數(shù)值模擬霧化氣壓對GH4169合金粉末粒徑的影響

郭快快， 商 碩， 陳 進， 劉常升

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819; 2.遼寧增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 遼寧 沈陽 110200)

VIGA制備金屬粉末的霧化過程的影響因素復(fù)雜[1-2]，超音速氣流將金屬熔體霧化破碎成大量細小的熔融金屬液滴在表面張力的作用下成球并凝固，霧化介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)化為破碎金屬液滴的表面能[3]，金屬熔體的破碎過程是一個多相流相互耦合的過程，包括一次霧化和二次霧化，難以用常規(guī)實驗手段進行表征[4-5].另外，合理的噴嘴結(jié)構(gòu)和良好的霧化工藝是確保霧化過程穩(wěn)定并獲得高產(chǎn)率和高質(zhì)量粉末的必須條件.

計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)可以更好地解決復(fù)雜流動問題，越來越受到重視[6-8].國內(nèi)外學(xué)者采用CFD對氣霧化過程進行了數(shù)值模擬.趙新明等[9]利用CFD軟件Fluent模擬了超音速氣霧化噴嘴氣體單相流場，研究霧化氣壓對氣體單相流場及霧化室中心線上靜壓強、速度等的影響，結(jié)果表明，隨霧化氣壓(1.5～5.0 MPa)的逐漸增大，中心線上氣流的最大速度逐漸增加，抽吸壓力先減小后增大，導(dǎo)流管底端徑向分布的壓強梯度逐漸增大.Aydin等[10]使用CFD軟件Fluent 6.3模擬研究了緊耦合氣霧化中霧化氣壓對熔體導(dǎo)流管出口壓力狀態(tài)和氣流分離過程的影響.使用1.0，1.3，1.7，2.2和2.7 MPa的霧化氣壓初始化進氣口中壓力，并將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果表明，CFD模型可以用于估算噴嘴的導(dǎo)流管熔體出口處的壓力，氣流分離的形成在很大程度上取決于霧化氣體的壓力.目前，較高氣壓對霧化過程和顆粒尺寸的影響尚不明朗，為了減少實驗量和對工藝優(yōu)化提供支持，本文模擬VIGA 制備GH4169高溫合金的一次霧化和二次霧化過程，以及霧化氣壓對流場結(jié)構(gòu)和霧化粉末粒度分布的影響，對氣霧化實驗提供理論指導(dǎo).

1 研究方法及過程

采用ANSYS Fluent商用軟件CFD數(shù)值計算方法，模擬霧化壓力3～7 MPa條件下兩相流破碎過程，采用不可壓縮狀態(tài)模擬.一次霧化過程采用的物理模型為VOF多相流模型和大渦模型.二次霧化過程采用的物理模型為DPM離散相模型.破碎過程采用TAB破碎模型.求解器采用壓力基的瞬態(tài)法模擬計算真空感應(yīng)氣霧化制粉熔體霧化過程.

選取霧化室二維軸對稱幾何體的1/2模型為計算域，利用Gambit軟件對噴嘴及其后端的流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖1所示.將幾何模型的對稱軸邊界作為X軸，設(shè)置為旋轉(zhuǎn)軸邊界；實驗所使用霧化氣體為氬氣，選擇壓力入口邊界作為氣體入口，速度入口作為合金高溫熔體入口；選用噴嘴下方138 mm×50 mm為計算域，其上邊界和左邊界設(shè)置為壓力出口；將氣室周圍和霧化室頂部的金屬壁面設(shè)置為壁面.氬氣物性參數(shù)如表1所示.GH4169鎳基合金的物性參數(shù)如表2所示.

圖1 氣霧化設(shè)備二維軸對稱模型

表1 氬氣物性參數(shù)

表2 GH4169鎳基合金物性參數(shù)

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 霧化氣壓對一次霧化的影響

不同霧化氣壓下，同一時刻，一次霧化高溫熔體云圖如圖2所示，圖中紅色部分代表高溫合金熔體.由圖2a～2c可以看出，霧化氣壓從3 MPa增加到4，5 MPa時，高溫熔體流入霧化室內(nèi)的量逐漸減少，熔體向兩側(cè)延展得更寬，熔體液柱被剝離后呈現(xiàn)的帶狀液膜厚度逐漸減小，破碎的金屬液滴面積也逐漸減小；這是因為霧化氣壓從3 MPa增加到4，5 MPa時，導(dǎo)流管底端抽吸壓力值逐漸增大，氣體對熔體的抽吸作用逐漸減小，相同時間內(nèi)高溫熔體流入霧化室內(nèi)的量逐漸減小，又因回流區(qū)內(nèi)氣流量和氣流速度逐漸增大，故氣液質(zhì)量流率比和氣液相對速度增大，氣體對熔體的霧化作用增強，霧化后呈現(xiàn)的液膜厚度和破碎液滴減小.

由圖2c～2e可以看出，隨霧化氣壓從5 MPa增加到6，7 MPa時，流入霧化室內(nèi)的高溫合金熔體的量沒有明顯變化，這與霧化氣壓為5，6，7 MPa 時抽吸壓力變化不明顯有關(guān)；由圖2c～2e還可以看出，一次霧化過程帶狀液膜的厚度和破碎的液滴面積逐漸減小.隨霧化氣壓的增大，一方面，回流區(qū)內(nèi)氣流速度逐漸減小，使氣體對液體的破碎作用強度減弱；另一方面，滯止壓強的增大會使進入回流區(qū)的氣體流量增加，氣液質(zhì)量比的增大會使氣體對熔體的破碎作用增強.

