超音速火焰噴涂作為熱噴涂領(lǐng)域的新技術(shù)具有粒子飛行速度高,涂層質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。本文在介紹了超音速火焰噴涂的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用的基礎(chǔ)上,闡述了國(guó)內(nèi)外超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展,分析了目前國(guó)際上流行的六種噴槍結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),綜述了用數(shù)值模擬的方法探討噴嘴內(nèi)外焰流的工作狀態(tài)、焰流及粒子的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的變化規(guī)律,從而為超音速火焰噴涂技術(shù)的發(fā)展和超音速噴槍的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

　　0 序言

　　由于超音速火焰噴涂(HVOF)制備的涂層具有優(yōu)異的性能,近年來應(yīng)用日益廣泛。繼80年代初期,由美國(guó)SKS公司BrowningJA研制成功世界上首臺(tái)HVOF并首先以JET-KOTE為商品推出之后,世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家,投入了大量的財(cái)力對(duì)超音速火焰噴涂技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)[1]。1995年在日本神戶召開的第14屆國(guó)際熱噴涂會(huì)議上,僅以HVOF為主題的論文達(dá)40篇[2]。

　　80年代末90年代初期,先后又有數(shù)種噴涂系統(tǒng)研制成功并投放市場(chǎng),如Top-Gun[3]、Diamond-Jet[4]、JP-5000[4]、CDS(Continuousdetonationspraygun)[5]等等,由于HVOF涂層的優(yōu)異質(zhì)量,使得此技術(shù)在國(guó)內(nèi)也得到了關(guān)注。到目前為止,國(guó)內(nèi)已陸續(xù)從國(guó)外購(gòu)進(jìn)幾臺(tái)HVOF設(shè)備,如自上海的司太立公司首次引進(jìn)了美國(guó)Stellite公司Jet-Kote高速火焰噴涂設(shè)備之后,中國(guó)有色金屬研究總院引進(jìn)了DiamondJet系統(tǒng),鞍山鋼鐵公司引進(jìn)了Top-Gun系統(tǒng)。此外,西安交通大學(xué)于1995年研制成功了我國(guó)自己的HVOF系統(tǒng),沈陽工業(yè)大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院等幾家單位也相繼研制成功了各具特色的HVAF(Highvelocityairfuel)系統(tǒng)。

　　1 超音速火焰噴槍的工作原理

　　超音速火焰噴涂是利用氣體或液體燃料在燃燒室內(nèi),或在特殊的噴嘴中燃燒膨脹產(chǎn)生的高溫焰流,使其沿噴嘴噴出,在瑞利流和范諾流效應(yīng)下,對(duì)于等截面噴嘴在噴嘴出口或?qū)τ贚aval噴嘴在噴嘴內(nèi)部焰流達(dá)到壅塞狀態(tài),從而可獲得超音速火焰射流[6]。焰流速度可達(dá)1500m/s以上,因其采用氧氣助燃,通常被稱作HVOF(Highvelocityoxyfuel)。將粉末軸向送進(jìn)火焰,可以將噴涂粒子加熱至熔化或半熔化狀態(tài),并加速到300～600m/s甚至更高的速度,從而獲得結(jié)合強(qiáng)度高、致密的高質(zhì)量涂層[7]。

　　90年代中期,美國(guó)Browning公司開發(fā)了一種新型超音速火焰噴涂系統(tǒng)———空氣超音速火焰噴涂系統(tǒng),又稱為HVAF系統(tǒng),它利用壓縮空氣代替氧氣,液體燃料(如煤油)代替氣體燃料,在保證涂層質(zhì)量的前提下,提高噴涂的安全性,并可降低成本[8,9]。

　　2 超音速火焰噴槍的設(shè)計(jì)

　　HVOF和HVAF系統(tǒng)產(chǎn)生的超音速焰流主要依賴于超音速噴槍,雖然各種噴槍的工作原理基本相同,但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上又各有特點(diǎn),目前國(guó)際熱噴涂領(lǐng)域主要流行的超音速火焰噴槍的六種結(jié)構(gòu)。DJ-2600型噴槍,其噴嘴結(jié)構(gòu)為收斂擴(kuò)散型,該噴槍采用水冷卻中心送粉方式。為JP-5000型噴槍,該噴槍與其它HVOF噴槍相比有三處明顯的不同,使用安全的液體燃料、吸入式送粉、熱效率高。將氧氣和液體燃料送進(jìn)噴槍后部的燃燒室,并用火花塞點(diǎn)燃。粉末沿徑向雙孔加入到內(nèi)噴嘴喉管后的過渡膨脹負(fù)壓區(qū),從而不需要高壓送粉系統(tǒng)。

