg为气体密度；ρd为熔滴密度；CD为拖曳系数。式（6）即为合金熔滴的运动方程。该方程忽略了时变与附加质量的影响，即熔滴运动仅由气流的拖曳力所决定。拖曳系数CD主要与Reynolds数有关，是表征气体对熔滴作用程度的无量纲系数，在0.1