激光熔覆球形合金的霧化噴嘴設(shè)計(jì)

1涂粉末制備工藝的研究激光焊接技術(shù)可以提高聚合物的表面性能，降低能耗。適合局部磨損、侵蝕、氧化和腐蝕的局部應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。因此,20世紀(jì)80年代以來,激光熔覆技術(shù)在很多工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。盡管激光熔覆技術(shù)得到大量的應(yīng)用,但是激光熔覆材料一直是制約其發(fā)展的最重要因素。激光熔覆所用的粉末體系一直都是沿用熱噴涂粉末,眾多學(xué)者指出為了防止噴涂時(shí)由于溫度的微小變化而發(fā)生流淌,熱噴涂合金的成分由于熱噴涂需要,往往被設(shè)計(jì)成具有較寬的凝固溫度區(qū)間,用于激光熔覆中會(huì)因流動(dòng)性不好而帶來氣孔問題。因此對激光熔覆專用粉末的研究將是對激光熔覆研究的重要方向之一。國內(nèi)一些學(xué)者對粉末的成分配比進(jìn)行研究,在熔覆層的潤濕性提高和裂紋傾向減少方面取得了一定的進(jìn)展。除了粉末的配比之外,激光熔覆對合金粉末的使用性能、流動(dòng)性及粒度范圍都有特定的要求,而且目前用于激光熔覆的材料主要有Fe基,Ni基和Co基三大系列合金粉末。然而世界上大多數(shù)合金粉末都是由氣霧化制得,但霧化工藝參數(shù)因霧化材料及對粉末的需求的不同而不同,至今沒有一種“萬能”氣霧化設(shè)備,也沒有一套通用的霧化工藝,很少有涉及到用氣霧化制取激光熔覆合金粉末的研究。據(jù)此,在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)的材料成分設(shè)計(jì)和熔覆實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上,結(jié)合原有氣霧化噴嘴,設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單,氣流出口處為laval型,帶有輔助風(fēng)孔和導(dǎo)液管的氣霧化噴嘴,旨在研制出有合適的粒度和窄的粒度分布范圍,并且流動(dòng)性好的激光熔覆合金粉末。2熔體霧化計(jì)算合金粉末的制取主要是通過霧化噴嘴產(chǎn)生的高速高壓流體介質(zhì)(本文流體介質(zhì)是氮?dú)?,將熔體流粉碎成很細(xì)的液滴,然后再通過對流傳熱的方式迅速冷凝而形成金屬粉末。通過實(shí)驗(yàn)室反復(fù)熔覆實(shí)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn),認(rèn)為激光熔覆粉末對合金粉末的顆粒度一般在-140~+320目(46.9~109μm)之間,對熔體霧化尺寸的描述中,Lubanska提出的半經(jīng)驗(yàn)公式為dmD=β[(1+MA)vmvgwe]n,(1)dmD=β[(1+ΜA)vmvgwe]n,(1)式中dm為液滴直徑,D為導(dǎo)流管內(nèi)徑,M、A分別是熔體和氣體的液流率,vm、vg分別是熔體和氣體的運(yùn)動(dòng)粘度,we=ρmv2Dγwe=ρmv2Dγ為熔體的表面張力(ρm為熔體密度,v為氣流沖擊熔體流的速度,γ為表面張力),β和n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。在公式中可以看出,液滴平均直徑受氣流速率、熔體和氣體流率比、導(dǎo)液管直徑等影響。在整個(gè)霧化過程中,霧化噴嘴對霧化效率的高低及穩(wěn)定性起著非常重要的作用,而噴嘴的結(jié)構(gòu)直接影響到上述參數(shù),故噴嘴的設(shè)計(jì)必須充分考慮到這些參數(shù),并使其達(dá)到最優(yōu)。3激光熔覆合金粉末專用噴嘴的研制霧化噴嘴根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為自由落體式噴嘴和限制式噴嘴,如圖1所示。