雙絲電弧噴涂Ni-Al過程金屬熔滴行為

王吉孝

（機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 前言

雙絲電弧噴涂在噴涂材料及熱源上與超音速火焰噴涂和大氣等離子噴涂?jī)煞N工藝具有不同的特點(diǎn)。電弧噴涂熔滴的產(chǎn)生也與二者大有不同。在電弧噴涂中，兩根導(dǎo)電絲之間產(chǎn)生電弧，在導(dǎo)電絲尖端產(chǎn)生微小熔池，在電弧引力場(chǎng)、重力場(chǎng)和表面張力等作用下，產(chǎn)生熔融狀態(tài)的熔滴粒子。Milind K等[1]認(rèn)為，在霧化氣體作用下，先后形成一次分散熔滴粒子和二次分散熔滴粒子；Hsian L P等學(xué)者[2]在試驗(yàn)中觀察到二次分散熔滴粒子的尺寸分布服從簡(jiǎn)單的正態(tài)分布。

飛行熔滴粒子的雷諾數(shù)大小是由霧化氣體的壓力決定的，進(jìn)而影響熔滴粒子的霧化行為、飛行行為和撞擊基體的凝固行為。在電弧噴涂過程中，霧化氣壓力越大，使一次分散熔滴粒子形成的拖曳力也越大，金屬液滴駐留絲材尖端的時(shí)間越小，在送絲速度一定的條件下，單位時(shí)間內(nèi)從絲材尖端脫離的一次分散熔滴粒子的數(shù)量增多，這將導(dǎo)致飛行熔滴粒子的尺寸減小[3]。本文分析熔滴的變形和破碎行為，揭示熔滴粒子速度的飛行動(dòng)力學(xué)規(guī)律，同時(shí)對(duì)熔滴撞擊基體的變形及凝固過程進(jìn)行分析，這將對(duì)設(shè)計(jì)合理的噴涂工藝起到積極的指導(dǎo)作用。

1 雙絲電弧噴涂過程熔滴破碎行為

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)熔滴變形和破碎提出了不同的破碎模型。熔滴的破碎是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，尤其是在電弧噴涂過程中，熔滴不但受到霧化氣體的作用，還將受到電弧特性的影響。本文利用Fluent的VOF方法和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型相組合，建立計(jì)算熔滴在霧化氣流中的變形以及破碎過程的方法。重點(diǎn)分析了不同直徑熔滴在不同霧化氣體壓力下的變形和破碎過程，以及Weber數(shù)對(duì)熔滴破碎過程的影響。

雙絲電弧噴涂過程中的焰流張角為15°，根據(jù)熔滴在氣流中變形和破碎的特點(diǎn)，熔滴從左側(cè)進(jìn)口邊界進(jìn)入充滿氣體的計(jì)算域中。計(jì)算區(qū)域選擇20 mm×33 mm×50 mm的等腰梯形，網(wǎng)格劃分200×500；熔滴直徑為0.8 mm、1.6 mm、2.4 mm和3.2 mm，距離左邊界5 mm。重點(diǎn)分析熔滴直徑為1.6 mm，不同霧化氣體壓力條件下的破碎過程，熔滴變形和破碎物性參數(shù)如表1所示，其中Ni-5wt.% Al的表面張力取1.778 N/m。

表1 數(shù)值分析用物性參數(shù)

圖1是熔滴直徑為1.6 mm、霧化氣體壓力為0.3 MPa，不同時(shí)刻下熔滴變形和破碎過程。10 μs時(shí)，熔滴粒子先變成月牙形 ；20 μs時(shí)，熔滴粒子中心處開始破碎 ；20 ～ 30 μs時(shí)，熔滴粒子由一次破碎發(fā)生二次破碎；40 μs時(shí)，仍為二次破碎；50 μs時(shí)，二次破碎完成；在80 μs時(shí)，計(jì)算區(qū)域粒子數(shù)量已經(jīng)很少，在隨后的時(shí)間里，破碎粒子快速飛出計(jì)算區(qū)域。在這個(gè)過程中，熔滴粒子首先發(fā)生變形，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，熔滴粒子發(fā)生一次破碎，隨即一次破碎轉(zhuǎn)化為二次破碎。