　　-Kote型噴槍,它是第一臺(tái)商品化的HVOF噴槍,氧氣和燃?xì)庠谌紵?手柄內(nèi))頭部燃燒,高溫氣體通過一定角度的環(huán)形內(nèi)孔到達(dá)噴管。粉末沿軸向送進(jìn)槍筒內(nèi)孔,高溫氣體加熱粉末并高速噴出噴管,燃燒室和噴管均采用水冷方式。為CDS噴槍,它的特點(diǎn)是采用兩段組合噴嘴實(shí)現(xiàn)焰流和粒子的加速。

　　DiamondJet(DJ)噴槍,該噴槍結(jié)構(gòu)新穎,沒有槍筒也不采用水冷,而采用喉管燃燒、中心送粉方式,具有易操作的特點(diǎn),但沒有燃燒室和高壓氣體壓縮槍筒,與其它HVOF噴槍相比,不利于粒子的加速。此外,由于在DJ噴槍中,同軸空氣流動(dòng)層使火焰溫度降低,而火焰射流壓力又較低,因此熱量向粉末轉(zhuǎn)移困難,這就要求使用昂貴的粒度均勻的細(xì)粉。θ-Gun噴槍,具有的特點(diǎn)是,一改習(xí)慣上常用的噴嘴內(nèi)部送粉,而從噴嘴外部火焰噴出部送粉,粉末與噴嘴不產(chǎn)生摩擦,粉末選擇粒度范圍廣,可使用較為廉價(jià)的材料。而且,送粉量和噴涂火焰能量相匹配,可大幅度降低涂層成本。火焰周圍噴出的壓縮空氣呈筒狀,形成空氣隧道,保持火焰集束。微細(xì)粉末易熔融,粉末中含適量的微細(xì)粉末,可控制涂層形成時(shí)的微粒狀態(tài),即熔融微粒和半熔融微粒混合,使涂層殘余應(yīng)力接近于零。噴涂粉末與噴嘴不產(chǎn)生摩擦,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行[10]。沈陽工業(yè)大學(xué)與裝甲兵工程學(xué)院均研制成功了自己的HVAF系統(tǒng),都是利用液體燃料與壓縮空氣在燃燒室內(nèi)摻混燃燒,燃燒室溫度比HVOF系統(tǒng)低,所以噴槍采用空氣冷卻、中心送粉方式,因而其操作、使用更為方便。

　　綜上所述,現(xiàn)有的超音速火焰噴涂系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)上的差別主要在于[11～13]:

　　(1)冷卻方式　空氣冷卻和水冷卻;

　　(2)送粉方式　軸向送粉和徑向送粉;

　　(3)燃料種類　氣體燃料主要包括丙烯、丙烷、氫氣或乙炔,液體燃料主要包括煤油、酒精、汽油等;

　　(4)燃燒室壓力　燃燒室壓力大小視噴涂系統(tǒng)而定,大多數(shù)噴槍采用的圓筒型燃燒室,其壓力為0.4～0.5MPa,主要是由噴槍結(jié)構(gòu)和燃料與空氣流量比決定的;

　　(5)Laval噴嘴及等截面長(zhǎng)噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)有模式幾乎都是以燃燒室或加速管內(nèi)高速焰流的穩(wěn)定燃燒作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論模型。噴槍設(shè)計(jì)均是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)及工程熱力學(xué)理論,按照燃燒產(chǎn)物在燃燒室內(nèi)作無摩擦加熱一維定常流動(dòng)、在Laval噴嘴作一維定常等熵流動(dòng)、在長(zhǎng)噴管中作有摩擦絕熱流動(dòng)的假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

