棒材等离子喷涂制备非晶态合金雾化过程的数值模拟及工艺参数的制定

棒材等离子喷涂制备非晶态合金雾化过程的数值模拟及工艺参
数的制定
冯拉俊;王官充;闫爱军
【摘要】根据已有的火焰喷涂一维稳定流动学研究的成果,提出棒材等离子喷涂法制备非晶涂层的雾化机理并计算了棒材等离子喷涂法制备非晶时雾化粒子的中值粒径.同时改变棒材等离子喷涂中主气压力和辅气压力两个主要参数,优化了铁系非晶涂层制备工艺.结果表明,φ3mm Fe80P13C7及Fe72Cr8P13C7的晶体棒材通过大气等离子喷涂,在喷涂电压为55V,喷涂电流为600A,棒材与喷嘴的距离为4mm,送棒速率为50mm/min,喷涂距离为100mm,喷涂角度≈90°,主气压力为0.95MPa,辅气压力为0.35MPa喷涂可制备非晶涂层.
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2013(044)007
【总页数】4页(P1059-1062)
【关键词】等离子喷涂;非晶态合金;工艺参数;数值模拟
【作者】冯拉俊;王官充;闫爱军
【作者单位】西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048;西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048;西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048;陕西电力研究院,陕西西安710054
【正文语种】中文
【中图分类】TG174
1 引言
棒材等离子喷涂和粉末等离子喷涂的差别是棒材先加热到熔点，然后由于喷涂气流的剪切力作用，使大熔滴进入到雾化气流中，在喷涂气流中的大熔滴进行二次破碎和雾化[1]，飞行粒子的温度较高，在飞行过程中温度梯度大；粉末喷涂时，冷的
粉末直接进入等离子气流中，在飞行的过程中加热。

由于飞行速度高，粉末很难加热到熔点，因此不形成二次破碎，这使得等离子粉末喷涂时，粉末粒子的温度较低，热焓小，飞行过程的温度梯度小。

根据棒材等离子喷涂过程中飞行的粒子热熵高、温度梯度大的特点，本文利用一维稳定流[2，3]模型，研究了棒材等离子喷涂的雾化条件、雾化机理，计算了雾化后粒子直径的大小，阐述了主气和辅助气体压强、流量对雾化的影响，为棒材等离子喷涂工艺参数制定提供参考，为棒材等离子喷涂制备功能材料、提高喷涂层性能提供理论依据。

2 棒材雾化模型的建立
Unal等[4]认为棒材在热气流中的雾化过程可以归纳为两步破碎过程：金属液流与雾化气体在金属棒边缘相遇并发生强烈的动量和热量交换，棒材被加热到熔点后，才能在气流的剪切力作用下形成一系列的大液滴，脱离棒材为初次雾化过程，该过程中雾化压力越大，气流速度与动能越大，气流与液流相互作用越强烈，所形成的流场紊乱度越高，破碎进行得越充分，初次雾化得到的液滴就越小；初次雾化得到的金属液滴受气流作用被加速，在加速过程中，作用在液滴上的气动力与表面张力的平衡受到破坏，液滴将进一步破碎，即经历二次雾化[5]。

雾化压力越大，雾化
气流的速度越大，气流与金属液流的相对速度越大，由于速度差而引起的二次雾化过程进行得越充分，从而得到更多更细的粉末，粉末中值粒径越小。

二次破裂所需的气动力条件可用韦伯数表示：）
韦伯数的物理意义即气动压力与液体表面张力之比，液滴开始变形、破碎时的韦伯数称为临界韦伯数。

韦伯数越大，破碎的液滴就越细。

由Lubanska提出的射流雾滴形成方程[6]，得到中值粒径的估算方法：
式（1）、（2）中，β为在特定雾化气体压力和特定金属液流条件下的经验常数；dm为雾滴的中值粒径（m）；D 为金属棒直径（m）；Vm、Vg 为金属和雾化气体的运动粘度系数（m2／s）；M、A 分别表示金属和雾化气体的质量流量（kg
／s）；ρg为射流气体的密度；σm 为金属液滴的表面张力；w 为液滴与气体的相对速度；We表示韦伯数。

