文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123483
低温超音速火焰喷涂气固两相
传热与流动
沈翠虹单彦广国家自然科学基金(50706027),上海市教委科研创新基金重点项目(13ZZ119)。
(上海理工大学能源与动力工程学院上海 200093)
(Tel:**********,Email:******@usst.)
摘要:本文在分析低温超音速火焰喷涂工作原理的基础上,建立了低温超音速火焰喷涂传热和流动模型,对喷涂过程的焰流和颗粒的运动加热历程进行了模拟分析,研究掺混气体流量不同时,流场温度、压力和速度变化、马赫锥形成机理、及激波对流场的影响;同时分析了不同入射位置颗粒加热运动历程的变化。研究发现在不同入射位置及掺混气体流量情况下,喷涂颗粒的沉积速度相差不大,但温度相差很大,因此可以根据不同熔点的喷涂材料来选择不同的掺混气体流量,降低颗粒自身的氧化程度,提高涂层质量。
关键字: 低温超音速火焰喷涂;传热和流动;数值模拟
0 前言
20世纪80年代中期,Papyrin教授[1]发现当特定材料颗粒的速度超过某一定值时,颗粒的磨损效应会转化成很强的粘附力,在此速度下颗粒可以在基体表面沉积形成涂层,并在1990年提出了冷喷涂的概念。冷喷涂相对于热喷涂来说,有效的控制了颗粒的温度,在很多情况下不会引起颗粒氧化、相变及其它化学反应,但是由于冷喷涂颗粒的温度低,不适用于硬度比较大的金属或者烧结碳化物等喷涂材料,故近年来提出了低温超音速火焰喷涂(Warm Spray,简称WS)[2]。WS是指工作气体温度介于传统超音速火焰喷涂(High Velocity Oxgen-Fuelspraying, HVOF)与冷喷涂之间(1000-2000K),但同时具备冷喷涂超音速特性的一种喷涂方法(图1)[3]。相对于HVOF来说,WS中颗粒的温度较低,并以固体或者半熔融形式撞击基板,不易堵塞喷枪,且可避免喷涂颗粒的氧化、相变或其它化学反应[4]。与冷喷涂技术相比, 由于颗粒的温度较高,喷涂过程颗粒临界速度降低(颗粒可以沉积在基板上的最小速度)[5],同时可以减少对基体的冲蚀磨损。图2为超音速热喷涂过程中颗粒沉积温度与临界速度的比较图,从图中可以看到,当颗粒温度与速度保持在一定范围内时,可以得到性能良好的涂层,也不会对基体造成冲蚀磨损[6]。
低温超音速火焰喷涂原理与HVOF相同,利用Laval喷嘴实现高压气流速度从亚音速到超音速状态的转变。不同的是低温超音速火焰喷涂系统包括燃烧室、混合室、Laval喷嘴、平直枪管和基板五部分[2],即将HVOF中燃烧室分成了两部分,一部分作为燃烧室,一部分作为混合室。这样可以在保证稳定燃烧的情况下,将高温焰流与通入的一定量的室温气体(如氮气)充分混合,降低焰
流的温度,从而实现低温超音速火焰喷涂(图3)。
图1 超音速热喷涂中气体温度与颗粒速度的比较
图2 超音速热喷涂过程中颗粒沉积温度与速度
其工作原理是,将一定流量的甲烷与氧气输送到燃烧室,在燃烧室燃烧后形成高温高压的焰流,在混合室与通入的适量室温氮气混合,并且通过Laval喷嘴将混合气流加速到超音速状态,然后气体通过平直枪管喷射入大气环境,在此过程中固体颗粒与混合气体进行换热,升温加速,最后以固态或者半熔融状态沉积到基板,扁平化后形成涂层。
气流的