摘 要:介绍一种新型材料表面改性技术———冷喷涂技术,即气体在常温下或在有限加热温度下,利用超音速气流将涂层粉末喷射到基板形成保护涂层。相对热喷涂技术而言,其不存在高温氧化、气化、晶化等影响涂层性能的效应出现,具有独到之处。结合工程实际简化建模,并完成气、固两相射流的流场计算结果。定量研究了冷喷涂试验中两相射流流动对涂层效果的影响程度。还对该试验装置进行了锌粉、陶瓷粉的膜制备试验,取得了预期效果。
关键词:表面改性;超音速;两相流;冷喷涂
1 引 言
在工件表面喷涂耐磨损、抗腐蚀或耐高温等特殊性能的功能涂层以提高材料的力学性能和物理性能,已成为材料表面改性的有效方法。常见的喷涂技术[1],如爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、等离子体喷涂等“热”喷涂技术已在工业领域广泛应用。“冷”气体动力学喷涂(以下简称冷喷涂)是指用超音速气、固两相流常温下制备功能涂层,它是区别于上述热喷涂技术而发展的一种崭新的材料表面改性技术。
热喷涂技术的关键是将涂层材料通过某种方式在达到工件表面之前使其熔化、雾化,并以高速去撞击基板靶体,从而在基板上形成一层致密、且具有高粘合度的涂层。这些技术都存在喷涂材料在达到工件表面之前由于高温熔化而存在氧化、气化、熔化、晶化、气体分解等效应,由此导致涂层性能下降,且不适合非耐高温基板靶体。冷喷涂技术针对热喷涂的不足提出了一种新兴材料改性技术,它是喷涂领域中新的发展动向。
2 冷喷涂技术
冷喷涂指在常温下或较低的温度(不足以改变涂层粉末的晶相等)下,利用高压气体在缩放喷嘴中形成的超音速气、固两相气流将涂层粉末击射到基板形成涂层。冷喷涂工艺较之热喷涂工艺归纳起来有以下主要优势[2]:(1)没有过多的热量传递到的工件表面,从而克服了基体工件的高温变形,可以加工非耐热或有限耐热的基体工件;(2)使冷喷涂所产生涂层的性能接近于初始涂层粉末材料的性能,这对特殊功能涂层的制备提供了可能;(3)由于不需要在真空下进行,故其附属设备较少,对于大直径长管、船舶、桥梁和各种机械的壳体等可以进行在线表面喷涂加工;(4)在喷涂过程中回收涂层粉末方便,并可再次利用涂层粉末,从而节约了喷涂成本。
由于冷喷涂技术刚刚起步,俄罗斯和美国在这方面取得了一些前期结果,前者在较低温度下,使用高压气源夹带细小的涂料颗粒,加速到超音速,喷涂到常温、常压下基板表面[2]。而美国康乃尔大学则使用常压气源,将基板置于真空室中,气体和粉末在超音速条件下喷涂到基板上[3,4]。
我们的冷喷涂技术设备造价低,结构简单,利用高压气源,基板处于常压环境下,解决了超音速气、固两相流射流中的气动热力计算工程化问题[5],并得到了满意的计算结果;同时采用冷喷涂技术,成功实现Ｚｎ粉、ＫＦ91 Ｆｅ粉和Ａｌ2Ｏ3粉(陶瓷粉)等多种材料在不同材质基板上的喷涂,特别是在航空发动机钛合金叶片表面成功制备了陶瓷膜、Ｚｎ膜,并对其进行显微组织及能谱元素等分析。
3 冷喷涂技术的研究
3.1 试验装置
本试验装置从原理上分高压气源、进粉系统(进粉、均粉及加热装置)、气固两相射流系统和喷涂装置(喷涂试件台、粉末回收装置等)四大部分。
为定量地研究解决冷喷涂试验中,气体与粉末两相射流流动对涂层效果的影响程度,确定基板与喷嘴间最佳距离,必须结合工程实际应用,进行气、固两相射流的流场计算及流场中固体颗粒的流速来求解。
3.2 射流计算方法与结果
本工作在奥尔逊(Ｏｌｓｏｎ)对可压二元射流[5,6]分析的基础上加以扩展,对可压三元射流进行了分析,结合工程实际简化建模,进行了方程离散和计算程序的设计。并从工程计算简单、实用的角度出发,添加了固相颗粒动力学模型,完成了圆喷嘴气、固两相可压缩紊流射流的流场计算。用ＶｉｓｕａｌＣ++语言,采用了面向对象的编程方法,编写了有关的计算程序。从进料系统的送气接头和粉料进气接头开始,按气流通路径依次选择具有代表性的管道截面,根据进气参数、气体动力学方程进行计算,求得该截面气动性能参数。在气相射流计算的基础上,选用单颗粒动力学模型,其特点是采用离散体系的处理方法,且忽略颗粒对流体的作用,完成流场中固相颗粒的流速求解。程序的考核数据选用已公开发表的Ｅｌｇｈｏｂａｓｈｉ的试验结果,计算值与试验值吻合良好,考核结果令人满意[2]。