圖2 不同霧化氣壓條件下一次霧化高溫熔體云圖

2.2 霧化氣壓對二次霧化粉末粒徑分布的影響

保持幾何模型、熔體屬性、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不變，采取3個注射液流構(gòu)成的組注射的模式，每組3個初始液滴的直徑分別設(shè)置為0.7，0.6，0.5 mm，溫度均設(shè)置為1 863 K.利用Fluent軟件中的粒子示蹤功能，得到二次霧化液滴破碎及流動軌跡圖；通過捕捉模型出口邊界處逃逸粒子，統(tǒng)計得到二次霧化后粉末粒徑分布情況.

通過統(tǒng)計霧化室出口邊界處逃逸粒子信息，得到了不同霧化氣壓條件下液滴二次霧化后粉末粒度分布，如圖3所示.隨霧化氣壓的增大，粉末粒徑分布范圍逐漸變窄，粉末粒徑分布柱狀圖最高峰粒徑逐漸向左移動，即粉末平均粒徑逐漸減小.霧化氣壓為3 MPa時，粉末粒徑分布范圍較寬，分布在50～80 μm范圍的最多，但有少量粒徑為100～180 μm的粉末存在，如圖3a所示.當(dāng)霧化氣壓為4 MPa時，粉末粒徑分布范圍與氣壓為3 MPa時相同，但粒徑為100～180 μm的粉末含量明顯減少，粉末粒徑主要分布在30～80 μm之間，如圖3b所示.當(dāng)霧化氣體壓力為5 MPa時，粉末粒徑分布范圍較氣壓為4 MPa時明顯變窄，主要分布在40～60 μm之間，如圖3c所示.當(dāng)霧化氣體壓力從5 MPa逐漸增加到6，7 MPa時，粉末粒徑分布柱狀圖最高峰粒徑從50 μm左右向左移動到約40，30 μm，這意味著隨霧化氣體壓力的逐漸增加，二次霧化粉末平均粒徑逐漸減小，如圖3d，3e所示.

不同霧化氣壓條件下二次霧化統(tǒng)計所得粉末粒徑累積分布曲線如圖4所示.當(dāng)霧化氣體壓力由3 MPa逐漸增加到4，5 MPa時，不同霧化氣壓下的粒徑累積分布曲線逐漸向左移動，同時粒徑分布寬度變小，由此可知，二次霧化所得合金粉末粒徑的中位徑逐漸變小，粒徑分布范圍隨著霧化氣壓的增大逐漸減小.當(dāng)霧化氣體壓力從5 MPa增加到6，7 MPa時，粉末粒徑累積分布曲線相對于5 MPa時的粒徑累積分布曲線逐漸向左移動，粒徑分布寬度變化不大，由此可得二次霧化所得合金粉末粒徑的中位徑逐漸減小，但減小的幅度不如氣壓從4 MPa增大到5 MPa時粉末粒徑中位徑減小的幅度大.

圖3 不同霧化壓力條件下粉末粒徑分布圖

圖4 不同霧化氣壓條件下粉末粒徑累積分布曲線

不同霧化氣壓條件下，初始液滴二次霧化數(shù)值模擬統(tǒng)計所得粉末粒徑數(shù)據(jù)如表3所示.可知，當(dāng)霧化氣壓由3 MPa逐漸增加到4，5，6，7 MPa時，粉末平均粒徑從106.54 μm減小到73.69，61.83，52.11，44.67 μm，粉末中位徑D50從81.10 μm 減小到69.80，64.77，52.30，41.80 μm.隨霧化氣壓由3 MPa逐漸增大到7 MPa，氣霧化粉末越來越細，小于53 μm的細粉收得率由1.72%逐漸提高到12.62%，18.89%，56.50%，71.54%.

由圖3、圖4及表3可知，隨霧化氣壓的增大，二次霧化數(shù)值模擬統(tǒng)計所得的合金粉末平均粒徑逐漸減小，中位徑D50逐漸減小，細粉收得率逐漸增加.當(dāng)霧化氣壓為7 MPa時，二次霧化金屬液滴破碎最充分，統(tǒng)計所得粉末平均粒徑最小為44.67 μm，D50最小為41.80 μm，粒徑≤53 μm的細粉收得率最大.這主要是因為在噴嘴結(jié)構(gòu)保持一定的情況下，增大氣體入口處霧化氣體壓力，會使噴管噴射而出的超音速氣流速度增大，氣體對熔體的沖擊破碎作用強度增加，故在一次霧化后得到的初始液滴的數(shù)量和尺寸相同的情況下，二次霧化后所得粉末粒徑逐漸減小.

表3 不同霧化氣壓條件下二次霧化統(tǒng)計粉末粒徑

氣霧化數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)霧化氣壓為7 MPa時，所得粉末非常細小，粉末平均粒徑從6 MPa 時的52.11 μm減小到44.67 μm，中位徑從6 MPa時的52.30 μm減小到41.80 μm，粒徑減小的幅度為20%.因此，VIGA氣霧化制粉時，若想獲得超細粉末，提高細粉收得率，在設(shè)備安全性和生產(chǎn)成本允許的情況下，可以考慮增大霧化氣體壓力.

3 結(jié) 論

隨霧化氣壓的增加，一次霧化過程帶狀液膜的厚度和破碎的液滴面積逐漸減小；二次霧化對熔體的破碎作用逐漸增強，霧化所得粉末粒徑越來越細小，中位徑從81.10 μm減小到69.80，64.77，52.30，41.80 μm；細粉收得率逐漸提高，由1.72%提高到12.62%，18.89%，56.50%，71.54%.