冷喷涂Cu 基复合材料传热加速行为模拟

2020-01-01张梦清乔玉林张仲张伟于鹤龙

中国设备工程 2019年23期

张梦清，乔玉林，张仲，张伟，于鹤龙

（1.陆军装甲兵学院再制造技术重点实验室，北京 100072；2.京津冀再制造产业技术研究院，河北沧州 061000）

冷喷涂技术是在低于材料熔点的温度下加热粒子，并利用高压送粉气流将喷涂微粒加速后以塑性变形的方式沉积在基材上的喷涂技术。与传统热喷涂技术相比，冷喷涂技术具有温度低、氧化少、沉积率高、对基材热影响小等优点，特别适用于铜基材料的喷涂成型。近年来，利用冷喷涂技术制备Cu 基涂层一直是相关领域的研究热点。受材料固有理化特性的影响，喷涂微粒必须达到一定速度后，才能在基板上形成有效沉积。另外喷涂时，喷枪与基材间距及喷枪尺寸等参数，均会对喷涂层沉积效果产生影响。为掌握冷喷涂过程中粒子加热加速行为、减少试验过程的工作量，本文采用数值模拟的方式对喷涂微粒在喷涂中的传热加速过程进行仿真分析。

1 仿真模型与边界设定

仿真工具采用ANSYS/CFX，喷枪的模型如图1 所示。

图1 喷枪模型网格划分

湍流控制方程为：

其中，k 为湍流脉动动能，ε 为湍流耗散率，Gk 为由平均速度梯度引起的湍流动能k 的产生项，YM为湍流的总量， Rε为湍流耗散率的应变量，G1ε=1.42，G2ε=1.68。

粒子加热行为公式：

Tp 为离散相粒子温度，Tg 为连续相气流温度，Ap 为离散相粒子表面积，cp为离散相粒子比热容，热交换系数h 可由Ranz-Marshall 经验公式计算得出。

冷喷涂粉末为商用Cu 基复合粉末，粉末成分为Cu= 81.99%，Ti=14.64%，B4C=3.37%，粒度为325 目。基体采用未经任何热处理的紫铜。模拟输入参数包括：送分气体压力2.3MPa，加热温度400℃，摩尔质量60.38，密度8.1kg/m3，比热容424.9（J/kg/K）。

2 冷喷涂过程模拟结果

图2 为分别为冷喷涂焰流及粒子射流的速度场与喷枪轴线上的速度云图。由图2 可以看出，喷涂微粒的集中性非常好，焰流类似于锥形。其中喷枪内气流速度较低，在喷枪管口处有明显的加速，气流速度在出口约15mm 处达到最大值，约为900m/s，而后气流的速度开始下降。

图2 冷喷涂焰流速度云图及喷枪轴线上速度的分布曲线

图3 分别为冷喷涂焰流的温度场与喷枪轴线上的温度云图。由图3 可以看出，喷涂焰流的温度分布与速度分布趋势明显不同，整体而言，喷枪内的温度高，速度低，喷枪外速度高，温度低。这是由于喷涂微粒在喷枪内经过加热，而在喷枪口经过束缚-扩张加速而导致。枪内焰流的最高温度约为700K，出枪后，焰流的温度明显下降，并在距离喷枪口约16mm 处降至最低，为250K。

图3 冷喷涂焰流温度云图及喷枪轴线上焰流的温度分布曲线

图4 为不同粒径的微粒速度与温度沿轴线变化情况。可以看出，随着微粒粒径的增大，粒子整体速度减小，温度降低。这是因为随着粒径的增大，粒子的质量变大，加速行为变慢，因此，速度随粒径增大而减小。同样，粒径小的微粒，其受热面占总面积的相对值大，因此在加热时升温快、温度高，反之粒径大的微粒，其受热面占总面积的相对值小，因此升温速度低、升温慢。出枪后，粒子失去加热过程，因此，温度开始缓慢减小，其降温过程同样存在明显的随粒径增大而降低的尺寸效应。