高速电弧喷涂枪结构对雾化性能影响的分析
陈永雄，梁秀兵，魏世丞，刘燕，徐滨士
热 喷 涂 技 术2010 年 12 月
摘 要：使用流体分析软件建立了高速电弧喷涂枪雾化气流场的三维模型，计算了喷枪气流速度场的分布特征，并基于数值模拟优化设计了新型陶瓷喷嘴结构的高速电弧喷涂枪，通过高速摄像法测试了高速电弧喷涂枪的雾化性能。结果表明，高速电弧喷涂枪的气体射流高速区分布集中、速度值高、有利于熔滴的雾化，喷涂试验也显示设计的喷枪焰流张角小、熔滴飞行速度、温度的分布有利于涂层的沉积。
关键词：高速电弧喷涂；数值模拟；喷嘴；雾化
高速电弧喷涂枪是高速电弧喷涂系统中的关键设备，它的功能是将由送丝机构送进的两根金属丝送入导电嘴内，并以一定的角度交汇，丝材接触后和电源导通并在丝尖端产生电弧，熔化金属；同时，由压缩空气机供给的高压气体流经喷涂枪喷管后加速，并雾化熔融金属成小液滴，高速喷射至工件形成涂层。高速电弧喷涂枪应能满足结构简单、工作安全可靠、雾化粒子速度高、雾化效果好、涂层质量稳定、性能明显提高等一系列的要求[1]。因此，实现高速电弧喷涂的核心是设计出高性能的高速电弧喷涂枪。由于丝材和导电嘴处在喷管的出口气流场中，会干扰气流流态分布，使得高速电弧喷涂的雾化气流场变得复杂，合理的喷枪设计能使气流充分加速，最大限度地利用气流的动能；有效的喷枪结构能改善熔融金属的雾化质量，因此，开发高速电弧喷涂枪的关键就是喷嘴的几何形状以及喷枪结构的设计。传统的设计方法是通过实践经验及简单的空气动力学估算[2-3]，设计出电弧喷枪结构，最后通过一系列的试验进行尺寸的修正。这种方法实验量大、费时费力。
近年来，随着计算机性能的提升，流体数值仿真分析技术为工业流体器件的优化设计提供了很好的途径，它在热喷涂领域也倍受重视，例如，国际上有学者使用 PHOENICS 和 FLUENT 等大型流体软件对等离子喷涂（APS）、高速火焰喷涂（HVOF）及电弧喷涂技术的雾化过程展开了深入的研究[4-8]，为设备开发和工艺优化提供了很好的理论支持，作者近几年也利用 FLUENT、ANSYS 等数值分析技术对电弧喷涂过程中的雾化、涂层沉积过程中的传热传质行为展开了研究[9-10]。下文主要介绍利用 FLUENT 数值模拟技术优化设计了一种高速电弧喷涂枪，并采用高速摄像技术研究喷枪的雾化性能。
1 电弧喷涂枪的结构特征分析
电弧喷涂枪集电－丝－气于一体，要完成丝材送进和丝端可靠相交、气流加速、电弧稳定燃烧、金属材料熔融雾化成微小熔滴并加速喷射等一系列功能，是喷涂的直接实现者，其结构的好坏关系涂层的性能和质量。喷涂枪主要由枪体、导电嘴、雾化喷管（喷嘴）、遮弧罩等组成。导电嘴与雾化喷管是喷涂枪的关键组成零件，直接影响喷涂过程的稳定性与涂层的质量。传统的电弧喷涂枪所采用的结构大体可分为两种：开放式结构和封闭式结构。这两种结构所用的喷管均为普通的直通式喷管，未采取任何变径措施，气流速度低、能量损失大，因而普通的电弧喷涂枪雾化粒子速度较低、涂层质量不高。
学者们对普通电弧喷涂枪进行了改进，采用拉伐尔型的喷管一定程度上提升了喷枪的气流速度，即所谓的高速电弧喷涂技术。但是，高速电弧喷涂枪还有很大的研究空间，因为电弧喷涂技术不同于APS 或 HVOF 等技术，它采用的喷涂材料是丝材，丝材处在喷管的前端，或干扰喷枪流场的分布。因此，设计喷枪时应考虑整个喷枪的设计布局，才能进一步提升喷枪的雾化性能。
2 喷枪雾化气流场的数值模拟
