激光同軸送粉氣固分離均分器的研制*＊1

田鳳杰

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159）

目前，激光快速成形制造技術(shù)已成為一種新興的直接快速制造三維實(shí)體金屬零件和修復(fù)貴重金屬零部件的先進(jìn)制造方法，它已廣泛應(yīng)用于航天航空、石油化工、電子信息和能源環(huán)境等行業(yè)［1］。近年來，激光同軸送粉成形技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，同軸送粉中粉末流和激光束同軸輸出，在圓周各個(gè)方向是對(duì)稱的，無方向性限制，既能實(shí)現(xiàn)二維平面熔覆成形，也能良好實(shí)現(xiàn)3D成形制造，而且粉末流具有成形制造所需要的各向同性的功能，具有靈活的成分可調(diào)性［2－3］。但是粉末流的各向同性取決于粉末由噴嘴噴射出后的分布狀態(tài)、粉末流形態(tài)不僅直接影響成形層形貌和質(zhì)量，而且粉末流匯聚性不好也造成粉末的利用率降低，進(jìn)而影響成形制造過程的效率和增加成本，因此國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者一直致力于高性能同軸送粉系統(tǒng)的研究開發(fā)［4－7］?，F(xiàn)在激光快速成形大多采用載氣式同軸送粉系統(tǒng)，載氣式氣力輸送可以良好地進(jìn)粉和較長(zhǎng)距離輸送，而且粉末不產(chǎn)生團(tuán)聚和堵塞現(xiàn)象，系統(tǒng)主要由載氣送粉器、輸送管路和載氣式同軸送粉噴嘴等組成。粉末顆粒依靠載氣完成粉末的流化、輸送過程，但當(dāng)氣粉兩相流從噴嘴噴射出時(shí)，由于氣相載體易于擴(kuò)散減速，所以載氣在沿著粉末流流動(dòng)方向上產(chǎn)生橫向速度梯度，使得固相粉末顆粒在該梯度方向上受到橫向剪切力，造成粉末噴射出后迅速發(fā)散，這是造成粉末匯聚焦距短（噴嘴易受熱升溫）和利用率低的一個(gè)主要原因。本文針對(duì)增大粉末匯聚焦距和提高粉末利用率問題，進(jìn)行了氣固分離均分器的結(jié)構(gòu)和載氣流量大小對(duì)匯聚性能影響的分析計(jì)算和模擬研究，最后通過試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 卸載式同軸送粉系統(tǒng)

為了減少載氣對(duì)噴射匯聚粉末的擾動(dòng)發(fā)散，在粉末進(jìn)入同軸噴嘴前把載氣卸載，這樣既可以很好地進(jìn)行載氣式粉末的進(jìn)粉和輸送，又可以顯著地減少噴射匯聚時(shí)載氣對(duì)粉末的擾動(dòng)發(fā)散作用。卸載式同軸送粉系統(tǒng)主要由載氣送粉器、輸送管路、氣固分離均分器和同軸噴嘴等組成，如圖1所示。載氣送粉器采用載氣方式輸送的氣粉兩相混合物經(jīng)管路輸送進(jìn)入氣固分離均分器，大部分載氣與粉末分離后排出，剩余小部分載氣和粉末均分4路后進(jìn)入同軸噴嘴（粉末在載氣卸載過程中無任何損失），激光束經(jīng)光路系統(tǒng)穿過同軸噴嘴，與由噴嘴噴射而出的粉末流同軸輸出，粉末進(jìn)入激光束在基材成形表面形成的熔池內(nèi)。高能量的激光束使進(jìn)入熔池的粉末完全熔化，而基材微熔，冷卻后在基材表面形成與基材相互熔合的成形層，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件控制同軸噴嘴和基材相互配合運(yùn)動(dòng)，這樣逐層堆積實(shí)現(xiàn)激光三維成形制造。

