喷枪结构对低温超音速火焰喷涂颗粒飞行特性影响

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1、喷枪结构对低温超音速火焰喷涂颗粒飞行特性影响摘要：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•研究了三种不同结构的喷枪对焰流速度与温度分布、不同粒径颗粒飞行特性的影响.模拟结果表明，粒径为20um的Cu颗粒在撞击基板时能达到临界速度，且温度低于熔点，有利于沉积并减少了颗粒氧化；枪管的扩张率对喷涂颗粒的速度影响不大，而对颗粒温度的影响较大；延长扩张段的长度代替平直枪管有利于在保证颗粒速度的同时提高颗粒的温度.关键词：低温超音速火焰喷涂；喷枪结构；颗粒飞行特性；数值模拟中图分类号：TK124

2、文献标志码：AInfluenceoftorchgeometryonparticlesbehaviorinthelow-temperatureoxygen-fuelsprayprocessSHENCui-hong,SHANYan-guang(SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)Abstract：TheLow-TemperatureOxygen-Fuelsprayprocess(

3、LTOF)isamodificationofHigh-VelocityOxygen-Fuel(HVOF)・Inthispaper,atwo-dimensionalmathematicalmodelwasestablishedtosimulatetheheatandmomentumtransferbetweenthesupersonicflowandparticlesinLTOF.Threenozzlesofdifferenttypewerestudiedandtheeffectsofnozzlestructureonthetemper

4、aturefieldandvelocitydistributionofthegaswereinvestigated.Inaddition,thevelocityandtemperatureofcopperparticleswereacquired.TheSimula.tionresultsshowedthatCuparticlesof20umdiametercanreachthecriticalvelocitywhentheyhitthesubstrateandtheirtemperatureislowerthanthemelting

5、point,whichisbeneficialforforminghigh-qualitycoating.Thenozzleexpansionratehaslittleeffectontheparticlevelocity,butithasagreatinfluenceontheparticletemperature.Increasingthelengthofnozzleexpansioncanincreasetheparticletemperature.Keywords：low—temperatureoxygen-fuelspray

6、；torchgeometry；particlebehavior；numericalSimulation传统超音速火焰喷涂(HighVelocityOxygen-Fuelspraying,HVOF)焰流温度在3000K以上.喷涂颗粒在沉积时通常已处于熔融或者半熔融状态•这种方式制备的涂层结合强度高、致密，涂层性能优越，但是在很多情况下高温的焰流可能造成喷涂材料的氧化、相变或其它化学反应，同时高温也可能对喷涂基体造成损伤[1],不适合喷涂容易氧化和相变敏感性材料(Cu、Ti及其合金)，且熔融颗粒容易堵塞喷枪，易对超音速火焰喷涂设备造成影响

7、•在20世纪80年代，Papyrin等提出了冷喷涂(ColdSpray)的概念.这种喷涂技术依赖高速气流携带的动能，沉积时喷涂颗粒保持固体状态，粒子以纯塑性变形沉积形成涂层，对颗粒的速度(500〜1200m・s-1)要求很高，工作气体的预热温度一般低于600°C,涂层孔隙率大，与基板的结合强度不高[2].以上两种喷涂技术均存在缺点，因此低温超音速火焰喷涂(Low-TemperatureOxygen-Fuel,LTOF)成为目前热喷涂领域一个新的研究热点.LTOF是指工作气体温度介于传统超音速火焰喷涂与冷喷涂之间(1000〜2500K)

8、,但气流速度同时具备超音速特性的一种喷涂方法[3].它的工作原理是将燃料与助燃气体在燃烧室内燃烧产生的高温高压的焰流，在混合室内与适量掺混气体混合，通过Laval喷嘴将混合气流加速到超音速状态，然后通过枪管喷射入大气环境