圖2是熔滴直徑為1.6 mm、霧化氣體壓力為0.2～0.7 MPa，霧化時(shí)間為10 μs時(shí)刻的變形和破碎過程。壓力從0.2 MPa增加到0.5 MPa過程中，熔滴粒子以月牙形狀變化，月牙中心變得越來越細(xì)；在0.5 MPa時(shí)，月牙中心處發(fā)生一次破碎；0.5～0.6 MPa時(shí)間段，一次破碎轉(zhuǎn)化為二次破碎；0.6 MPa時(shí)，熔滴粒子直接發(fā)生爆炸式破碎，并未發(fā)生變形、一次破碎轉(zhuǎn)化為二次破碎；可見隨著壓力的增大，熔滴粒子首先發(fā)生變形，然后一次破碎，直至發(fā)生二次破碎，最后進(jìn)入穩(wěn)定階段。而0.6 MPa是兩種破碎形式的臨界點(diǎn)。

圖1 雙絲電弧噴涂熔滴直徑為1.6 mm，霧化氣體壓力為0.3 MPa時(shí)的破碎過程隨霧化時(shí)間變化

圖2 雙絲電弧噴涂熔滴直徑為1.6 mm，霧化時(shí)間為10 μs時(shí)的破碎過程隨壓力變化

圖3是熔滴直徑為1.6 ～ 3.2 mm、霧化氣體壓力為0.5 MPa、霧化時(shí)間為30 μs時(shí)刻的變形和破碎過程。由此可見，隨著熔滴直徑增大，直徑為0.8 mm和1.6 mm的熔滴粒子在30 μs時(shí)刻已完全破碎；直徑為2.4 mm的熔滴粒子在30 μs時(shí)刻發(fā)生一次破碎，也是二次破碎的開始；而直徑為3.2 mm的熔滴粒子在30 μs時(shí)刻仍處于變形階段，并未發(fā)生破碎，如果使該熔滴粒子發(fā)生破碎需要更大的壓力。由此可見，小熔滴粒子易于破碎，而較大熔滴粒子首先是發(fā)生變形，并且難于破碎。

圖3 雙絲電弧噴涂熔滴霧化氣體壓力為0.5 MPa，霧化時(shí)間為30 μs時(shí)的破碎過程隨熔滴直徑變化

圖4a為雙絲電弧噴涂霧化氣體壓力與霧化氣體速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。0.2 MPa時(shí)，出口氣體速度為571.4 m/s；0.5 MPa時(shí)，出口氣體速度為903.5 m/s；而0.8 MPa時(shí)，出口氣體速度達(dá)到了1 142.9 m/s。隨著霧化氣體壓力增大，出口氣體速度增加。霧化氣體壓力與霧化氣體速度呈近似線性關(guān)系。實(shí)際噴涂粒子速度只能達(dá)到霧化氣體速度的15%～45%，由于材料和噴涂距離不同，甚至更低。