　　3 超音速火焰噴槍噴涂過程的數(shù)值模擬

　　由于超音速火焰噴槍的結(jié)構(gòu)是參考噴氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的原理設(shè)計(jì)的,而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬已研究多年較為成熟,根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行的參數(shù)設(shè)計(jì)達(dá)到了很高的精度。因此用數(shù)值方法模擬超音速噴槍的焰流工作狀態(tài)是優(yōu)化噴槍結(jié)構(gòu)的必要手段。目前國(guó)外已發(fā)表了數(shù)篇以數(shù)值模擬方法探討超音速火焰噴涂噴嘴內(nèi)外燃燒火焰狀態(tài)的論文,大量的噴涂試驗(yàn)也已證明通過數(shù)值模擬方法探討噴嘴、等截面長(zhǎng)噴管參數(shù)對(duì)焰流及噴涂微粒的影響具有較高的精度。

　　采用空氣動(dòng)力學(xué)理論模擬HVOF噴涂噴槍內(nèi)、外超音速焰流的是Poweretal和Smithetal等學(xué)者,由于焰流在噴嘴出口處發(fā)生壅塞,所以噴嘴內(nèi)、外焰流的數(shù)值模擬是分開進(jìn)行的[12,13]。2000年在加拿大召開的國(guó)際熱噴涂會(huì)議上,有10篇論文是關(guān)于超音速火焰噴涂數(shù)值模擬的。文獻(xiàn)[12]用數(shù)值模擬分析了在給定噴槍參數(shù)的條件下,焰流的馬赫數(shù)、壓力、速度、溫度及粒子的速度、溫度沿軸線的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[13]建立了不銹鋼粉末在超音速火焰噴涂過程中的飛行行為和飛行過程中氧化過程的數(shù)學(xué)模型,模擬焰流及不同粒度的粉末在不同噴涂距離的速度值、雷諾數(shù)、熱傳遞系數(shù)、溫度及在霧化氣流分別含10%、20%氧氣的情況下粉末氧化層厚度與飛行時(shí)間的關(guān)系,速度與溫度的數(shù)值模擬分別如圖2(略)所示。文獻(xiàn)[14]模擬了三種噴嘴結(jié)構(gòu),計(jì)算出各種噴嘴出口處燃燒氣體和噴涂微粒狀態(tài),主要包括噴槍出口氣流壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及粒子的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。由結(jié)果可以看出隨著噴嘴形狀的變化使得燃燒氣體狀態(tài)對(duì)噴涂微粒速度的影響較大。另外該文獻(xiàn)還用與數(shù)值模擬相同的條件進(jìn)行多種噴涂試驗(yàn),與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)控制噴涂燃料參數(shù)與優(yōu)化Laval噴嘴形狀采用模擬方法是行之有效的。

　　裝甲兵工程學(xué)院對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬軟件進(jìn)行改進(jìn),在國(guó)內(nèi)首次用兩相流理論對(duì)噴嘴及加速管內(nèi)粒子與焰流的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,探討了粒子和焰流在噴槍出口截面徑向、軸向的分布規(guī)律[15],圖3(略)為噴嘴及加速管內(nèi)顆粒的速度和溫度沿軸向變化的模擬結(jié)果。

　　目前,超音速火焰噴槍的數(shù)值模擬方法基本上都未考慮固體微粒的作用,噴管中的兩相流動(dòng)主要表現(xiàn)在固相微粒與純氣相間的相互作用,其計(jì)算首先要確定噴涂微粒的性質(zhì)、固-氣兩相相互作用等,然后建立兩相流動(dòng)的控制方程確定邊界條件。噴管中的兩相流動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算及噴管型面設(shè)計(jì)代表了超音速噴管理論的研究水平。

　　4 結(jié)束語

　　超音速火焰噴涂技術(shù)作為熱噴涂領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研究的熱點(diǎn),國(guó)際上流行的超音速火焰噴槍雖然其工作原理是相同的,但在結(jié)構(gòu)上又各有特點(diǎn)。研制和開發(fā)HVAF系統(tǒng)成為超音速火焰噴涂領(lǐng)域新的發(fā)展趨勢(shì)。通過數(shù)值模擬可以從理論上優(yōu)化噴槍結(jié)構(gòu)參數(shù)及噴涂工藝參數(shù),因而用數(shù)值方法模擬焰流及粒子的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及其耦合效應(yīng)對(duì)于提高涂層質(zhì)量具有重要意義,已成為研究超音速火焰噴涂技術(shù)的重要分支。