自由落體式噴嘴霧化效率不高,僅適用于-50~+300目(48~270μm)粒度粉末的生產(chǎn),但結(jié)構(gòu)簡單,適于高熔點(diǎn)合金;限制式噴嘴霧化效率高,但設(shè)計(jì)復(fù)雜,多適合于低熔點(diǎn)金屬,而激光熔覆合金粉末大多數(shù)為Fe基、Ni基和Co基合金粉末,且粒度范圍一般為-140~+320目,故激光熔覆合金粉末需要由較高熔點(diǎn)合金制成,且粒度、圓度要求高,粒度分布要窄,所以激光熔覆合金粉末必須結(jié)合自由落體式和限制式噴嘴所制出粉末的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室原自由落體式噴嘴的基礎(chǔ)之上,設(shè)計(jì)出激光熔覆合金粉末專用噴嘴,結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)的噴嘴與常規(guī)自由落體式噴嘴相比,采用laval型出口,并加入了導(dǎo)液管和輔助風(fēng)孔,使其霧化效率提高,并能解決自由落體式噴嘴在高氣壓下會(huì)堵嘴的問題。而與常規(guī)限制式噴嘴相比,雖然出口處的laval設(shè)計(jì)與國內(nèi)外超音速噴嘴設(shè)計(jì)相似,但設(shè)計(jì)噴嘴能在導(dǎo)液管長度改變和輔助風(fēng)孔的作用下解決超音速噴嘴中增壓和吸動(dòng)導(dǎo)致的堵嘴和霧化不充分的問題,而且結(jié)構(gòu)簡單得多,故設(shè)計(jì)的噴嘴能制出高的熔點(diǎn)且有合適的粒度和窄的粒度范圍的激光熔覆的合金粉末。3.1噴嘴出口壓力仿真粉末霧化過程中,高壓氣體具有高速和特征尺度小的特點(diǎn),因此可將其看成是理想氣體,并把氣流流動(dòng)過程當(dāng)成是絕熱的,且比熱當(dāng)作常數(shù)。氣體的速度越大,對熔體的沖擊就越強(qiáng),霧化的效果就越好,根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論,高壓霧化氣體從減壓閥流出后,其最大速度只能達(dá)到聲速,即出口截面的氣流馬赫數(shù)Ma=1。為了使氣流速度盡可能大,達(dá)到超音速,將噴嘴氣體出口處設(shè)計(jì)成laval型,即收縮-擴(kuò)張型,如圖2中的氣流出口所示,根據(jù)噴嘴設(shè)計(jì)原則,一般環(huán)縫噴嘴的縫隙大小都不小于0.5mm,在此設(shè)計(jì)的噴嘴中,縫隙選為0.5mm,參考實(shí)驗(yàn)室原噴嘴及相關(guān)文獻(xiàn),噴嘴下端內(nèi)徑為30mm,則經(jīng)過計(jì)算知喉部到噴嘴中心線約為16mm,則喉部面積約為50mm2,假設(shè)出口馬赫數(shù)為2,根據(jù)等熵面積比公式AAcr=1Ma[(1+k?12M2a)2k+1](k+1)/2(k?1),(2)AAcr=1Μa[(1+k-12Μa2)2k+1](k+1)/2(k-1),(2)式中A為任意截面面積,Acr為喉部面積,k為比熱比,氮?dú)馊?.4。Ma為截面A處的馬赫數(shù),根據(jù)公式可得出口面積為84mm2。為指導(dǎo)設(shè)計(jì),選用FLUENT對自行設(shè)計(jì)噴嘴的氣流出口和原有收縮型噴嘴的氣流出口處進(jìn)行仿真對比,將實(shí)際三維流場簡化成二維,并使氣體流場水平放置,如圖3所示。采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,湍流模型選用Splart-Allmaras湍流模型,采用理想氣體狀態(tài)方程。入口總壓為7MPa,溫度為300K。由于超音速流動(dòng)的壓力出口邊界需根據(jù)入口條件推算,故自行設(shè)計(jì)噴嘴出口邊界壓力估算為1MPa,收縮型噴嘴出口邊界壓力設(shè)為101kPa,壁面邊界為無滑移絕熱壁面,霧化介質(zhì)為氮?dú)?