通過 Weber數(shù)公式：We=ρgd0v02/σ（ρg為霧化氣體密度，d0為熔滴直徑，v0為霧化氣體速度，σ為表面張力），利用霧化氣體壓力與速度的關(guān)系，得到4種不同直徑熔滴霧化氣體壓力和Weber數(shù)的關(guān)系如圖4b所示，隨著霧化氣體壓力的升高，Weber數(shù)增大；熔滴粒子直徑增大，Weber數(shù)增大。在0.2～0.8 MPa范圍內(nèi)，熔滴直徑為1.6 mm的Weber數(shù)范圍為359.2～1 436.7。Weber數(shù)與霧化氣體壓力呈近似線性關(guān)系。圖5為不同直徑熔滴以爆炸方式破碎時(shí)的霧化氣體壓力與霧化時(shí)間的關(guān)系，熔滴以爆炸破碎形式發(fā)生受霧化氣體壓力和熔滴粒子直徑影響。直徑為0.8 mm的熔滴在霧化氣體壓力大于0.6 MPa時(shí)，在2 μs時(shí)就已發(fā)生爆炸破碎，并趨于穩(wěn)定；而直徑為1.6 mm的熔滴在霧化氣體壓力在0.6 MPa時(shí)，在7 μs時(shí)發(fā)生爆炸破碎，霧化氣體壓力大于1.0 MPa時(shí)，在3 μs范圍就發(fā)生破碎，并趨于穩(wěn)定。直徑為2.4 mm的熔滴在霧化氣體壓力為1.0 MPa時(shí)，才發(fā)生爆炸破碎。直徑為3.2 mm的熔滴在小于1.5 MPa時(shí)，很難發(fā)生爆炸破碎。對(duì)于直徑為1.6 mm的熔滴，破碎形式在霧化氣體壓力小于0.6 MPa時(shí)，即Weber數(shù)小于1 077.6時(shí)為一次破碎和二次破碎，在霧化氣體壓力不小于0.6 MPa時(shí),即Weber數(shù)不小于1 077.6時(shí)為爆炸式破碎。熔滴粒子的霧化氣體壓力或速度的大小，即Weber數(shù)大小決定了粒子的破碎形式。

圖4 雙絲電弧噴涂霧化氣體壓力與氣體速度及Weber數(shù)的關(guān)系

圖5 雙絲電弧噴涂不同直徑熔滴爆炸破碎時(shí)霧化氣體壓力與霧化時(shí)間的關(guān)系

2 雙絲電弧噴涂飛行動(dòng)力學(xué)規(guī)律

雙絲電弧噴涂飛行動(dòng)力學(xué)規(guī)律是評(píng)定涂層質(zhì)量的重要依據(jù)，評(píng)判雙絲電弧噴涂系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)即其涂層的質(zhì)量。決定涂層質(zhì)量的基本原則是：較高的霧化氣體速度，即較高的熔滴粒子飛行速度，可獲得相當(dāng)高的涂層質(zhì)量。在熱噴涂過程中，影響涂層質(zhì)量的重要的因素之一就是噴涂熔滴粒子的飛行速度。較高的熔滴粒子飛行速度和適宜的溫度會(huì)使涂層的質(zhì)量得到很大的提高。而熔滴粒子的飛行速度和溫度取決于噴槍的結(jié)構(gòu)和噴涂系統(tǒng)。

為了簡(jiǎn)化問題，本文忽略了熔滴粒子與熔滴粒子之間的相互作用，用單個(gè)熔滴粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來描述噴涂熔滴粒子在噴涂氣流中被輸送的特征，并且假設(shè)加速熔滴粒子的TWAS高速氣流為等速等溫的流體，熔滴粒子假設(shè)為球形。分析的重點(diǎn)為熔滴粒子的不穩(wěn)定加速運(yùn)動(dòng)過程，及熔滴粒子在所加速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度隨時(shí)間或飛行距離的變化規(guī)律。

根據(jù)粒子的Lagrangian運(yùn)動(dòng)方程[4]得到噴涂熔滴粒子飛行速度隨時(shí)間變化的公式：

另外，通過積分運(yùn)算還可以得到熔滴粒子飛行距離與飛行速度的關(guān)系式：

式中：dP為粒子直徑；ρg為氣體的質(zhì)量密度；ρp為粒子的質(zhì)量密度；vg為氣體的速度；vp為粒子的飛行速度；t為粒子的飛行時(shí)間；Lp為熔滴粒子的飛行距離。

采用集總參數(shù)模型，噴涂熔滴粒子放熱過程中的放熱速度可表示為[4]：

式中：Q為粒子與氣流的換熱量；hP為粒子的熱焓。

對(duì)上式積分，并且粒子溫度和氣體溫度最后都達(dá)到室溫T0，得到[4]：

式（4）為熔滴粒子溫度與飛行時(shí)間的關(guān)系方程。其中：Tp為粒子的溫度；Tg0為氣流的溫度；T0為室溫；ρp為粒子的密度；dp為粒子的直徑；Cp為粒子的比熱；t為粒子飛行時(shí)間。

