摘 要: 超音速火焰喷涂作为热喷涂领域的新技术具有粒子飞行速度高,涂层质量好等优点。本文在介绍了超音速火焰喷涂的原理、特点、应用的基础上,阐述了国内外超音速火焰喷枪结构设计的研究进展,分析了目前国际上流行的六种喷枪结构的特点,综述了用数值模拟的方法探讨喷嘴内外焰流的工作状态、焰流及粒子的压力场、速度场与温度场的变化规律,从而为超音速火焰喷涂技术的发展和超音速喷枪的优化设计提供基础。
关键词: 超音速火焰喷枪;涂层性能;数值模拟
0 序 言
由于超音速火焰喷涂(ＨＶＯＦ)制备的涂层具有优异的性能,近年来应用日益广泛。继80年代初期,由美国ＳＫＳ公司ＢｒｏｗｎｉｎｇＪＡ研制成功世界上首台ＨＶＯＦ并首先以ＪＥＴ-ＫＯＴＥ为商品推出之后,世界上许多发达国家,投入了大量的财力对超音速火焰喷涂技术进行研究和开发[1]。1995年在日本神户召开的第14届国际热喷涂会议上,仅以ＨＶＯＦ为主题的论文达40篇[2]。80年代末90年代初期,先后又有数种喷涂系统研制成功并投放市场,如Ｔｏｐ-Ｇｕｎ[3]、Ｄｉａｍｏｎｄ-Ｊｅｔ[4]、ＪＰ-5000[4]、ＣＤＳ(Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｓｐｒａｙｇｕｎ)[5]等等,由于ＨＶＯＦ涂层的优异质量,使得此技术在国内也得到了关注。到目前为止,国内已陆续从国外购进几台ＨＶＯＦ设备,如自上海的司太立公司首次引进了美国Ｓｔｅｌｌｉｔｅ公司Ｊｅｔ-Ｋｏｔｅ高速火焰喷涂设备之后,中国有色金属研究总院引进了ＤｉａｍｏｎｄＪｅｔ系统,鞍山钢铁公司引进了Ｔｏｐ-Ｇｕｎ系统。此外,西安交通大学于1995年研制成功了我国自己的ＨＶＯＦ系统,沈阳工业大学、装甲兵工程学院等几家单位也相继研制成功了各具特色的ＨＶＡＦ(Ｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙａｉｒ ｆｕｅｌ)系统。
1 超音速火焰喷枪的工作原理
超音速火焰喷涂是利用气体或液体燃料在燃烧室内,或在特殊的喷嘴中燃烧膨胀产生的高温焰流,使其沿喷嘴喷出,在瑞利流和范诺流效应下,对于等截面喷嘴在喷嘴出口或对于Ｌａｖａｌ喷嘴在喷嘴内部焰流达到壅塞状态,从而可获得超音速火焰射流[6]。焰流速度可达1500ｍ/ｓ以上,因其采用氧气助燃,通常被称作ＨＶＯＦ(Ｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙｏｘｙ ｆｕｅｌ)。将粉末轴向送进火焰,可以将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态,并加速到300～600ｍ/ｓ甚至更高的速度,从而获得结合强度高、致密的高质量涂层[7]。90年代中期,美国Ｂｒｏｗｎｉｎｇ公司开发了一种新型超音速火焰喷涂系统———空气超音速火焰喷涂系统,又称为ＨＶＡＦ系统,它利用压缩空气代替氧气,液体燃料(如煤油)代替气体燃料,在保证涂层质量的前提下,提高喷涂的安全性,并可降低成本[8,9]。
2 超音速火焰喷枪的设计
ＨＶＯＦ和ＨＶＡＦ系统产生的超音速焰流主要依赖于超音速喷枪,虽然各种喷枪的工作原理基本相同,但在结构设计上又各有特点,图1（略）所示为目前国际热喷涂领域主要流行的超音速火焰喷枪的六种结构。图1ａ为ＤＪ-2600型喷枪,其喷嘴结构为收敛扩散型,该喷枪采用水冷却中心送粉方式。图1ｂ为ＪＰ-5000型喷枪,该喷枪与其它ＨＶＯＦ喷枪相比有三处明显的不同,使用安全的液体燃料、吸入式送粉、热效率高。将氧气和液体燃料送进喷枪后部的燃烧室,并用火花塞点燃。粉末沿径向双孔加入到内喷嘴喉管后的过渡膨胀负压区,从而不需要高压送粉系统。图1ｃ为Ｊｅｔ-Ｋｏｔｅ型喷枪,它是第一台商品化的ＨＶＯＦ喷枪,氧气和燃气在燃烧室(手柄内)头部燃烧,高温气体通过一定角度的环形内孔到达喷管。粉末沿轴向送进枪筒内孔,高温气体加热粉末并高速喷出喷管,燃烧室和喷管均采用水冷方式。图1ｄ为ＣＤＳ喷枪,它的特点是采用两段组合喷嘴实现焰流和粒子的加速。图1ｅ为ＤｉａｍｏｎｄＪｅｔ(ＤＪ)喷枪,该喷枪结构新颖,没有枪筒也不采用水冷,而采用喉管燃烧、中心送粉方式,具有易操作的特点,但没有燃烧室和高压气体压缩枪筒,与其它ＨＶＯＦ喷枪相比,不利于粒子的加速。此外,由于在ＤＪ喷枪中,同轴空气流动层使火焰温度降低,而火焰射流压力又较低,因此热量向粉末转移困难,这就要求使用昂贵的粒度均匀的细粉。图1ｆ为θ-Ｇｕｎ喷枪,具有的特点是,一改习惯上常用的喷嘴内部送粉,而从喷嘴外部火焰喷出部送粉,粉末与喷嘴不产生摩擦,粉末选择粒度范围广,可使用较为廉价的材料。而且,送粉量和喷涂火焰能量相匹配,可大幅度降低涂层成本。火焰周围喷出的压缩空气呈筒状,形成空气隧道,保持火焰集束。微细粉末易熔融,粉末中含适量的微细粉末,可控制涂层形成时的微粒状态,即熔融微粒和半熔融微粒混合,使涂层残余应力接近于零。喷涂粉末与喷嘴不产生摩擦,可实现长时间安全运行[10]。沈阳工业大学与装甲兵工程学院均研制成功了自己的ＨＶＡＦ系统,都是利用液体燃料与压缩空气在燃烧室内掺混燃烧,燃烧室温度比ＨＶＯＦ系统低,所以喷枪采用空气冷却、中心送粉方式,因而其操作、使用更为方便。