通过数值模拟发现，适当的增大丝材交角可使丝材交点的位置离喷管更近，这样可以使熔化的金属在喷管口外更近的距离内雾化，能更多地利用气流的动能[9]。另外，改进导电嘴和丝材在气流场中的外形设计，也能有助于雾化性能的提高。为此，作者通过一系列的数值优化设计，最终确定了图 1所示的喷枪喷嘴结构。图 2 为使用 FLUENT 软件建立该喷枪流场三维计算模型，得到的喷枪速度场分布结果。图 2 的上半部分为两丝相交平面上的结果，下半部为两丝中垂面的结果，可以发现，新型喷枪的出口高速区集中在射流中心，速度值较高（最大值接近 600 m/s），这种分布特征有利于喷涂熔滴的加速和雾化。比较上下两图还可发现，气流在两丝相交平面上的分布张角明显大于垂直平面上的张角，说明丝材的存在影响了气流的分布。该喷枪还具有其它结构所没有的独特优势，如喷嘴采用陶瓷材料，将导丝嘴和喷管融为一体，丝材从喷管中通过，这样既减小了导丝嘴在使用过程中的磨损，又可增加丝材的对中性，提高了喷涂的稳定性和可靠性。
3 喷枪雾化性能的实验研究
3.1 试验方法
高速电弧喷涂粒子的雾化特性包括飞行粒子速度分布、粒子温度分布、粒度分布和雾化粒子形貌等。雾化特性直接影响涂层的最终组织结构和性能。本研究使用芬兰制造的 SprayWatch-2i 型热喷涂监测系统，利用先进的高速摄像技术观测热喷涂雾化粒子的飞行过程，能测量出粒子的速度、温度、密度分布等多种信息[6-7]。试验喷涂材料选择较3Cr13 不锈钢丝材，喷涂设备为 CMD-AS-3000 型电弧喷涂系统，喷涂电压为 34 V、电流为 180 A、压缩空气压力为 0.6 MPa。
3.2 试验结果及讨论
图3为用SprayWatch系统测试新设计的HAS-2型高速电弧喷涂枪喷涂 3Cr13 时的焰流照片。可以看出该喷枪焰流比较集中焰流张角仅约为 10（0），比较集中的束流能更充分的利用气流的动能，有利于熔滴的雾化加速。
图 4 为采用 SprayWatch 系统测试喷枪喷涂3Cr13 丝材时粒子流量在 80 mm 的喷涂距离上的径向分布结果。可以看出，在测量区域内，HAS-2 型喷枪对应的粒子数量在径向上呈现中间高、两侧低，中间的粒子数约是边缘的 5 倍，这种分布特征表明它的雾化粒子分布更集中，这在一定程度上有利于改善涂层的沉积性能。
图 5 为喷枪的雾化粒子平均速度沿轴向的分布情况。可以看出，HAS-2 型喷枪粒子自引弧点处喷射出来后，不断加速，到距引弧点 130 mm 处速度达到最大，为 201.8 m/s，并且在 130 mm 到 280 mm这一区域内，粒子速度也保持高速值，这恰好是正常的喷涂区域。
粒子温度是热喷涂工艺过程的重要物理参数，它与涂层氧化物含量、沉积效率和工件基体温升有直接影响。图 6 为 SprayWatch 系统测得 HAS-2 型喷枪喷涂 3Cr13 时在不同喷涂距离上雾化粒子温度的径向分布结果可以看出，在不同的喷涂距离上，粒子温度在径向上有一定的波动，尤其是在喷涂距离较近时，靠近轴线的粒子温度比两侧的粒子温度要高。
图7为HAS-2型喷枪对应粒子平均温度沿轴向上的变化结果。可以看出，粒子平均温度开始时有所升高，然后下降并有一定的波动，按常规应该是材料在引弧点处被迅速加热至最高温度然后不断的下降。产生图示结果的主要原因是刚开始测量时粒子离引弧点较近且材料产生了大量的蒸气，系统所得的结果受弧光和蒸气的影响较大，误差相对较高；在随后粒子温度出现波动的主要原因可能是由于 3Cr13 材料在喷涂时合金元素易和氧发生较强的化学反应并放出热量，使温度有所回升。
4 结论
（1）使用 Fluent 流体分析软件建立了高速电弧喷涂气流场的三维模型，计算了喷枪雾化气体的流动特征，发现新设计的喷枪的气体射流分布集中，丝交汇点后的气体高速值分布于射流的中央，这种分布特征更有利于熔滴的雾化。
（2）喷涂实验显示，新设计的陶瓷型喷嘴喷枪的粒子焰流张角较小，约为 10（°），由于这种集中的射流分布特征，使熔滴的飞行速度较高，最大平均值达 201.8 m/s，在较短的喷涂距离内粒子的数量和温度分布都呈现出中间高边缘低的包状特征。
参考文献略
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