圖6和圖7是Ni-Al熔滴隨著氣流獲得動(dòng)能和熱能過程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。圖6分別為Ni-Al熔滴速度與時(shí)間和Ni-Al熔滴速度與飛行距離的關(guān)系。由圖可見，熔滴在噴涂氣流中的加速速度比較緩慢，假設(shè)噴涂距離為200 mm（一般噴涂加速距離在50 ～ 300 mm的距離內(nèi)），直徑5 μm的小熔滴到達(dá)待噴涂工件表面的速度能達(dá)到氣體速度的45%，而直徑50 μm的較大熔滴到達(dá)工件的速度只能達(dá)到氣體速度的15%左右，如果熔滴更大速度會(huì)更慢。這也說明了熔滴尺寸的大小是影響其速度的一個(gè)重要原因[5]。

圖6c的結(jié)果證實(shí)了噴槍的氣體速度是決定熔滴速度的最關(guān)鍵因素。對(duì)直徑25 μm的粒子，當(dāng)氣體速度為200 m/s時(shí)，其在0.5 m處的速度只有80 m/s左右，而當(dāng)氣體速度為1 000 m/s時(shí)，其速度可達(dá)360 m/s左右。也就是說，粒子到達(dá)工件表面時(shí)的速度是隨噴涂槍氣體速度的增大而增大的。此外，氣體的壓力對(duì)粒子的速度也有較大的影響（圖6d）。

圖6 熔滴粒子飛行速度與噴涂工藝參數(shù)的關(guān)系

圖7是熔滴粒子在噴涂霧化氣體中溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。計(jì)算結(jié)果表明，絲材在電弧作用下產(chǎn)生噴涂熔滴粒子，熔滴粒子在瞬間溫度達(dá)到最高，然后趨于穩(wěn)定，直至在氣流作用下溫度降低。TWAS噴涂過程中，較大熔滴粒子冷卻速度比較小熔滴粒子冷卻速度慢。

圖7表明，噴涂熔滴粒子的最高溫度（可以添加輔助氣體如丙烷獲得）完全取決于電弧本身的溫度，隨著飛行時(shí)間的增加，熔滴粒子在霧化氣體的作用下，溫度迅速降低，直至達(dá)到室溫。由于TWAS噴涂的熔滴粒子速度范圍比較寬（可達(dá)100 ～ 400 m/s），較高的熔滴粒子速度使其在空氣中氧化暴露的時(shí)間較短，所以涂層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度和致密度，同時(shí)氧化物含量也較低。因此在特定工藝條件下，較高的霧化氣體壓力易于產(chǎn)生較小的噴涂熔滴粒子，適合作為Ni-Al復(fù)合涂層的打底層，而相對(duì)較低的霧化氣體壓力產(chǎn)生相對(duì)較大的噴涂熔滴粒子，更適合作為Ni-Al復(fù)合涂層的面層。

圖7 熔滴粒子溫度與時(shí)間的關(guān)系

3 霧化熔滴撞擊和凝固行為

雙絲電弧噴涂霧化后的熔滴撞擊基體變形和凝固行為對(duì)涂層的孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度及表面粗糙度有重要影響。涂層中總是存在孔隙，涂層愈厚，其表面也愈粗糙。隨著熔融顆粒速度或溫度的升高，表面粗糙度與涂層孔隙率均減小。雙絲電弧噴涂過程中熔滴碰撞基體后發(fā)生扁平變形化過程。碰撞速度越大，熔滴密度越大，作用在基體表面的壓力將越大，扁平粒子的結(jié)合力也越大[6]。因此研究Ni-Al熔滴在高速碰撞后的變形及凝固規(guī)律，具有重要的研究意義。采用VOF方法對(duì)熔滴與基板碰撞變形的自由表面和凝固界面進(jìn)行追蹤，建立了熔滴與基板碰撞變形和凝固的理論模型，分析了不同直徑熔滴在不同霧化氣體壓力下的撞擊變形和凝固過程。