3 棒材等离子喷涂过程中的雾化过程模拟计算
3．1 参数的设计
通过查阅文献和棒材等离子喷涂预试验的探索，喷涂工艺参数见表1和2。

表1 喷涂工艺参数Table1 Technological parameters of plasma spray电压（V）电流（A）棒材与枪嘴距离（mm）送棒速率（mm／min）喷涂距离（mm）喷
涂角度（°）55 600 4 50 100 ≈90
表2 因素参数Table2 Parameters of factorA B C D氩气压力（MPa）氩气流量（L／h）0．75 1412 0．38 356 0．85 1600 0．95 1788 1．05 1976氢气压力（MPa）氢气流量（L／h）0．30 281 0．32 300 0．35 328
采用芬兰Oseir公司生产的SprayWatch－2i热喷涂诊断与控制专用设备测量，
出口温度Te＝9703K，射流扩展半角约为α＝2．8°。

3．2 喷涂过程物性计算
3．2．1 混合气体中各组元气体所占体积分数
混合气体中各组元气体所占体积分数αi由式（3）表示：
其中，Vi为标准大气压下混合气体中i组元气体的体积；Vg为标准大气压下混合气体的体积。

3．2．2 雾化时混合气体温度
等离子轴心线处的温度可用式（4）表示[7]：
式中，Tg为气流温度；χ为离点源的距离；α为射流扩散半角；re为喷嘴出口半径；Te为焰流出口温度；Ta 为大气温度。

其中，α ＝0．04887rad，re＝2．5mm，Te＝9703K，Ta＝303K。

棒材处等离子流温度为：
3．2．3 雾化时混合气体速度
气流出口速度可按式（5）计算：
式中，G为体积流量；A为出口截面积；Ve为气流出口速度。

其中，G＝GH2＋GAr＝1900L／h，喷嘴半径r＝2．5mm。

所以气流出口速度Ve＝203．3m／s。

根据射流动力学，射流可以看作在离射流出口很近的一点处置以无限小半径的小孔所喷出的射流流动[8]：
式中，χ为离点源的距离；α为射流扩散半角；re为喷嘴出口半径；Vg为射流轴心速度；Ve为射流出口速度。

棒材与喷嘴的距离为4mm时，其中，α＝0．04887rad，re＝2．5mm，Vg＝
203．3m／s，棒材处轴心射流速度：
3．2．4 混合气体的密度
混合气体的密度可按各组元气体所占体积百分数计算：
式中，ρi为混合气体中i组元气体的密度；ai为混合气体中i组元气体所占体积百分数。

其中，喷枪出口处，射流气体压力为标准大气压，室温下αH2＝6．6%，αAr＝93．4%，ρH2＝0．0839kg／m3，ρAr＝1．7841kg／m3。

室温下混合气体的密度：
ρ＝0．0839×6．6%＋1．7841×93．4%＝1．672kg／m3
实际密度：
3．2．5 金属的表面张力
对于喷涂铁系非晶合金，合金的表面张力近似为近似铁的表面张力。

其中铁的表面张力的关系式[9]：
σ（mN／m）＝1909－0．52（T－1530）（8）
在雾化过程中，金属刚刚熔化，这里的T取铁的熔点T＝1535℃，σm＝1906．4（mN／m）。

3．2．6 运动粘度系数
根据Roscoe公式和Shrivdkovskii公式计算在熔点温度的液态铁的粘度为
7．5mPa·s，密度为7．03×103kg／m3，运动粘度系数1．067×10－6 m2／s[10]。

根据气体的萨瑟兰式粘温关系、粘温共线图和指数方程[10]计算出氢气和氩气的动力粘度系数，ηH2＝92．0×10－6Pa·s，ηAr＝369．1×10－6Pa·s混合
气体的动力黏度可用式（9）近似计算：
式中，ai为混合气体中i组元气体所占体积分数；Mi为混合气体中i组元气体的分子量；ηi为混合气体中i组元气体的动力黏度。