氣體黏度利用Sutherland公式計(jì)算。圖4為氣體出口處氣體流速的仿真圖,從圖4(a)中可以看出,氣流在噴嘴中一直加速,在喉部時(shí)達(dá)到音速,然后繼續(xù)加速,在出口處速度達(dá)到619m/s。從圖4(b)中可以看出氣體也是一直加速,但到達(dá)出口處的速度達(dá)到臨界值,只有304m/s。通過對比可以說明設(shè)計(jì)的laval型腔能顯著提高氣流的出口速度。為加工方便,并使霧化角度達(dá)到最佳角度,即44°,根據(jù)縫隙大小和霧化角度,氣流出口處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。3.2噴嘴堵前推進(jìn)氣霧化過程中經(jīng)常會(huì)有堵嘴的現(xiàn)象,堵嘴會(huì)燒壞噴嘴,造成很大的損失,所以,在設(shè)計(jì)噴嘴的時(shí)候必須考慮解決噴嘴堵嘴的問題,一些學(xué)者對噴嘴的堵嘴進(jìn)行了研究,大多數(shù)認(rèn)為是由于霧化時(shí)氣流產(chǎn)生的負(fù)壓或者氣流的紊流,使熔體散流到噴嘴氣流出口處。而且負(fù)壓過大會(huì)加速熔體的下流,但氣體霧化時(shí),熔體與氣體的流速比越小越有利于粉末的霧化,為了防止噴嘴堵嘴并且降低流速比,在噴嘴中加入2對輔助風(fēng)孔(如圖2所示),使部分氣體通過通孔向下流動(dòng),維持噴口附近氣壓平衡,減少紊流作用,不使熔體液滴返回風(fēng)口。3.3職高生液壓的制作限制式噴嘴相比于自由落體式噴嘴,之所以霧化效率提高很多,主要是因?yàn)橄拗剖絿娮煸谌垠w流出時(shí)就被氣體沖擊霧化,大大降低了氣體的損耗。為了使熔體在流出前少受氣流紊流的影響和流出后與氣體的距離縮短,在噴嘴中設(shè)計(jì)并加入合適的導(dǎo)液管(如圖2所示)。激光熔覆合金粉末大部分都是高熔點(diǎn)的,為了讓熔體能通過導(dǎo)液管順利流出,導(dǎo)液管選用陶瓷材料。4霧化過程穩(wěn)定性分析要驗(yàn)證設(shè)計(jì)的噴嘴是否符合要求,首先要檢驗(yàn)霧化介質(zhì)能否獲得很高的速度,其次是看霧化過程中霧化過程是否穩(wěn)定,再次看霧化過程中是否會(huì)堵嘴,最后是看霧化的合金粉末是否滿足激光熔覆的技術(shù)要求。因此從上述幾個(gè)方面對噴嘴進(jìn)行檢驗(yàn)。4.1氣流出口速度對比根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,采用畢托管總壓法測定氣流的出口速度。先用畢托管測出氣流出口處的滯止壓強(qiáng)為p*,然后根據(jù)當(dāng)?shù)貧鈮簆,和空氣動(dòng)力學(xué)公式p?p=(1+k?12Ma2)kk?1?(3)p*p=(1+k-12Μa2)kk-1?(3)得出馬赫數(shù),計(jì)算出氣流速度,最后計(jì)算出設(shè)計(jì)噴嘴的氣流出口速度和原有收縮型噴嘴的氣流出口速度分別是589m/s和299m/s,與模擬結(jié)果基本吻合,表明與原噴嘴相比,設(shè)計(jì)的噴嘴能顯著提高氣流的出口速度。4.2輔助風(fēng)孔的測量為了檢驗(yàn)輔助風(fēng)孔的作用,在無熔體時(shí),用減壓閥控制7MPa的氣流,用U型水壓力計(jì)測量噴嘴中心線的壓差分布,用橡膠管連著U型水壓力計(jì)和直徑為6mm的石英玻璃測壓導(dǎo)管。從霧化器上口處至下口每隔10mm測一個(gè)點(diǎn),每點(diǎn)的測量時(shí)間為60s,待U型水壓力計(jì)穩(wěn)定后再開始讀數(shù),測量的結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,無輔助風(fēng)孔的原始噴嘴中心線上開始時(shí)是負(fù)壓,中間段是正壓,最后段是負(fù)壓,與陳平等測量的結(jié)果基本一致。而設(shè)計(jì)的有輔助風(fēng)孔的噴嘴中心線從上口到下口中心線處全是負(fù)壓,而且負(fù)壓從大到小,這是因?yàn)榧尤肓溯o助風(fēng)孔后,打破了氣流的不規(guī)則回流,使得正壓區(qū)消除。