冷喷涂气-固两相射流过程的数值模拟研究.pdf

送粉器 喷枪 密封喷涂室 图1．1冷喷涂系统示意图 冷喷涂技术是早在20世纪80年代中期，前苏联科学院西伯利亚分部理论和 应用机械研究所的科学家在进行超音速风洞试验时发现，用作测速的示踪金属颗 粒的速度超过某一临界值时，发生不断在基体靶材表面沉积的现象。思路开阔的 科学家A．Papyrin教授及其同事们萌发了由固态颗粒沉积涂层的方法。由此在 1990提出了冷喷涂的概念。并与90年代初形成了实用的冷喷涂专利技术n，．后 1995年间，在该领域进行了初次研究。该财团成员包括美国一些主要的公司，如 福特汽车公司、通用汽车公司、通用电气航空发动机公司和联合技术公司的 并发表了多种冷喷涂材料的性能测量结果。并于2000年KtechCorp推出第一台 商用计算机控制的冷喷涂设备。 最近，一系列研究正在进行，包括俄罗斯科学院理论和应用力学研究所，美 大学，以及其他的研究机构。在国内，大连理工大学1997年开始冷喷涂技术的研 究m¨，，并于1999年建立了常温下超音速气一固两相流制备各功能涂层的实验装 置，对锌粉、Al。O。粉、KF91．Fe粉、钛粉等进行了喷涂实验，其“超音速冷喷涂 装置一获得2001年国家实用专利。此外，中国科学院金属研究所n”、西安交通大 学t．川-、重庆大学¨”、沈阳工业大学…，、第二炮兵工程学院¨LⅢ、河北省电力试验 研究所等单位近期也相继开始了研究与开发工作n”，目前尚处在实验阶段。 冷喷涂研究成果表明，影响颗粒临界速度、速度的因素有多种¨”。临界速度 就是对于确定的材料、确定的实验条件下能够形成涂层的最低速度。临界速度作 为冷喷涂过程中的关键参数，它的大小直接影响着喷射过程参数的优化，比如最 佳颗粒速度的确定，及通过提高沉积效率来降低生产成本¨”。影响临界速度的因 素很多，包括喷涂材料、基体材料的性能，喷涂颗粒尺寸、温度。一般情况下， 临界速度随颗粒的温度的升高而有所降低。所以，沉积效率提高可以通过在速度 2 等其他参数不变的情况下适当增加颗粒的温度n”。李长久等人研究表明¨”，临界 速度除受气体压力和温度等因素影响之外，还受粉末氧化状态的影响h“。当含氧 量超过0．1％，Cu粉末的临界速度超过550m／s，并随含氧量的增加而增加；然而当 含氧量减小至0．02％时，临界速度减小至300m／s。影响颗粒速度的因素有加速气体 种类、气体压力、气体温度、颗粒参数和喷涂距离。大量的文献表明，氦气的加 速性能优于氮气，但用氦气时，被加速粒子的温度相对较低，这样就相应地增加 了临界速度，从而降低了沉积效率n”。而且，氦气的价格比较昂贵。所以，一般 情况下，用氮气作为加速气体比较好；气体压力是粉末颗粒能否达到临界速度和 颗粒能否获得足够高的能量的决定因素。在温度一定的情况下，颗粒的速度随气 体压力的增加而增加。但当压力超过某一临界值时，这种增加趋势比较平缓；颗 粒的速度随气体温度的增加而有所增加；颗粒的加速还依赖于颗粒的流动性能， 颗粒的球形度越好、颗粒度越均匀，粉末的流动性能就越好。当颗粒直径在小于 20I-tm时幢”，随着颗粒的密度和尺寸的增加，颗粒速度明显降低。因此，建议粉 末颗粒采用小颗粒。喷涂距离的选择要以激波的相关知识为基础，目前的研究表 明，较为合适的喷涂距离为10．50mmt川。在国内，这些影响参数的研究相对比较 多。 ．-。 影响速度增加的另一个因素是喷管设计的优化。目前，用于冷喷涂的喷管有 两种，一种是缩放喷管，简称CD喷管，另一种是由渐缩段和直管段够成的喷管， 简称CB喷管。以前的研究已表明喷管的入口直径及渐缩段长度对颗粒的加速影 响不大。在这里，定义扩张率为喷管出口面积与喉部面积的比值。对于缩放喷管， 渐扩段的长度、喉部直径、出口直径、扩张率对颗粒的加速有重要的影响。二般 情况下，最佳扩张率大约是4．6．25任列；对于CB喷管，直管段的长度也是喷管设计 的主要参数。在国内，李文亚、李长久等人最早对喷管的设计优化问题进行研究 ‘I“lll。 冷喷涂技术特点及应用在于利用冷喷涂技术获得涂层，可以避免颗粒在加速 与加热过程发生的物理化学反应，如避免金属材料喷涂过程中的氧化，获得成分 纯净的涂层；对于受热后发生分解的材料可以避免分解；采用亚稳态结构的材料 如