高压冷喷涂中送粉气流对粒子流撞击特性的影响

摘要

冷喷涂技术(CGDS)是近二十几年来发展起来的新型喷涂工艺。冷喷涂中，微米尺寸（小于50μm）喷涂粒子在低于熔点的状态下实现沉积，因此可以有效避免氧化、融化、相变等一些常常在热喷涂中出现的不利现象。一般而言，喷涂粒子撞击速度和撞击温度越高，沉积效率越高，涂层质量越好。因此如何提高粒子撞击参数是冷喷涂工艺研究的重点。高压冷喷涂中，为了稳定安全地注入喷涂粒子，送粉气流除了要具备比主加速气流更高的压力外，还要保持较低的温度以防止喷涂粉末粘结在高温的送粉管壁上。然而送粉气流对气体流场和粒子流加速的作用及影响在冷喷涂研究中常常被忽略。
　　首先，实验结合模拟发现喷管轴线附近粒子受低温送粉气流影响撞击参数较低，这会给涂层质量均一性带来不利影响。主要表现在随着送粉压力的增加堆积涂层中心呈现出较为严重的裂缝和裂纹。另外基板的预热温度也随送粉压力的增加而降低，基板附近涂层也因此呈现出大量的气孔，并且越远离基板中心位置气孔越多。
　　其次，利用数值模拟的方法进一步分析了送粉气流相关参数对粒子流撞击参数分布规律的影响。发现致使喷管轴线附近粒子撞击参数较低的原因是送粉气流和主加速气流未能进行充分混合致使低温送粉气流集中在喷管中心影响附近粒子加速。事实上，两股气流混合程度不同，两股气流间的热量和动量交换程度、喷管内气体流动加速表现、粒子流运动轨迹以及粒子流中不同位置粒子的加速情况也会有所不同。当送粉气流压力相对主加速气流压力较大时、喉部直径与送粉管直径比较小时、送粉位置远离喷管入口时，预混室或喷管渐缩段内出现的涡旋现象可以促进两股气流的混合。结果喷管内的气体流动受益于两股气流间良好的热量动量交换表现出充分发展湍流的特性，喷管轴线附近粒子的加速状况因此也得到了较大程度的改善。然而，较大的送粉压差和较小的喉部直径与送粉管直径比会引起低温送粉气流质量流量百分比的增加，从而降低粒子流的整体撞击速度；而较长的预混室送粉不仅可以优化粒子流撞击速度分布，还可以提高粒子流整体撞击速度。此外还发现送粉气流和粒子流扩散之间有着密不可分的联系。这是因为送粉气流的注入会对主加速气流造成扰动并在两股气流的交界面处产生湍流，湍动能的大小直接决定了粒子流的扩散程度，进而决定了冷喷涂中的一次喷涂的宽度。
　　另外，本文还探讨了送粉气流种类对粒子流撞击特性的影响。发现主加速气流为空气送粉气流为氦气时，喷管内的气体流动可以在两股气流几乎没有混合的情况下，仅依靠氦气优良的加速性能就可以表现出充分发展湍流的流动特点。结果喷管轴线附近的粒子随之受益展现出优良的加速表现。对比不同氦气质量百分比的空气-氦气混合气体对粒子流加速的影响，可以发现空气主加速气流-氦气送粉气流工况下，粒子流有更好的加速效果且更具经济性。
　　总之，本文以高压冷喷涂为研究对象探讨了送粉气流对涂层沉积质量的影响，并分析了送粉参数变化对粒子流撞击特性的影响规律，为实践操作中送粉参数的合理选取提供依据和指导，以达到获得高质量沉积涂层的目的。

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题研究背景

1.2冷喷涂技术介绍

1.3影响冷喷涂涂层质量的因素

1.4影响气体流场以及喷涂颗粒加速的因素

1.5本文主要研究内容和意义

2 基础理论分析

2.1高压冷喷涂送粉过程理论分析

2.2数值计算理论基础

2.3 本章小结

3 送粉气流影响下涂层的沉积特点

3.1 模拟模型

3.2模拟方法验证

3.3实验准备

3.4结果分析

3.5本章小结

4 送粉参数对粒子流撞击特性的影响

4.1模型优化

4.2送粉压差的影响

4.3喷管喉部直径与送粉管直径比的影响

4.4送粉位置的影响

4.5送粉气流种类的影响

4.6本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文