综上所述,现有的超音速火焰喷涂系统之间结构上的差别主要在于[11～13]:(1)冷却方式 空气冷却和水冷却;(2)送粉方式 轴向送粉和径向送粉;(3)燃料种类 气体燃料主要包括丙烯、丙烷、氢气或乙炔,液体燃料主要包括煤油、酒精、汽油等;(4)燃烧室压力 燃烧室压力大小视喷涂系统而定,大多数喷枪采用的圆筒型燃烧室,其压力为0.4～0.5ＭＰａ,主要是由喷枪结构和燃料与空气流量比决定的;(5)Ｌａｖａｌ喷嘴及等截面长喷管结构设计。
超音速火焰喷枪结构设计的现有模式几乎都是以燃烧室或加速管内高速焰流的稳定燃烧作为系统设计的理论模型。喷枪设计均是根据空气动力学及工程热力学理论,按照燃烧产物在燃烧室内作无摩擦加热一维定常流动、在Ｌａｖａｌ喷嘴作一维定常等熵流动、在长喷管中作有摩擦绝热流动的假设的基础上进行的。
3 超音速火焰喷枪喷涂过程的数值模拟
由于超音速火焰喷枪的结构是参考喷气式火箭发动机的原理设计的,而火箭发动机的数值模拟已研究多年较为成熟,根据模拟结果进行的参数设计达到了很高的精度。因此用数值方法模拟超音速喷枪的焰流工作状态是优化喷枪结构的必要手段。目前国外已发表了数篇以数值模拟方法探讨超音速火焰喷涂喷嘴内外燃烧火焰状态的论文,大量的喷涂试验也已证明通过数值模拟方法探讨喷嘴、等截面长喷管参数对焰流及喷涂微粒的影响具有较高的精度。
最先采用空气动力学理论模拟ＨＶＯＦ喷涂喷枪内、外超音速焰流的是Ｐｏｗｅｒｅｔａｌ和Ｓｍｉｔｈｅｔａｌ等学者,由于焰流在喷嘴出口处发生壅塞,所以喷嘴内、外焰流的数值模拟是分开进行的[12,13]。2000年在加拿大召开的国际热喷涂会议上,有10篇论文是关于超音速火焰喷涂数值模拟的。文献[12]用数值模拟分析了在给定喷枪参数的条件下,焰流的马赫数、压力、速度、温度及粒子的速度、温度沿轴线的变化规律。文献[13]建立了不锈钢粉末在超音速火焰喷涂过程中的飞行行为和飞行过程中氧化过程的数学模型,模拟焰流及不同粒度的粉末在不同喷涂距离的速度值、雷诺数、热传递系数、温度及在雾化气流分别含10%、20%氧气的情况下粉末氧化层厚度与飞行时间的关系,速度与温度的数值模拟分别如图2（略）所示。文献[14]模拟了三种喷嘴结构,计算出各种喷嘴出口处燃烧气体和喷涂微粒状态,主要包括喷枪出口气流压力场、速度场、温度场及粒子的速度场和温度场。由结果可以看出随着喷嘴形状的变化使得燃烧气体状态对喷涂微粒速度的影响较大。另外该文献还用与数值模拟相同的条件进行多种喷涂试验,与数值模拟结果进行比较,发现控制喷涂燃料参数与优化Ｌａｖａｌ喷嘴形状采用模拟方法是行之有效的。
装甲兵工程学院对火箭发动机数值模拟软件进行改进,在国内首次用两相流理论对喷嘴及加速管内粒子与焰流的速度场和温度场进行了数值模拟,探讨了粒子和焰流在喷枪出口截面径向、轴向的分布规律[15],图3（略）为喷嘴及加速管内颗粒的速度和温度沿轴向变化的模拟结果。
目前,超音速火焰喷枪的数值模拟方法基本上都未考虑固体微粒的作用,喷管中的两相流动主要表现在固相微粒与纯气相间的相互作用,其计算首先要确定喷涂微粒的性质、固-气两相相互作用等,然后建立两相流动的控制方程确定边界条件。喷管中的两相流动数值模拟计算及喷管型面设计代表了超音速喷管理论的研究水平。
4 结 束 语
超音速火焰喷涂技术作为热喷涂领域的一项新技术已成为各发达国家竞相研究的热点,国际上流行的超音速火焰喷枪虽然其工作原理是相同的,但在结构上又各有特点。研制和开发ＨＶＡＦ系统成为超音速火焰喷涂领域新的发展趋势。通过数值模拟可以从理论上优化喷枪结构参数及喷涂工艺参数,因而用数值方法模拟焰流及粒子的速度场、温度场及其耦合效应对于提高涂层质量具有重要意义,已成为研究超音速火焰喷涂技术的重要分支。
参考文献:（略）
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