等离子喷涂射流特性及熔滴铺展凝固行为研究
发布时间：2019-11-07 16:36
【摘要】：等离子喷涂在石油化工和现代化工业领域具有广泛的应用背景。目前国内关于超音速等离子喷涂的模拟计算工作还较少,现有的计算多集中在低压环境下,数值模拟大多基于局域热力学平衡的单温等离子模型,并忽略了气体的化学反应、比热、热焓和粘度的变化,以及颗粒所受的热泳力、压力梯度力等。由于等离子喷涂过程中复杂的物理和化学过程,一些基本机理仍没有真正研究清楚,尤其是对等离子焰流与颗粒的相互作用以及熔滴的铺展凝固机理等缺乏本质认识,需要进行更加系统深入的研究。目前研究的一个重要方向是对等离子喷涂的全过程进行研究。为了更加系统深入的研究等离子喷涂过程,本文利用数值分析与实验市相结合的方法研究了内送粉形式超音速喷枪内外流场、温度场及粉末颗粒在等离子射流中的加热加速历程和破碎细化行为。模型采用了非局域热力学平衡的双温等离子体模型并考虑了等离子气体中的电离与复合反应,考虑了颗粒所受的气流拖拽力、热泳力和压力梯度力。通过SprayWatch-2i对粒子在等离子射流中的速度和温度进行在线监测,验证了数值计算结果的准确性。研究表明,氢气对等离子喷涂流场的温度和速度产生促进作用。超音速等离子喷涂的流场速度和温度高于普通大气等离子喷涂,颗粒在超音速等离子喷涂流场中更容易加热熔化和破碎细化。普通等离子喷涂的最佳喷涂距离为80mm；超音速等离子喷涂的最佳喷涂距离为100mm。超音速等离子涂层的孔隙率明显低于普通等离子喷涂。应用VOF方法追踪熔滴凝固过程的气-液-固界面,采用有限体积法求解控制方程,分析了熔滴与基体碰撞过程中各个参数对熔滴铺展形貌的影响,考虑了以前研究者忽略的因素如表面张力、熔滴的凝固及接触热阻等；采用专用装置收集碰撞粒子,对收集到的粒子铺展形貌通过SEM扫描电镜和3D激光显微镜进行观察；采用雷诺数、韦伯数和Oh数对熔滴飞溅的临界值进行了定量表征。研究表明,随着熔滴直径和速度的增大,铺展边缘出现断裂。随着雷诺数的增大,熔滴会产生飞溅。当oh0.2时,在Re470±10时,熔滴发生飞溅；当oh0.2时,在We1.35×1046100时,熔滴发生飞溅。随基体表面粗糙度的增加,出现大量孔洞。接触热阻增大时,飞溅效果增大。前层的铺展凸起阻碍后面的熔滴铺展。模拟过程考虑凝固时对铺展扁平率有促进作用。SAPS工艺的粒子最大扁平率与雷诺数之间关系近似符合刘氏模型；APS工艺的粒子最大扁平率与雷诺数之间关系接近于Yoshida模型。采用LBM方法模拟了超音速等离子喷涂过程中多组分混合溶液凝固生长行为,模拟过程考虑了强制对流对凝固生长的影响。研究表明,在对流影响下,迎流部分生长快,背流部分生长受到抑制。在大的过冷度影响下,出现二次枝晶生长。在大温度梯度下呈柱状晶生长,柱状晶的生长方向朝向正温度梯度方向。受对流的影响,柱状晶生长出现二次枝晶,迎流方向枝晶发达,背流方向枝晶生长受到抑制。这些研究对超音速等离子喷涂过程的认识有本质的提高,对有针对性地优化相关工艺参数有重要的指导作用,对最终提高等离子喷涂工业化运用水平具有重要的理论和现实意义。
【图文】：