計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分為：流體區(qū)域500 μm×55 μm，28×250 網(wǎng)格；固體區(qū)域 500 μm×55 μm，20×250 網(wǎng)格，網(wǎng)格共計(jì)12 000個(gè)。根據(jù)雙絲電弧噴涂過程中獲得的Ni-Al粉末尺寸特征，選取25 μm和50 μm兩種直徑的熔滴進(jìn)行分析，研究單個(gè)熔滴的撞擊變形和凝固行為。熔滴撞擊基體沿y軸負(fù)向速度分別為100 m/s、200 m/s、300 m/s和 400 m/s。

圖8為熔滴直徑50 μm，撞擊速度200 m/s的變形及凝固過程。隨著熔滴直徑的增大和速度的提高，粒子變形比較充分，并以一定速度向四周擴(kuò)展。鋪展半徑由初始的112.6 μm增加到685.6 μm，鋪展厚度由 26.8 μm 降低到 6.64 μm。

熔滴撞擊基體后，發(fā)生鋪展，形成扁平化粒子，隨著速度的增加，粒子扁平程度加劇（0 μs時(shí)刻，熔滴內(nèi)部各點(diǎn)溫度都在液相線溫度以上，不存在凝固層），隨著熔滴尺寸的增大，鋪展直徑和鋪展厚度相應(yīng)變寬。熔滴在基體上鋪展過程中，將與周圍介質(zhì)發(fā)生熱量交換，凝固層出現(xiàn)并生長(zhǎng)。熔滴內(nèi)部凝固界面逐漸變大，界面向四周鋪展同時(shí)還不斷向上運(yùn)動(dòng)，凝固界面從中間向四周略有傾斜，隨著時(shí)間推移逐漸趨于水平。在1 μs范圍內(nèi)，同種熔滴撞擊速度越大，相同時(shí)間內(nèi)，熔滴鋪展越快；在熔滴撞擊速度相同時(shí)，熔滴尺寸越大，形成的扁平粒子厚度尺寸越大；大尺寸熔滴在高速撞擊的情形下，將形成更大直徑的扁平粒子，在遠(yuǎn)離軸線中心處，高速熔滴在撞擊基體后發(fā)生了飛濺現(xiàn)象。

圖8 雙絲電弧噴涂熔滴直徑為50 μm，速度為200 m/s時(shí)的變形和凝固過程隨時(shí)間變化

圖9為熔滴鋪展直徑和厚度與凝固時(shí)間的關(guān)系。從圖9a可以看出：25 μm和50 μm的熔滴粒子，隨著撞擊變形時(shí)間的延長(zhǎng)，熔滴鋪展直徑都有增大的趨勢(shì)，在同一時(shí)刻，熔滴直徑越大、速度越高，鋪展直徑越大。單個(gè)熔滴在1 μs時(shí)，鋪展直徑趨于穩(wěn)定。從圖9b可以看出：25 μm和50 μm的熔滴粒子，隨著撞擊變形時(shí)間的延長(zhǎng)，熔滴鋪展厚度減??；在同一時(shí)刻，熔滴尺寸越大、速度越低，鋪展厚度越大，在1 μs時(shí)，鋪展厚度也趨于穩(wěn)定。