顯然,輔助風(fēng)孔的設(shè)計(jì)減少了氣流回流,使熔體不因氣流回流而堵嘴。4.3霧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果為驗(yàn)證設(shè)計(jì)噴嘴的穩(wěn)定性及導(dǎo)液管的實(shí)用性,對噴嘴進(jìn)行霧化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)材料采用本實(shí)驗(yàn)室配比的高熔點(diǎn)高硬度Ni基合金,配成爐料放在中頻感應(yīng)爐中熔煉,當(dāng)過熱度到100℃~180℃時(shí)澆注到升溫至900℃的帶導(dǎo)液管的漏包中,并用減壓閥控制7MPa的氮?dú)忪F化。合金融化后,熔體經(jīng)過漏包流出,這時(shí)高速氮?dú)庵苯記_擊熔體,熔體被霧化成細(xì)小的熔滴。先對實(shí)驗(yàn)室原噴嘴進(jìn)行3次霧化實(shí)驗(yàn),再對設(shè)計(jì)的噴嘴進(jìn)行3次霧化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)原噴嘴有1次堵嘴,而設(shè)計(jì)的噴嘴霧化過程安全穩(wěn)定,合金熔體全部順利噴霧完成,未出現(xiàn)堵嘴現(xiàn)象。對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別取平均值,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的噴嘴所制的100目(150μm)以下的合金粉末與原噴嘴相比多了將近50%,都取-100~+500目(25~150μm)的1kg粉末進(jìn)行粒度分析,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的噴嘴霧化產(chǎn)生的-140~+320目的粉末比原噴嘴也顯著提高,如表1所示。這一方面是因?yàn)閘aval出口設(shè)計(jì)使氣流霧化速度提高,使霧化更充分,另一方面是因?yàn)樵娇拷鼑娮煜露丝?中心線負(fù)壓越小,如圖6所示,而負(fù)壓的大小直接影響到熔體的流速,即負(fù)壓越小,抽吸壓力越小,熔體流速越慢,而熔體流速相對緩慢,穩(wěn)定時(shí)霧化效率更高。而導(dǎo)液管的增加,使熔體流出時(shí)就在噴嘴下端口附近,受到較小的抽吸力,而且減少了熔體與氣流之間的距離,減少氣體損耗,所以加導(dǎo)液管后噴嘴能有更好的霧化效果。理論上是導(dǎo)液管越長越好,但導(dǎo)液管長度必須適宜,如果導(dǎo)液管太長,受到氣體的沖擊,受熱不均,容易開裂或者造成堵塞,本文中導(dǎo)液管的長度設(shè)計(jì)到噴嘴出口處,與氣流匯聚點(diǎn)有一定的距離。進(jìn)一步提高霧化效率又能不堵嘴的最佳噴嘴長度的設(shè)計(jì)還得通過進(jìn)一步的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。4.4原噴嘴和設(shè)計(jì)噴嘴所制粉末流失所需時(shí)間的測定用霍爾流量計(jì)來分別測量5次50g-140~+320目的原噴嘴和設(shè)計(jì)噴嘴所制粉末全部流失所需的時(shí)間,取平均值,測試結(jié)果如表2所示。從表中可以看出,設(shè)計(jì)的噴嘴與原始噴嘴相比,所制的粉末有良好的流動(dòng)性。4.5原噴嘴所制粉末分布圖7分別為原有噴嘴與和設(shè)計(jì)的噴嘴所制取的-140~+320目鎳基粉末在掃描電鏡下的200倍照片,可以看出原噴嘴所制粉末分布不是很規(guī)則,但設(shè)計(jì)噴嘴所制粉末幾乎全呈規(guī)則的球形,符合激光熔覆粉末流動(dòng)性好的性能。原因是改進(jìn)后霧化更穩(wěn)定,而且氣體作用在熔體上的能量更多,使得霧化