氣固分離均分器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由進(jìn)粉口、分離腔、分粉錐、排氣孔和4路出粉孔等組成。由于粉末顆粒粒徑較小，且氣固兩相流為稀相輸送，所以氣固分離采用轉(zhuǎn)折式慣性分離，即當(dāng)氣固兩相流流入口突然變大，氣相壓降迅速降低而產(chǎn)生負(fù)壓，載氣氣流速度突然降低到遠(yuǎn)小于被輸送顆粒的速度且急速轉(zhuǎn)向上行;粉末顆?；趹T性效應(yīng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡繼續(xù)保持原來的方向而與氣流主流方向不一樣，從而使載氣和固體顆粒分離。粉末顆粒均分采用錐體圓弧均分技術(shù)，即在錐體上加工4個(gè)均勻分布且具有特殊的弧面結(jié)構(gòu)的粉末通道，圓錐軸心與進(jìn)粉口中心位于同一軸線上，粉末通道上窄下寬，由于粉末顆粒本身具有一定的動(dòng)能，粉末從錐頂?shù)竭_(dá)錐底時(shí)不再向錐頂方向運(yùn)動(dòng)。分粉錐面既可以起到分割、均分粉末作用，又可以作為遮擋構(gòu)件而改善由于載氣轉(zhuǎn)向造成的粉末濃度偏離。

2 結(jié)構(gòu)分析與仿真計(jì)算

當(dāng)氣固兩相流以近似于層流懸浮狀態(tài)進(jìn)入慣性分離器，氣體在轉(zhuǎn)折時(shí)的損失可忽略不計(jì)時(shí)，慣性分離器中氣固分離可用圖3所示模型來描述。在分離區(qū)域內(nèi)，橫截面為矩形，氣體排出口在分離器上部，下部為錐形粉末出口。當(dāng)氣固兩相流進(jìn)入突然面積增大很多的分離腔時(shí)，氣相迅速減速而轉(zhuǎn)折流動(dòng)，由氣體排出口流出，固相由于質(zhì)量相對(duì)較大，依靠慣性和重力作用繼續(xù)沿原運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，這樣實(shí)現(xiàn)氣固分離。對(duì)于這種小型的轉(zhuǎn)折式慣性分離器，國(guó)內(nèi)外沒有任何的結(jié)構(gòu)方面的研究發(fā)表，由于這種分離器是由重力沉降室發(fā)展而來的，所以本文參照重力沉降室的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行粉流腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

轉(zhuǎn)折式慣性分離器分離腔部分的直徑D為

式中，Qg為通過分離器的氣體流量，m3/s;uf為固態(tài)顆粒的懸浮速度，m/s;α為修正系數(shù)，一般可在0.03～0.1范圍內(nèi)選取，對(duì)不易揚(yáng)起灰塵的顆粒取大值，易揚(yáng)灰塵顆粒取小值。

分離腔部分高度H為

式中:C為系數(shù)，對(duì)粒徑dp＞3 mm的粗顆粒，C=1.0～1.5;dp=0.5～3 mm的顆粒，C=1.3～1.8;dp＜0.5 mm 的粉末，C=1.5～2.0。

錐形部分高度h為

式中:d為粉末顆粒出口直徑，m;Φ為顆粒與分離器壁面的外摩擦角，（°）。

分離器進(jìn)口管的截面尺寸，可按進(jìn)口氣體流速等于顆粒群處于等速懸浮狀態(tài)輸送時(shí)載氣流的流量來計(jì)算設(shè)計(jì)。

分粉錐橫截面最大直徑為分離腔橫截面直徑的1/3，太大了影響氣固的分離效果，太小了影響粉末的均分功能;均分槽的圓弧直徑為以出口孔心為圓心，四等分分離腔的橫截圓周長(zhǎng)，且圓弧長(zhǎng)度等于分粉錐最大橫截圓周長(zhǎng)1/4的圓的直徑。

根據(jù)以上的分析計(jì)算，設(shè)計(jì)出用于同軸送粉系統(tǒng)的氣固分離均分器，對(duì)其進(jìn)行工作狀態(tài)的仿真研究。載氣為氬氣，粉末顆粒為Ni60A合金粉末，初始輸入條件數(shù)據(jù)如下:氣固兩相進(jìn)口半徑r0=2 mm，入口氣體壓強(qiáng)p0=5.05 ×105Pa，氣體密度 ρg=8.92 kg/m3，粉末出口半徑r1=2 mm，出口處的壓強(qiáng)p1=1.01×105Pa，環(huán)境溫度T=293 K，粉末密度 ρp=8.72 kg/m3，氣體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)μ=21.25×10－6Pa·s，顆粒直徑dp=0.075 mm。

采用不同的載氣流量，分析研究氣固分離和均分過程中粉末顆粒與載氣的流場(chǎng)狀況。載氣流量分別為:1.4、2.1、2.8、3.5、4.3、5.1、6、7.5 L/min。圖 4 為粉末在分離均分腔內(nèi)的流場(chǎng)分布，圖5為載氣在分離均分腔內(nèi)的流場(chǎng)分布。