利用该计算程序,固相选取试验用锌粉颗粒,完成的超音速射流流场计算结果见表1。表1给出了沿轴向射流正方向(Ｘ轴),从喷管出口依次选取的ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ和ｆ6个计算截面位置上的气、固两相流速度分布结果。可以看出:(1)在气、固两相初始速度一致的条件下,射流过程气相流束在逐步扩张减速,而固相颗粒由于惯性则保持原有的速度,这就使得气、固两相出现速度差,并随着速度差的增大,气相对颗粒的阻力增大,颗粒速度衰减。(2)ａ、ｂ截面均处于射流初始段,喷嘴中心轴线以上气、固两相速度保持相等且为射流初始速度,而ｃ截面虽处于射流初始段内,但ｃ点仅中心轴线位置气、固速度相等,中心轴线以上气、固两相速度均低于射流初始速度,故ｃ点为射流核心区结束的位置,即确定了射流核心区长度ＸＣ的值,ｄ、ｅ和ｆ截面则处于射流的主段中。
通过对不同的粉粒、不同的气动参数进行计算,会得到不同的射流核心区长度ＸＣ的值,在试验中,基板距喷口的距离至少小于射流核心区长度ＸＣ,以确定喷涂的有效距离,从而减少试验的盲目性。3.3 试验结果及分析(1)高压气源是冷喷涂工作的能量来源,应能为气粉混和两相流提供足够和稳定的压力,可采用压气机或高压气瓶,在本试验中使用高压气瓶(0.4～1.5ＭＰａ),同时对气体预热(0～200℃),完成一般材料的冷喷涂。(2)进粉系统要实现连续、稳定、均匀和定量的输送涂层粉料。和目前的热喷涂技术中的进粉系统比较,冷喷涂技术进粉系统需要的压力较高。在本试验中采用的是抽吸式进粉系统,在设计高压抽吸式进粉系统时采用前苏联索科洛夫ЕЯ和津格尔НМ提出的气体喷射器设计方案[6]。通过控制粉料箱中的粉量和输送通道的喉口面积尺寸,控制输送粉量。该系统基本能够满足试验需要。
(3)用Ｚｎ粉、ＫＦ91 Ｆｅ粉和ＡｌＯ粉(陶瓷粉)等多种粉末材料在不同材质的基板上(如:基板材料为铝、玻璃、普通碳素钢(Ｑ235钢)板及Ｔｉ合金等)喷涂。以在航空发动机Ｔｉ合金叶片表面成功制备陶瓷膜、Ｚｎ膜为例,图2、图3是用ＬｉｎｋＯｘｆｏｒｄＩＳＩＳ300能谱仪分析Ａｌ2Ｏ3(陶瓷粉)、Ｚｎ粉涂层组织的形貌,结果表明喷涂涂层致密。图4、图5为这些涂层的能谱元素分析结果。
(4)对不同的粉体材料和不同的被喷涂工件材料,气动参数要求差别很大,如Ｚｎ粉的进气压力比Ａｌ2Ｏ3粉(陶瓷粉)要低将近50%。
4 结 论
冷喷涂技术是新兴的材料表面改性技术,国外已开展了该项技术的研究,国内尚处于机理研究和探索阶段。
我们先期研制开发的圆喷嘴气、固两相自由射流流场计算程序,从工程计算简单、实用的角度出发,抓住主要因素,固相选用单颗粒动力学模型应用于气、固两相可压缩紊流射流流场计算,其特点是采用离散体系的处理方法,忽略颗粒对流体的作用,使数学模型得以简化。编制的计算程序选用已公开发表的Ｅｌｇｈｏｂａｓｈｉ试验结果考核,计算值与试验值吻合,精度符合工程精度要求,为定量地研究解决冷喷涂试验研究中气体与粉末两相射流流动对涂层效果的影响程度提供了理论依据;对确定基板与喷嘴间有效距离,优化试验方案有指导意义。今后研究工作的重点:①应对整个冷喷涂过程(上接第32页)进行全面的气、固两相流数值模拟计算,以达到气动参数的最优设置;②应加强均粉器、喷嘴外型优化设计,确保进粉的连续性和稳定性以及喷嘴出口粉末的均匀性;③膜形成机理的深入研究将为膜生长速率、特殊外观造形膜的实现奠定基础。
参考文献:(略）
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