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《等离子旋转电极雾化熔滴的热量传输与凝固行为》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第12卷第5期Vol.12No.5中国有色金属学报TheChineseJournalofNonferrousMetals2002年10月Oct. 2002[文章编号]1004-0609(2002)05-0883-08①等离子旋转电极雾化熔滴的热量传输与凝固行为陈焕铭1,2,胡本芙1,余泉茂1,张义文3(1.北京科技大学 材料科学与工程学院,北京100083;2.宁夏大学 物理与电气信息工程学院,银川750021;3.钢铁研究总院,北京100081)[摘 要]建立了在等离子旋转电极雾化(PREP)制取合金粉末的过程中雾化熔滴的轨道运动方程,讨论了雾化熔滴在凝固过程中的
2、热量传输与凝固行为,并确定了定量计算换热系数所需的雾化熔滴初始速度。用数值求解方法计算了FGH95高温合金雾化熔滴在PREP过程中的速度及其在凝固过程中的温度、固相分数、冷却速率等凝固参数。结果表明:在作者提出的工艺参数下,FGH95合金熔滴的冷却速率达104K/s量级以上,合金过热度对冷却速率的影响主要在全液态阶段,而冷却速率和固相分数对氩氦气体的混合比例极其敏感。[关键词]等离子旋转电极法;快速凝固;FGH95合金粉末;数值计算[中图分类号]TF125.212[文献标识码]A 涡轮盘是飞机发动机的重要部件之一,要求材料具有优良的力学性能和理化性能,尤其是高温下
3、的低周循环疲劳和热疲劳性能。由于粉末高温合金具有与变形高温合金相当或略高的性能,同时成本相对较降低,因此应用范围逐渐扩大。其制造的关键在于能够制造出低碳、低氧、晶粒细小、无粗大偏析的原始粉末颗粒[1～3],目前只有美国、俄罗斯、中国等少数几个国家掌握了等离子旋转电极雾化制取粉末的方法。这种方法避免了在雾化过程中熔体和坩埚之间的接触,从而减少了非金属杂质的图1 PREP离心雾化装置简图Fig.1 SchematicofPREPcentrifugalatomization混入,成为制造推重比更大的航空发动机涡轮盘的重要方法之一。深入分析和讨论雾化熔滴的凝固过程及其传热行
4、为,对优化制粉工艺及后续热加工工艺都有重要意义。式中πd3m=ρm(2)6πd3Fg=mg=ρmg(3)61 轨道方程等离子旋转电极雾化(PREP)法制取粉末的基本原理为[4]:母合金自耗电极端部在等离子电弧作用下形成熔池,继而在旋转离心力的作用下,熔池内部的液膜态熔体流至熔池边缘雾化成熔滴,然后熔滴在飞行过程中被气体介质冷却凝固。18πd2Cdragρg
5、vm-vg
6、·(vm-vg)(4)Fd=-πd3Ff=-ρgg(5)6式中未作说明的符号意义见本文最后的符号说明将式(2)～(5)代入式(1)并化简后得dvmdt=(1-ρg)g-ρm3Cdragρg4dρm·熔
7、滴自熔池边缘雾化后,在飞行过程中受到3
8、vm-vg
9、·(vm-vg)(6)种力的影响:重力Fg、拖曳力Fd和浮力Ff,如图2所示。因而由牛顿第二定律可得熔滴运动的动力学方程为Fg+Fd+Ff=mdvmdt(1)式中 Cdrag为拖曳系数[5],[5],Cdrag=0.28+6Re+21Re(7)①[收稿日期]2001-12-03;[修订日期]2002-03-18 [作者简介]陈焕铭(1969-),男,讲师,博士研究生.·中国有色金属学报2002年10月884·求解。2 雾化熔滴的热量传输与凝固过程雾化熔滴与环境之间的热量传输主要包括熔滴与冷却气体的对流换热和熔滴
10、的辐射散热。由于熔滴的Biot数小于0.1,故忽略熔滴内部的温度梯图2 PREP雾化熔滴受力分析Fig.2 MechanicalanalysisofPREPdroplets度,可以采用牛顿传热模型来分析熔滴与冷却气体之间的热量传输问题。由牛顿冷却定律可以给出熔滴飞行过程中温度分布的总方程式为Re为雷诺数[6],dρg·
11、vm-vg
12、Re=(8)μg式(6)为矢量微分方程,将此微分方程进行投影得3个标量微分方程:dvmxdt=(1-ρg3Cdragρg4dρm)g-·ρm
13、vm-vg
14、·(vmx-vgx)(9)dvmydt=-3Cdragρg4dρm
15、vm-vg
16、·(
17、vmy-vgy)(10)dvmzdt=-3Cdragρg4dρm
18、vm-vg
19、·(vmz-vgz)(11)dTddt数[7],为h=率由下式给出式中16πTL 2γSLf(θ)
20、vm-vg
21、=I=1040exp-3kBTdρ2mΔHf2ΔT 2(vmx-vgx)2+(vmy-vgy)2+(vmz-vgz)2熔滴形核开始的临界条件假设为(12)3πdT∫6L IdT=1(19)(18)由于电极棒平置,从熔池边缘不同位置飞出的·
22、TT
23、N熔滴具有不同的初始速度,考虑到电极棒直径及熔池深度远远小于雾化室,因此可以假设所有熔滴均从坐标原点飞出,所以不同位置熔滴的初始速度