由仿真結(jié)果可以分析出，所設(shè)計(jì)的氣固分離均分器可以良好地實(shí)現(xiàn)粉末顆粒與載氣的分離，大部分載氣有排氣口排出，粉末顆粒沿粉末出口流出。由于分粉錐的遮擋作用，粉末顆粒在與載氣分離后，絕大部分沿分粉錐的錐面運(yùn)動(dòng);而且經(jīng)分粉錐圓弧的分割作用后，粉末的均分情況良好，可以看出大部分粉末較均勻地沿圓弧錐面運(yùn)動(dòng)，受載氣流量的變化影響較小，沒有發(fā)生偏離現(xiàn)象，粉末流均勻地由4路出口流出。小部分粉末不能沿錐面流下，而是聚集在腔體內(nèi)壁，隨著載氣流量的增大，聚集于內(nèi)壁的粉末濃度增加。載氣的分離情況受載氣流量變化影響較大，當(dāng)載氣流量較小時(shí)，載氣由入口流入后轉(zhuǎn)向由排氣口排出，在載氣流量小于3.5 L/min時(shí)，載氣可以全部順暢地由排氣口排出，對(duì)分離均分腔產(chǎn)生擾動(dòng)作用較小;當(dāng)流量大于5.1 L/min后，載氣不能馬上順暢地排出腔體，在排氣口一側(cè)形成湍流氣團(tuán)，當(dāng)流量大于6 L/min時(shí)，分離腔體內(nèi)產(chǎn)生湍流氣團(tuán)開始很明顯，對(duì)分離均分腔的擾動(dòng)作用比較大?？傮w看來，使用氣固分離均分器，在合理的載氣流量情況下可以把粉末和載氣順利地分離，同時(shí)可以把粉末進(jìn)行分割均分，均分效果良好。

3 試驗(yàn)分析

在不同載氣卸載量情況下對(duì)送粉匯聚性能的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用Ni60A粉末顆粒，粒度150～300目，密度7.8 g/cm3，送粉量為10 g/min，載氣流量為3 L/min。載氣卸載量比例S（卸載載氣的流量與輸送載氣的流量的百分比）大約分別為:0（不卸載）、50%、75%、90%。圖6為試驗(yàn)時(shí)冷粉末流（不通激光束）的空間分布形貌照片。從試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)載氣不卸載時(shí)，載氣全部和粉末一起由噴嘴噴射，粉末流的匯聚效果很差，在噴嘴出口有匯聚現(xiàn)象，但匯聚挺度很小，大約為5 mm。這是因?yàn)檩d氣沒有卸載，粉末和載氣由粉流腔內(nèi)剛剛噴射出時(shí)，粉末顆粒由于慣性作用有匯聚運(yùn)動(dòng)，在噴嘴出口開始匯聚，但載氣對(duì)粉末的擾動(dòng)作用又使得粉末很快分散，所以匯聚挺度較小。當(dāng)載氣卸載量為50%時(shí)，粉末開始有了較明顯的匯聚，匯聚挺度約為11 mm，匯聚半徑為3 mm。隨著載氣卸載的增大，匯聚效果越來越好，當(dāng)載氣卸載量超過75%后，粉末流的匯聚效果很明顯，形成一條匯聚粉末柱體，匯聚挺度可達(dá)25 mm左右，匯聚半徑為2 mm，且大部分粉末都匯聚于粉末流之中，分布均勻，匯聚性能良好，粉末利用率可達(dá)到70%以上。

4 結(jié)語

（1）采用轉(zhuǎn)折式慣性分離技術(shù)和參照重力沉降室的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，進(jìn)行了氣固分離均分器的結(jié)構(gòu)研究、設(shè)計(jì)和仿真，仿真結(jié)果可以看出此種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于激光同軸送粉系統(tǒng)可以良好實(shí)現(xiàn)氣固的分離與粉末的均分。

（2）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，載氣卸載后的粉末流匯聚性能明顯好于氣固兩相同時(shí)噴射匯聚的情況，所以對(duì)于載氣式進(jìn)粉和輸送的激光送粉系統(tǒng)，在粉末進(jìn)入噴嘴前進(jìn)行氣固分離可以很好地減少載氣對(duì)粉末噴射匯聚的擾動(dòng)發(fā)散作用，提高粉末的匯聚性能和利用率，氣固分離均分器具有實(shí)用性。

（3）所建立的簡(jiǎn)化模型和計(jì)算結(jié)果對(duì)氣固分離均分器設(shè)計(jì)和性能的優(yōu)化具有一定參考價(jià)值。

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