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等离喷涂与颗粒的相互作用模型

  等离子喷涂中,喷涂粒子的行为可分为碰撞前和碰撞后两个阶段。喷涂粉未经由送粉嘴进入等离子焰流后,将首先受到焰流的加热和加速,与等离子体射流发生相互作用,如图1-2所示。之后,具有定速度的熔滴和基体发生碰撞,熔滴迅速变形并急速冷却凝固,从而形成扁平的粒子。

等离喷涂与颗粒的相互作用模型

  在许多情况下,供给等离子喷枪的能量只有较少部分传给颗粒,但在喷涂过程中,颗粒还必须从等离子体中得到适量的动量,以便喷涂颗粒更牢固地和喷涂表面结合。事实上,涂层的质量很大程度上取决于颗粒在碰撞前的速度和它是否完全熔化。因此,必须了解颗粒在等离子体中的受力状况、运动轨迹、温度和物理状态的变化过程,从而控制各种实验条件,使颗粒和等离子体有足够的接触,以获取必要的热量和动量,达到最佳的喷涂效果。在此硏究领域,数值模拟需要解决的主要问题包括:颗粒在等离子体中的受力及颗粒群轨道模颗粒与等离子体的传热以及颗粒内部的导热状况。

  1.颗粒在等离子体中的受力

  作用在颗粒上的力可分为三类

  (1)与流体颗粒的相对运动无关的力,如惯性力、重力和压差力等

  (2)依赖于流体-颗粒间的相对运动,其方向沿着相对运动方向的力,如黏性阻力、附加质量和 Basset力等。

  (3)依赖于流体-颗粒间的相对运动,其方向垂直于相对运动方向的力,如升力、 Magnus力和 Saffman力等。结合等离子体本身的高温特性,可对经典模型进行修正,主要包:

  (1)等离子体射流密度与喷涂颗粒密度相比要小得多,这使附加质量力、升力等力可以忽略不计。

  (2)重力等力与黏性阻力相比要小得多,故重力可以忽略不计。

  (3)压力的影响可以忽略不计,故压差力可以忽略不计。

  (4)热泳引起的力,该力使颗粒的运动方向随机分布,运动方式趋于复杂化。

  在此基础上,可将颗粒在等离子体中的受力模型简化为:

  式中,F为惯性力,戶为黏性阻力,FB为 Basset力,为热泳所产生的力。目前,拉格朗日( Lagrange)轨道模型是分析颗粒及颗粒群轨道较为完善的种方法。它把颗粒看成是与气体有滑移的,沿轨道运动的分散群,并完整地考虑了两者之间的相互作用。

  2.颗粒与等离子体的传热

  颗粒在等离子体中的受热是研究的重点,因为它关系到颗粒在碰撞固化前是否能够完全熔化,以获得高质量的涂层;同时,又要避免颗粒的过分蒸发,以减少材料和能量的损失。尽管通常喷涂颗粒的直径仅为几十微米,但其在等离子体射流或等离子体反应器中的停留时间往往较短(10s左右),并且等离子体系统中往往存在巨大的温度梯度与速度梯度,要使所有颗粒都能得到适当而有效的加热,并不是一件容易的事情。只有那些能够送到等离子体射流的高温区并获得

  足够长的加热时间的颗粒,才能获得有效的加热颗粒的加热历程与许多因素有关,如颗粒的运动轨迹、颗粒材料的种类(包括材料密度、熔点、熔化潜热、沸点、蒸发潜热和比热等)、颗粒的形状、颗粒尺寸、颗粒喷射位置、颗粒喷射向、颗粒喷射速度、等离子体射流的温度场与速度场,等等。

  3、颗粒內部的导热

  颗粒内部的导热是一个复杂而重要的问题,尤其对于非金属喷涂材料,因为它直接决定了等离子体传给颗粒的热量在颗粒内部的分配及颗粒内部的温度分布,从而直接决定了颗粒是否完全熔化。实际的理方法也视各种条件的不同而分为两种:一种是忽略颗粒内部的温度梯度,即认为其热传导系数足够大,而把它当成一个均温的球体来处理;另种是用差分方法来数值求解颗粒的热传导方程,从而得出其温度分布T(r,t)。

  第一种方法比较简单,但需要满足一定的条件。事实上,当毕欧数B<0.1时,即可将颗粒视为均温球体。对于一般的金属喷涂材料,如钨、铝,B河以认为小于0.1,但对于一般的非金属材料,如AO3、crO3、zrO2,通常都不能满足。

  颗粒在等离子体中的升温过程如下

  (1)颗粒进入等离子体,从常温被加热到熔点,该过程中没有质量损失。

  (2)颗粒表面温度达到熔点后,表面开始熔化,熔化逐步从表面向颗粒内部移动。从颗粒中心到熔化表面是固态,从熔化表面到颗粒外表面是液态,两部分的温度都在逐步升高。

  (3)颗粒表面温度达到沸点,表面开始蒸发,如果这时颗粒还没有完全熔化,则熔化表面继续向中心移动,固液两部分温度仍逐步上升。

  (4)颗粒开始冷却,温度下降,直至重新固化。