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等離噴涂與顆粒的相互作用模型

  等離子噴涂中,噴涂粒子的行為可分為碰撞前和碰撞后兩個階段。噴涂粉未經由送粉嘴進入等離子焰流后,將首先受到焰流的加熱和加速,與等離子體射流發生相互作用,如圖1-2所示。之后,具有定速度的熔滴和基體發生碰撞,熔滴迅速變形并急速冷卻凝固,從而形成扁平的粒子。

等離噴涂與顆粒的相互作用模型

  在許多情況下,供給等離子噴槍的能量只有較少部分傳給顆粒,但在噴涂過程中,顆粒還必須從等離子體中得到適量的動量,以便噴涂顆粒更牢固地和噴涂表面結合。事實上,涂層的質量很大程度上取決于顆粒在碰撞前的速度和它是否完全熔化。因此,必須了解顆粒在等離子體中的受力狀況、運動軌跡、溫度和物理狀態的變化過程,從而控制各種實驗條件,使顆粒和等離子體有足夠的接觸,以獲取必要的熱量和動量,達到最佳的噴涂效果。在此硏究領域,數值模擬需要解決的主要問題包括:顆粒在等離子體中的受力及顆粒群軌道模顆粒與等離子體的傳熱以及顆粒內部的導熱狀況。

  1.顆粒在等離子體中的受力

  作用在顆粒上的力可分為三類

  (1)與流體顆粒的相對運動無關的力,如慣性力、重力和壓差力等

  (2)依賴于流體-顆粒間的相對運動,其方向沿著相對運動方向的力,如黏性阻力、附加質量和 Basset力等。

  (3)依賴于流體-顆粒間的相對運動,其方向垂直于相對運動方向的力,如升力、 Magnus力和 Saffman力等。結合等離子體本身的高溫特性,可對經典模型進行修正,主要包:

  (1)等離子體射流密度與噴涂顆粒密度相比要小得多,這使附加質量力、升力等力可以忽略不計。

  (2)重力等力與黏性阻力相比要小得多,故重力可以忽略不計。

  (3)壓力的影響可以忽略不計,故壓差力可以忽略不計。

  (4)熱泳引起的力,該力使顆粒的運動方向隨機分布,運動方式趨于復雜化。

  在此基礎上,可將顆粒在等離子體中的受力模型簡化為:

  式中,F為慣性力,戶為黏性阻力,FB為 Basset力,為熱泳所產生的力。目前,拉格朗日( Lagrange)軌道模型是分析顆粒及顆粒群軌道較為完善的種方法。它把顆??闯墒桥c氣體有滑移的,沿軌道運動的分散群,并完整地考慮了兩者之間的相互作用。

  2.顆粒與等離子體的傳熱

  顆粒在等離子體中的受熱是研究的重點,因為它關系到顆粒在碰撞固化前是否能夠完全熔化,以獲得高質量的涂層;同時,又要避免顆粒的過分蒸發,以減少材料和能量的損失。盡管通常噴涂顆粒的直徑僅為幾十微米,但其在等離子體射流或等離子體反應器中的停留時間往往較短(10s左右),并且等離子體系統中往往存在巨大的溫度梯度與速度梯度,要使所有顆粒都能得到適當而有效的加熱,并不是一件容易的事情。只有那些能夠送到等離子體射流的高溫區并獲得

  足夠長的加熱時間的顆粒,才能獲得有效的加熱顆粒的加熱歷程與許多因素有關,如顆粒的運動軌跡、顆粒材料的種類(包括材料密度、熔點、熔化潛熱、沸點、蒸發潛熱和比熱等)、顆粒的形狀、顆粒尺寸、顆粒噴射位置、顆粒噴射向、顆粒噴射速度、等離子體射流的溫度場與速度場,等等。

  3、顆粒內部的導熱

  顆粒內部的導熱是一個復雜而重要的問題,尤其對于非金屬噴涂材料,因為它直接決定了等離子體傳給顆粒的熱量在顆粒內部的分配及顆粒內部的溫度分布,從而直接決定了顆粒是否完全熔化。實際的理方法也視各種條件的不同而分為兩種:一種是忽略顆粒內部的溫度梯度,即認為其熱傳導系數足夠大,而把它當成一個均溫的球體來處理;另種是用差分方法來數值求解顆粒的熱傳導方程,從而得出其溫度分布T(r,t)。

  第一種方法比較簡單,但需要滿足一定的條件。事實上,當畢歐數B<0.1時,即可將顆粒視為均溫球體。對于一般的金屬噴涂材料,如鎢、鋁,B河以認為小于0.1,但對于一般的非金屬材料,如AO3、crO3、zrO2,通常都不能滿足。

  顆粒在等離子體中的升溫過程如下

  (1)顆粒進入等離子體,從常溫被加熱到熔點,該過程中沒有質量損失。

  (2)顆粒表面溫度達到熔點后,表面開始熔化,熔化逐步從表面向顆粒內部移動。從顆粒中心到熔化表面是固態,從熔化表面到顆粒外表面是液態,兩部分的溫度都在逐步升高。

  (3)顆粒表面溫度達到沸點,表面開始蒸發,如果這時顆粒還沒有完全熔化,則熔化表面繼續向中心移動,固液兩部分溫度仍逐步上升。

  (4)顆粒開始冷卻,溫度下降,直至重新固化。

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