西南石油大学博±研究生学位论文逡逑外，热喷涂施工对基体的热影响很小，基体受热温度不超变形和性能变化；逡逑施工艺灵活，方便，迅速，适应性强Ｗ１。逡逑技术分类逡逑依照所采用的热源不同通常可分为：火焰喷涂、电弧喷涂、炸喷涂等）四大类，每类方法还发展出了各具特色的不同涂逡逑烧放出的热进巧的热喷涂称火焰喷涂。火焰喷涂最常用的喷涂材料的形状可分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。图１－１原理示意图。逡逑化ｗｄｅｒ逦Ｂｕｒｎｉｎｇ邋Ｇａｓｅｓ逦Ｓｐｒａ＾ｄ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ邋Ｆ逡逑
（３）等离子喷涂逡逑等离子喷涂是采用等离子弧为热源，，Ｗ喷涂粉末材料为主的热喷涂方法，其喷涂原逡逑理示意图如图１－３所示。将整流电源的正极和负极分别接入喷枪的喷嘴（阳极）和鹤电逡逑极（阴极），由高频火花引燃通入喷枪内部的工作气体，连续的工作气体被电离形成高逡逑温高速的等离子焰流。原料粉末在喷枪口附近由压缩气体送入枪曰，通过等离子焰流加逡逑热到烙化或半烙化状态，并随同等离子焰流高速喷射并沉积到经粗化的洁净基体表面上，逡逑巧冷凝固后在基体表面形成喷涂层Ｕｓｉ。逡逑巧}闱慑义稀㈣麇危澹铄澹翦澹穑驽义锨赡┧危海蜃鳌卞嗡义希裕妫邋迥坼义希蚀释亍保咤义希埽辏觯恚赍义贤迹保车壤胱优缤吭硎疽馔煎义系壤胱优缤康难顾醯缁∈怯善胀ǖ缁【妊顾酢⒒笛顾鹾妥源叛顾醵ｅ义希ǎ保
本文编号：2557367
【图文】：
西南石油大学博±研究生学位论文逡逑外，热喷涂施工对基体的热影响很小，基体受热温度不超变形和性能变化；逡逑施工艺灵活，方便，迅速，适应性强Ｗ１。逡逑技术分类逡逑依照所采用的热源不同通常可分为：火焰喷涂、电弧喷涂、炸喷涂等）四大类，每类方法还发展出了各具特色的不同涂逡逑烧放出的热进巧的热喷涂称火焰喷涂。火焰喷涂最常用的喷涂材料的形状可分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。图１－１原理示意图。逡逑化ｗｄｅｒ逦Ｂｕｒｎｉｎｇ邋Ｇａｓｅｓ逦Ｓｐｒａ＾ｄ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ邋Ｆ逡逑
（３）等离子喷涂逡逑等离子喷涂是采用等离子弧为热源，，Ｗ喷涂粉末材料为主的热喷涂方法，其喷涂原逡逑理示意图如图１－３所示。将整流电源的正极和负极分别接入喷枪的喷嘴（阳极）和鹤电逡逑极（阴极），由高频火花引燃通入喷枪内部的工作气体，连续的工作气体被电离形成高逡逑温高速的等离子焰流。原料粉末在喷枪口附近由压缩气体送入枪曰，通过等离子焰流加逡逑热到烙化或半烙化状态，并随同等离子焰流高速喷射并沉积到经粗化的洁净基体表面上，逡逑巧冷凝固后在基体表面形成喷涂层Ｕｓｉ。逡逑巧}闱慑义稀㈣麇危澹铄澹翦澹穑驽义锨赡┧危海蜃鳌卞嗡义希裕妫邋迥坼义希蚀释亍保咤义希埽辏觯恚赍义贤迹保车壤胱优缤吭硎疽馔煎义系壤胱优缤康难顾醯缁∈怯善胀ǖ缁【妊顾酢⒒笛顾鹾妥源叛顾醵ｅ义希ǎ保
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