圖9 熔滴鋪展直徑和厚度與時(shí)間的關(guān)系

圖10為熔滴直徑50 μm，速度200 m/s的凝固溫度場(chǎng)隨著不同時(shí)間的變化，其中溫度場(chǎng)的單位是K。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，熔滴溫度場(chǎng)區(qū)域變大，對(duì)于小尺寸的熔滴粒子，在較高速度下，周圍容易產(chǎn)生飛邊現(xiàn)象。隨著熔滴在基體上鋪展時(shí)間的延長(zhǎng)，扁平粒子半徑增大，其溫度場(chǎng)以y軸為中心，向四周擴(kuò)展，軸線中心處由于具有較高的速度，因此溫度降低較快，在1 μs范圍內(nèi)，直徑為25 μm的熔滴較直徑為50 μm的熔滴凝固更快。相同直徑的熔滴，隨著撞擊速度的增加，溫度場(chǎng)范圍加大，在遠(yuǎn)離軸線中心形成比較大的溫度梯度變化，這將對(duì)周圍粒子的凝固產(chǎn)生一定影響。

圖10 雙絲電弧噴涂熔滴直徑為50 μm，速度為200 m/s時(shí)的凝固溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化

圖 11a和圖 11b 分別為 0～50 μs和 0～1 μs范圍內(nèi)，熔滴凝固溫度與時(shí)間的關(guān)系。圖中每種參數(shù)下都計(jì)算到50 μs，在不同時(shí)間分別提取最高溫度值，可以看出，在0～10 μs范圍內(nèi)，熔滴冷卻速度較快。直徑為50 μm 的熔滴，速度為 100 m/s時(shí)，在 0～40 μs范圍內(nèi)，冷卻最慢；而直徑為25 μm的熔滴，速度為400 m/s時(shí)，在0～40 μs范圍內(nèi)，冷卻最快；在50 μs時(shí)，所有熔滴都趨近于室溫，從中可以計(jì)算出熔滴的凝固速度范圍為 3.1×107～7.6×107K/s。因此，雙絲電弧噴涂的熔滴具有快速凝固特征。

圖11 雙絲電弧噴涂熔滴凝固溫度與時(shí)間的關(guān)系

熔滴在變形同時(shí)與周圍發(fā)生熱交換，其凝固狀態(tài)和變形程度相互影響，溫度反映了計(jì)算區(qū)域內(nèi)能量分布的參數(shù)，Ni-Al熔滴初始溫度1 828 K，基體和空氣初始溫度300 K，熔滴把熱量傳遞給空氣和基體，自身溫度從心部向四周逐漸降低，實(shí)際噴涂過程中，由于后續(xù)熔滴粒子對(duì)前一熔滴粒子的影響，前一熔滴在半凝固狀態(tài)時(shí)，后一熔滴就到達(dá)前一熔滴的表面，因此與基體接觸的熔滴熱量主要傳給基體，少部分將與后續(xù)熔滴產(chǎn)生熱量交換。在此同時(shí)，由于熔滴具有較高的速度，熔滴中間形成凹坑，高速熔滴遠(yuǎn)離軸線中心的溫度場(chǎng)發(fā)生溫度波動(dòng)。

4 結(jié)論

（1）雙絲電弧噴涂一定直徑范圍的熔滴破碎形式在速度較低時(shí)為一次破碎和二次破碎，在速度較高時(shí)為爆炸式破碎。Weber數(shù)與霧化氣體壓力呈近似線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，增大噴涂霧化空氣壓力可以提高熔滴飛行速度，改善熔滴霧化效果。

（2）熔滴在氣流中的加速初始較快，然后趨于平緩。當(dāng)噴涂粒子加速飛行距離為200 mm，且粒子的粒度范圍為5～50 μm時(shí)，噴涂粒子的飛行速度只能達(dá)到噴槍氣流速度的15% ～ 45%。熔滴的飛行速度主要決定于加速飛行距離或時(shí)間、粒子尺寸和密度、霧化氣流的速度和壓力。同時(shí)熔滴在瞬間溫度達(dá)到最高，在氣流作用下迅速降低，直至達(dá)到穩(wěn)定階段。

（3）根據(jù)VOF兩相流模型，結(jié)合自由表面跟蹤及凝固界面跟蹤法則，獲得了金屬熔滴與基體碰撞的理論模型，熔滴的形態(tài)及凝固層的變化與溫度場(chǎng)變化一致，并獲得了熔滴冷卻速度范圍為3.1×107～7.6×107K/s。

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