【摘要】：等離子噴涂在石油化工和現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于超音速等離子噴涂的模擬計(jì)算工作還較少,現(xiàn)有的計(jì)算多集中在低壓環(huán)境下,數(shù)值模擬大多基于局域熱力學(xué)平衡的單溫等離子模型,并忽略了氣體的化學(xué)反應(yīng)、比熱、熱焓和粘度的變化,以及顆粒所受的熱泳力、壓力梯度力等。由于等離子噴涂過(guò)程中復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程,一些基本機(jī)理仍沒(méi)有真正研究清楚,尤其是對(duì)等離子焰流與顆粒的相互作用以及熔滴的鋪展凝固機(jī)理等缺乏本質(zhì)認(rèn)識(shí),需要進(jìn)行更加系統(tǒng)深入的研究。目前研究的一個(gè)重要方向是對(duì)等離子噴涂的全過(guò)程進(jìn)行研究。為了更加系統(tǒng)深入的研究等離子噴涂過(guò)程,本文利用數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)市相結(jié)合的方法研究了內(nèi)送粉形式超音速噴槍內(nèi)外流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及粉末顆粒在等離子射流中的加熱加速歷程和破碎細(xì)化行為。模型采用了非局域熱力學(xué)平衡的雙溫等離子體模型并考慮了等離子氣體中的電離與復(fù)合反應(yīng),考慮了顆粒所受的氣流拖拽力、熱泳力和壓力梯度力。通過(guò)SprayWatch-2i對(duì)粒子在等離子射流中的速度和溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究表明,氫氣對(duì)等離子噴涂流場(chǎng)的溫度和速度產(chǎn)生促進(jìn)作用。超音速等離子噴涂的流場(chǎng)速度和溫度高于普通大氣等離子噴涂,顆粒在超音速等離子噴涂流場(chǎng)中更容易加熱熔化和破碎細(xì)化。普通等離子噴涂的最佳噴涂距離為80mm；超音速等離子噴涂的最佳噴涂距離為100mm。超音速等離子涂層的孔隙率明顯低于普通等離子噴涂。應(yīng)用VOF方法追蹤熔滴凝固過(guò)程的氣-液-固界面,采用有限體積法求解控制方程,分析了熔滴與基體碰撞過(guò)程中各個(gè)參數(shù)對(duì)熔滴鋪展形貌的影響,考慮了以前研究者忽略的因素如表面張力、熔滴的凝固及接觸熱阻等；采用專(zhuān)用裝置收集碰撞粒子,對(duì)收集到的粒子鋪展形貌通過(guò)SEM掃描電鏡和3D激光顯微鏡進(jìn)行觀察；采用雷諾數(shù)、韋伯?dāng)?shù)和Oh數(shù)對(duì)熔滴飛濺的臨界值進(jìn)行了定量表征。研究表明,隨著熔滴直徑和速度的增大,鋪展邊緣出現(xiàn)斷裂。隨著雷諾數(shù)的增大,熔滴會(huì)產(chǎn)生飛濺。當(dāng)oh0.2時(shí),在Re470±10時(shí),熔滴發(fā)生飛濺；當(dāng)oh0.2時(shí),在We1.35×1046100時(shí),熔滴發(fā)生飛濺。隨基體表面粗糙度的增加,出現(xiàn)大量孔洞。接觸熱阻增大時(shí),飛濺效果增大。前層的鋪展凸起阻礙后面的熔滴鋪展。模擬過(guò)程考慮凝固時(shí)對(duì)鋪展扁平率有促進(jìn)作用。SAPS工藝的粒子最大扁平率與雷諾數(shù)之間關(guān)系近似符合劉氏模型；APS工藝的粒子最大扁平率與雷諾數(shù)之間關(guān)系接近于Yoshida模型。采用LBM方法模擬了超音速等離子噴涂過(guò)程中多組分混合溶液凝固生長(zhǎng)行為,模擬過(guò)程考慮了強(qiáng)制對(duì)流對(duì)凝固生長(zhǎng)的影響。研究表明,在對(duì)流影響下,迎流部分生長(zhǎng)快,背流部分生長(zhǎng)受到抑制。在大的過(guò)冷度影響下,出現(xiàn)二次枝晶生長(zhǎng)。在大溫度梯度下呈柱狀晶生長(zhǎng),柱狀晶的生長(zhǎng)方向朝向正溫度梯度方向。受對(duì)流的影響,柱狀晶生長(zhǎng)出現(xiàn)二次枝晶,迎流方向枝晶發(fā)達(dá),背流方向枝晶生長(zhǎng)受到抑制。這些研究對(duì)超音速等離子噴涂過(guò)程的認(rèn)識(shí)有本質(zhì)的提高,對(duì)有針對(duì)性地優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)有重要的指導(dǎo)作用,對(duì)最終提高等離子噴涂工業(yè)化運(yùn)用水平具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
【圖文】：

西南石油大學(xué)博±研究生學(xué)位論文逡逑外，熱噴涂施工對(duì)基體的熱影響很小，基體受熱溫度不超變形和性能變化；逡逑施工藝靈活，方便，迅速，適應(yīng)性強(qiáng)Ｗ１。逡逑技術(shù)分類(lèi)逡逑依照所采用的熱源不同通�？煞譃椋夯鹧鎳娡�、電弧噴涂、炸噴涂等）四大類(lèi)，每類(lèi)方法還發(fā)展出了各具特色的不同涂逡逑燒放出的熱進(jìn)巧的熱噴涂稱(chēng)火焰噴涂�；鹧鎳娡孔畛Ｓ玫膰娡坎牧系男螤羁煞譃榻z材火焰噴涂和粉末火焰噴涂。圖１－１原理示意圖。逡逑化ｗｄｅｒ邐Ｂｕｒｎｉｎｇ邋Ｇａｓｅｓ邐Ｓｐｒａ＾ｄ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ邋Ｆ逡逑

（３）等離子噴涂逡逑等離子噴涂是采用等離子弧為熱源，，Ｗ噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法，其噴涂原逡逑理示意圖如圖１－３所示。將整流電源的正極和負(fù)極分別接入噴槍的噴嘴（陽(yáng)極）和鶴電逡逑極（陰極），由高頻火花引燃通入噴槍內(nèi)部的工作氣體，連續(xù)的工作氣體被電離形成高逡逑溫高速的等離子焰流。原料粉末在噴槍口附近由壓縮氣體送入槍曰，通過(guò)等離子焰流加逡逑熱到烙化或半烙化狀態(tài)，并隨同等離子焰流高速噴射并沉積到經(jīng)粗化的潔凈基體表面上，逡逑巧冷凝固后在基體表面形成噴涂層Ｕｓｉ。逡逑巧}闈懾義�、梓逦｝邋ｈp澹翦澹穡駑義锨贍┧危海蜃鰲卞嗡義希裕媯邋迥坼義希蝕釋亍保咤義希埽輳觶恚赍義賢跡保車(chē)壤胱優(yōu)繽吭硎疽饌煎義系壤胱優(yōu)繽康難顧醯緇∈怯善脹ǖ緇【妊顧�、机械杨欫z妥源叛顧醵�。辶x希ǎ保

本文編號(hào)：2557367