（i＝1，2，…n）
射流气体的动力粘度为228．7×10－6Pa·s，运动粘度系数：
3．2．7 金属和气体的质量流量
在额定工作条件下，大气等离子喷涂每小时消耗氩气1600L和氢气300L。

送棒速率与喷涂功率及棒材与喷嘴之间的距离等因素有一定的关系，因此要根据喷涂功率来调整送棒速率，研究采用送棒速度为50mm／min，棒材直径为3mm，铁系非晶合金的密度约为8．20×103kg／m3。

3．3 韦伯数的计算
3．4 雾化粒径的计算结果
令β＝1，根据射流雾滴形成方程，计算出dm＝22．3μm。

依此类推，不同组分主气压力和辅气压力对应的中值粒径的计算结果见表3。

表3 不同组分中值粒径的计算结果Table3 The result of medium diameter in different gas pressure组分 A B C D中值粒径（μm）30．3 22．3 17．5 14．3
4 模拟结果验证
分别在4种气体组分下对 3mm的Fe80P13C7和Fe72Cr8P13C7合金棒材按上
述计算的工艺参数进行等离子喷涂、检验。

使用B气体组分喷涂出的涂层经过TEM观察，微观组织均匀，没有位错缺陷，表明制出了非晶态合金；对制备的Fe80P13C7涂层通过XRD图谱分析，结果见图1。

由图1可见没有出现明显的晶态峰，而是一个宽化的馒头峰，表明棒材等离子喷涂制出了高含量的非晶合金。

采用JEM－3010型扫描电镜分析Fe80P13C7和Fe72Cr8P13C7非晶态合金涂层的表面微观形貌如图2、3所示，从图2和3可以看出涂层表面比较平整，也能看到粒子碰击变形的大小。

图2中，Fe80P13C7雾化粒子扁平化形成的直径约为10～35μm的片状沉积，图3中，Fe72Cr8P13C7雾化粒子扁平化形成的直径约为20～30μm的片状沉积，雾化模型计算值为22．3μm，小于图中粒子的直径，这主要是雾化粒子在基体表面出现变形、扁平化的效果，使图片中粒子直径比计算雾化的飞行粒子的粒径值稍大。

图1 铁基晶态合金棒材和非晶态合金粉末的XRD图谱Fig1 XRD patterns of crystalline metal bar and amorphous alloy sheets
图2 Fe80P13C7涂层表面形貌Fig2 Microstructure of the surface of
Fe80P13C7
图3 Fe72Cr8P13C7涂层表面形貌Fig3 Microstructure of the surface of
Fe72Cr8P13C7
在其它喷涂工艺参数确定的情况下，主气压力和辅气压力的选择十分重要。

压力较小时，雾化气流的速度较小，引起的二次破碎的过程不充分，雾化液滴直径较大，难以达到非晶形成冷却速度的要求；压力较大时，雾化气流的速度较大，雾化液滴的速度较大，加热的时间偏短，同样无法形成非晶。

金属棒材经过等离子喷涂后，涂层为非晶结构，说明等离子喷涂过程中在设计的氩气流是1600L／h，氢气为300L／h，电压为55V，电流为600A的条件下， 3mm的合金棒通过二次雾化，粒子的冷却速度达到了快速冷却的要求，满足了非晶制备的快速冷却的条件。

5 结论
（1）利用二次破碎理论和雾滴形成方程：
对等粒子棒材等离子喷涂的粒子雾化的模拟计算是可行的，在Fe系棒材的计算中，β取1，模拟计算的雾化粒子中值粒径与实测的粒径相近。

（2） 3mm的Fe80P13C7或Fe72Cr8P13C7在喷涂电压为55V，电流为600A，棒材与喷嘴的距离为4mm，送棒速度为50mm／min，喷涂距离100mm，主气压力0．85MPa，辅气压力0．32MPa时，可得到非晶涂层。

在雾化气流力中飞行粒子的直径约为22μm。

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