反应火焰喷涂中颗粒熔化反应过程的数值模拟

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1、反应火焰喷涂中颗粒熔化反应过程的数值模拟胡文斌，王建江，杜心康，刘宏伟，李伟波（军械工程学院先进材料研究所，河北石家庄050003）摘要：采用数值模拟的方法研究了自蔓延反应火焰喷涂过程中喷涂颗粒在喷涂焰流中的加热熔化过程，用有限元分析软件ANSYS计算了由不同物性参数的三种粉体(Ti、B4C及C)组成的团聚粉颗粒固相加热、熔化和反应过程，颗粒粒径选择50µm，整个过程主要考虑了颗粒的自蔓延反应，反应后颗粒主要由Ti(Cx，Ny)、TiB2及TixOy组成。分析得出了颗粒在反应前后的温度分布情况，由此计算了颗粒在给定

2、火焰温度下的反应时机及最佳的熔化状态，为提高涂层质量提供了理论依据。关键词：数值模拟；反应火焰喷涂；Ti-B4C-C中图分类号：TG174.453文献标识码：AModelingofmeltingandreactingbehaviorofreactiveflamesprayparticleHUWenbin,WANGJianjiang,DUXinkang,LIUHongwei,LIWeibo(InstituteofAdvancedMaterials,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazh

3、uang050003,China)Abstract:Numericalmodelingthemeltingandthereactingbehaviorofreactiveflamesprayparticle.TheFiniteElementMethodsbasedonANSYSisusedformodelingtheheating,meltingandreactingofparticlesthataremadeupofTi,B4CandC.Diameteroftheparticleis50µm.Inthecours

4、e,theSHSreactionhasbeenmodeled.AftertheSHSreaction,theparticlesaremadeupofTi(Cx,Ny),TiB2andTixOy.ThisworkshowsthedistributionoftemperatureoftheparticlebeforeandaftertheSHSreaction,andthetimewhentheSHSreactionhappen.Thisworkwillbehelpfultoimprovethequalityofthe

5、coating.Keywords:numericalmodeling;reactiveflamespray;Ti-B4C-C1引言反应火焰喷涂是利用廉价气体作为辅助热源，采用传统火焰喷涂设备，引发喷涂粉末的自蔓延反应制备涂层的技术。反应火焰喷涂不同于传统火焰喷涂之处，关键在于其引进并强调了喷涂粉末之间的反应，利用反应生成所需产物，借助反应的高放热促进产物粒子的熔化，从而获得常规方法难以制备的高熔点的陶瓷或金属间化合物涂层，同时由于更多地利用反应体系中的高化学能，因而可实现低成本、高[1]效能地制备高性能陶瓷基涂层，

6、且应用范围更广，尤其是在陶瓷涂层的喷涂应用上更具有重要意义。[2,3]产物粒子撞击基体瞬间的速度和熔化状态是影响热喷涂涂层结构和性能的主要因素。研究表明，[3,4]粒子与基体碰撞后的扁平化过程和行为主要受粒子碰撞速度、熔化状态等因素的制约。良好的熔化状态和较高的粒子速度条件下，粒子的扁平化过程进行的较充分，扁平化程度高。在反应火焰喷涂中，由于引入反应型喷涂体系，涂层形成过程中团聚颗粒的化学燃烧和结构转变过程成为反应喷涂的技术和理[5]论关键，即各团聚颗粒构成独立的微小反应单元，经历反应孕育、飞行燃烧、碰撞、结构转变

7、与凝固4[6,7]个阶段形成目标涂层。其中飞行燃烧过程影响飞行粒子与基体的相互作用，从而影响产物与基体的结合状态以及涂层的形态与结构，因此各粒子的飞行燃烧状态将成为决定涂层性能的关键因素之一。飞行燃烧过程中，粒子与粒子、粒子与基体间的相互作用伴随着高放热的化学反应和较高的熔滴温364度和过冷度以及快速的传质传热，因此有必要对自蔓延反应火焰喷涂过程中的飞行燃烧过程进行研究，以揭示其特殊性，从而进一步丰富和完善反应喷涂技术的基础理论。本文采用ANSYS有限元软件分析了反应火焰喷涂粒子（Ti-B4C-C团聚粉）在焰流中反

8、应熔化行为，研究了粒子在飞行燃烧阶段温度分布规律，对改善反应火焰喷涂涂层的性能具有重要的意义，对反应火焰喷涂实验具有一定的指导意义。2数值模拟前的分析2.1相关实验及实验结果分析原料选用化学纯Ti粉(d<43µm)，工业纯B4C粉(d<2.5µm)和石墨粉(d<2.5µm)。将Ti粉湿磨10小时后，与B4C粉和石墨粉按一定化学计量配比混合，制成粒度为38～6