感应耦合热等离子体球化钛粉的数值模拟与试验研究

摘要

金属钛具有非常优越的性能，因其广泛的应用领域而被称为“21世纪金属”。球形钛粉具有更优异的性能，并且随着近净成型、热喷涂技术的发展其需求量快速增长。在制备球形粉体中，等离子体法相对于其他方法具有独特的优势，更好的应用前景，同时等离子体领域作为较前沿的学科，其产生机理较为复杂，对该方法的研究具有重要的科学意义及应用价值。本文以感应耦合热等离子体(以下简称ICP)及钛粉为研究对象，主要研究工作包括以下几部分：
　　(1)层流等离子体是目前用来揭示等离子体射流环境参数空间分布较为理想的研究对象，由于等离子体的介电常数近似于真空的介电常数，则可将其当作磁流体来研究。基于麦克斯韦方程组及合理假设，引入磁矢量势A和电势φ推导电磁场方程及三维柱坐标下磁流体控制方程，利用前处理软件建立反应器三维模型并划分网格。借助FLUENT二次开发功能，利用UDS(User-Defined Scalar)及复矢量技术引入标量方程求解磁矢量势A及电势φ，编写相应UDF(User-Defined Function)程序完成热源项、体积力源项、电势φ及磁矢量A在空间坐标分量源项的添加。
　　(2)将网格、UDF、氩气材料属性文件导入FLUENT14.5进行三维数值模拟。模拟完成得到ICP反应器内温度场、速度场、洛伦兹力的空间分布，模拟结果表明：反应器内高温集中分布在线圈覆盖区，是因为此处气体电离充分，带电粒子运动产生热量大。由于趋肤效应，温度最大值位于靠近石英管内壁面处。速度的分布较为复杂，在气体注入管末端出现了回流，在此处由于洛伦兹力的作用等离子体射流呈现了分层状运动，内层等离子体呈现由内向外翻滚而外层呈现旋转运动状态，速度峰值出现在反应器的下部。最后进行了不同工艺参数对反应器内流场分布影响的模拟，结果表明：因磁矢量势A及电势φ、焦耳热、洛伦兹力之间的强烈依赖关系，线圈电流对流场分布影响较大。随着电流的增加，等离子体温度会相应增加，同时更多的热能转化为动能，速度峰值也会增加。该模拟的完成为球化试验的调试提供理论基础。
　　(3)选用FLUENT提供的DPM模型进行离散相(颗粒)与连续相的相间耦合计算。建立颗粒运动模型，利用双向耦合拉格朗日法追踪颗粒运动轨迹与加热历程。以不同粒径钛粉颗粒为研究对象，进行了颗粒运动轨迹与加热历程的研究。模拟结果表明：不同粒径的颗粒在等离子体射流中具有不同运动历程，粒径越小受回流影响越大，颗粒的加入对流场分布有一定的影响，在实际应用中需根据粒径选择合适的工艺参数。以射频等离子体设备进行简单的钛粉球化试验，以验证ICP技术在钛粉球化领域的优越性。采用型号为S-3400N的电子扫描显微镜观察球化前后钛粉表面形貌的变化，球化处理后颗粒粒径分布变得均匀，表面平整，流动性和分散性更好。