超音速火焰噴涂作為熱噴涂領域的新技術具有粒子飛行速度高,涂層質量好等優點。本文在介紹了超音速火焰噴涂的原理、特點、應用的基礎上,闡述了國內外超音速火焰噴槍結構設計的研究進展,分析了目前國際上流行的六種噴槍結構的特點,綜述了用數值模擬的方法探討噴嘴內外焰流的工作狀態、焰流及粒子的壓力場、速度場與溫度場的變化規律,從而為超音速火焰噴涂技術的發展和超音速噴槍的優化設計提供基礎。

　　0 序言

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

　　80年代末90年代初期,先后又有數種噴涂系統研制成功并投放市場,如Top-Gun[3]、Diamond-Jet[4]、JP-5000[4]、CDS(Continuousdetonationspraygun)[5]等等,由于HVOF涂層的優異質量,使得此技術在國內也得到了關注。到目前為止,國內已陸續從國外購進幾臺HVOF設備,如自上海的司太立公司首次引進了美國Stellite公司Jet-Kote高速火焰噴涂設備之后,中國有色金屬研究總院引進了DiamondJet系統,鞍山鋼鐵公司引進了Top-Gun系統。此外,西安交通大學于1995年研制成功了我國自己的HVOF系統,沈陽工業大學、裝甲兵工程學院等幾家單位也相繼研制成功了各具特色的HVAF(Highvelocityairfuel)系統。

　　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,或在特殊的噴嘴中燃燒膨脹產生的高溫焰流,使其沿噴嘴噴出,在瑞利流和范諾流效應下,對于等截面噴嘴在噴嘴出口或對于Laval噴嘴在噴嘴內部焰流達到壅塞狀態,從而可獲得超音速火焰射流[6]。焰流速度可達1500m/s以上,因其采用氧氣助燃,通常被稱作HVOF(Highvelocityoxyfuel)。將粉末軸向送進火焰,可以將噴涂粒子加熱至熔化或半熔化狀態,并加速到300～600m/s甚至更高的速度,從而獲得結合強度高、致密的高質量涂層[7]。

　　90年代中期,美國Browning公司開發了一種新型超音速火焰噴涂系統———空氣超音速火焰噴涂系統,又稱為HVAF系統,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計

　　HVOF和HVAF系統產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,但在結構設計上又各有特點,目前國際熱噴涂領域主要流行的超音速火焰噴槍的六種結構。DJ-2600型噴槍,其噴嘴結構為收斂擴散型,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噴槍后部的燃燒室,并用火花塞點燃。粉末沿徑向雙孔加入到內噴嘴喉管后的過渡膨脹負壓區,從而不需要高壓送粉系統。

　　-Kote型噴槍,它是第一臺商品化的HVOF噴槍,氧氣和燃氣在燃燒室(手柄內)頭部燃燒,高溫氣體通過一定角度的環形內孔到達噴管。粉末沿軸向送進槍筒內孔,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,它的特點是采用兩段組合噴嘴實現焰流和粒子的加速。

　　DiamondJet(DJ)噴槍,該噴槍結構新穎,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,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,因此熱量向粉末轉移困難,這就要求使用昂貴的粒度均勻的細粉。θ-Gun噴槍,具有的特點是,一改習慣上常用的噴嘴內部送粉,而從噴嘴外部火焰噴出部送粉,粉末與噴嘴不產生摩擦,粉末選擇粒度范圍廣,可使用較為廉價的材料。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。微細粉末易熔融,粉末中含適量的微細粉末,可控制涂層形成時的微粒狀態,即熔融微粒和半熔融微粒混合,使涂層殘余應力接近于零。噴涂粉末與噴嘴不產生摩擦,可實現長時間安全運行[10]。沈陽工業大學與裝甲兵工程學院均研制成功了自己的HVAF系統,都是利用液體燃料與壓縮空氣在燃燒室內摻混燃燒,燃燒室溫度比HVOF系統低,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,現有的超音速火焰噴涂系統之間結構上的差別主要在于[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而定,大多數噴槍采用的圓筒型燃燒室,其壓力為0.4～0.5MPa,主要是由噴槍結構和燃料與空氣流量比決定的;

　　(5)Laval噴嘴及等截面長噴管結構設計。

　　超音速火焰噴槍結構設計的現有模式幾乎都是以燃燒室或加速管內高速焰流的穩定燃燒作為系統設計的理論模型。噴槍設計均是根據空氣動力學及工程熱力學理論,按照燃燒產物在燃燒室內作無摩擦加熱一維定常流動、在Laval噴嘴作一維定常等熵流動、在長噴管中作有摩擦絕熱流動的假設的基礎上進行的。

　　3 超音速火焰噴槍噴涂過程的數值模擬

　　由于超音速火焰噴槍的結構是參考噴氣式火箭發動機的原理設計的,而火箭發動機的數值模擬已研究多年較為成熟,根據模擬結果進行的參數設計達到了很高的精度。因此用數值方法模擬超音速噴槍的焰流工作狀態是優化噴槍結構的必要手段。目前國外已發表了數篇以數值模擬方法探討超音速火焰噴涂噴嘴內外燃燒火焰狀態的論文,大量的噴涂試驗也已證明通過數值模擬方法探討噴嘴、等截面長噴管參數對焰流及噴涂微粒的影響具有較高的精度。

　　采用空氣動力學理論模擬HVOF噴涂噴槍內、外超音速焰流的是Poweretal和Smithetal等學者,由于焰流在噴嘴出口處發生壅塞,所以噴嘴內、外焰流的數值模擬是分開進行的[12,13]。2000年在加拿大召開的國際熱噴涂會議上,有10篇論文是關于超音速火焰噴涂數值模擬的。文獻[12]用數值模擬分析了在給定噴槍參數的條件下,焰流的馬赫數、壓力、速度、溫度及粒子的速度、溫度沿軸線的變化規律。文獻[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學模型,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、熱傳遞系數、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間的關系,速度與溫度的數值模擬分別如圖2(略)所示。文獻[14]模擬了三種噴嘴結構,計算出各種噴嘴出口處燃燒氣體和噴涂微粒狀態,主要包括噴槍出口氣流壓力場、速度場、溫度場及粒子的速度場和溫度場。由結果可以看出隨著噴嘴形狀的變化使得燃燒氣體狀態對噴涂微粒速度的影響較大。另外該文獻還用與數值模擬相同的條件進行多種噴涂試驗,與數值模擬結果進行比較,發現控制噴涂燃料參數與優化Laval噴嘴形狀采用模擬方法是行之有效的。

　　裝甲兵工程學院對火箭發動機數值模擬軟件進行改進,在國內首次用兩相流理論對噴嘴及加速管內粒子與焰流的速度場和溫度場進行了數值模擬,探討了粒子和焰流在噴槍出口截面徑向、軸向的分布規律[15],圖3(略)為噴嘴及加速管內顆粒的速度和溫度沿軸向變化的模擬結果。

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

　　4 結束語

　　超音速火焰噴涂技術作為熱噴涂領域的一項新技術已成為各發達國家競相研究的熱點,國際上流行的超音速火焰噴槍雖然其工作原理是相同的,但在結構上又各有特點。研制和開發HVAF系統成為超音速火焰噴涂領域新的發展趨勢。通過數值模擬可以從理論上優化噴槍結構參數及噴涂工藝參數,因而用數值方法模擬焰流及粒子的速度場、溫度場及其耦合效應對于提高涂層質量具有重要意義,已成為研究超音速火焰噴涂技術的重要分支。