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有关特氟龙喷涂的温度分布与速度分布状况

浏览: 发表时间:2019-12-26 16:53:37

        等离子体射流模型的重点在于研究射流场内的温度分布与速度分布状况,进而通过计算颗粒与射流的相互作用达到预测射流场中颗粒温度和速度的目的。目前,人们已提出了大量的等离子体射流场模型,通常这些模型是建立在已知喷嘴出口处的温度与速度分布基础上;特氟龙喷涂中各组分气体组成的混合气体满足质量守恒、动量守恒与能量守恒;部分模型还考虑了组分气体的电离复合与化合反应;各模型采用的几何维度涉及二维与三维。二维模型计算时间较短,但无法描述射流在三维空间中的温度、速度分布;三维模型较二维模型信息完整,且可进一步计算喷涂颗粒在三维空间中的分布以及在涂层表面的沉积状况,但其计算时间要长得多。对于等离子喷涂法制备热障涂层工艺而言,喷涂过程可以在不同的气氛和压力下进行,但是等离子喷涂法是一项复杂的技术,有数百个影响因素。其中,输入功率、电弧电压、电弧电流、喷距以及喷涂角度对涂层的性质和寿命起着关键作用。等离子喷涂中,喷涂粒子的行为可分为碰撞前和碰撞后两个阶段。喷涂粉未经由送粉嘴进入等离子焰流后,将首先受到焰流的加热和加速,与等离子体射流发生相互作用。之后,具有一定速度的熔滴和基体发生碰撞,熔滴迅速变形并急速冷却凝固,从而形成扁平的粒子。在许多情况下,供给等离子喷枪的能量只有较少部分传给颗粒,但在喷涂过程中,颗粒还必须从等离子体中得到适量的动量,以便喷涂颗粒更牢固地和喷涂表面结合。事实上,特氟龙喷涂的质量很大程度上取决于颗粒在碰撞前的速度和它是否完全熔化。

        因此,必须了解颗粒在等离子体中的受力状况、运动轨迹、温度和物理状态的变化过程,从而控制各种实验条件,使颗粒和等离子体有足够的接触,以获取必要的热量和动量,达到***的喷涂效果。在此研究领域,数值模拟需要解决的主要问题包括:颗粒在等离子体中的受力及颗粒群轨道模型、颗粒与等离子体的传热以及颗粒内部的导热状况。颗粒在等离子体中的受热是研究的重点,因为它关系到颗粒在碰撞固化前是否能够完全熔化,以获得高质量的涂层;同时,又要避兔颗粒的过分蒸发,以减少材料和能量的损失。尽管通常喷涂颗粒的直径仅为几十微米,但其在等离子体射流或等离子体反应器中的停留时间往往较短(103s左右),并且等离子体系统中往往存在巨大的温度梯度与速度梯度,要使所有颗粒都能得到适当而有效的加热,并不是一件容易的事情。只有那些能够送到等离子体射流的高温区并获得足够长的加热时间的颗粒,才能获得有效的加热。颗粒的加热历程与许多因素有关,如颗粒的运动轨迹、颗粒材料的种类(包括材料密度、熔点、熔化澘热、沸点、蒸发潜热和比热等)、颗粒的形状、颗粒尺寸、颗粒喷射位置、颗粒喷射方冋、颗粒喷射速度、等离子体射流的温度场与速度场,等等。等离子喷涂涂层的沉积与固化至今是等离子喷涂过程中人们认识最空白的地方。认识上的困难是因为两个动态边界的运动很难计算,即涂层表层的运动和随后涂层内部的固-液界面的运动。

        除此之外,关于涂层的热传导知识对预测涂层的显微结构、缺陷机理以及热应力是必需的。尽管存在以上困难,但是研究发现,粒子彼此间相互热影响的可能性是很小的。或者说,熔融粒子落到过去喷上而尚未结晶完的粒子上的概率是很小的,在计算中可不予考虑。各粒子与基体相互作用的独立性,使分析涂层形成原因的工作容易多了,可把它归结为研究单个粒子接触相互作用的集成。因此,涂层从整体来看可以认为是由薄片组成的材料,这些薄片在接触表面上被粒子凝固时一定面积的焊合点相互联结在一起,焊合点并不充满粒子间整个的接触面积。对于等离子喷涂制备热障涂层,由于其结构特殊,制备工艺复杂,故形成涂层中界面的尺寸、形状、成分、结构都比较复杂,因此针对涂层界面的研究十分困难。热障涂层在形成与固化过程中主要的界面有:黏结层(即纯金属层)与金属基体间的界面,各过渡层之间的界面,纯陶瓷层与过渡层间的界面,同一过渡层中喷枪两次行程间得到的层间界面(由时间间隔造成的界面),层内粒子间的界面(粒子搭接和焊合的接触面)。涂层由大量的变形粒子堆积而成,这不可避兔地导致了疏松孔隙微裂纹等的出现。涂层的性能因变形粒子的散流形状、彼此间的相互作用、不同类型的微观结构以及熔化状态而不同。


有关特氟龙喷涂的温度分布与速度分布状况
等离子体射流模型的重点在于研究射流场内的温度分布与速度分布状况,进而通过计算颗粒与射流的相互作用达到预测射流场中颗粒温度和速度的目的。
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