提要：熔滴速度是电弧喷涂涂层性能的主要影响因素之一。本文基于空气动力学和二相流流身体的力量学理论树立了高速电弧喷涂雾化气流和熔滴速度的算术板型，并施行了数字摹拟；同时用尝试办法测试了气流速度及Al、3Cr13熔滴在不一样喷涂距离处的均匀速度；数字计算最后结果与尝试数值基本吻合。最后结果表明，雾化气流的速度在距喷嘴儿一定距离内将维持起初速度（约650m/s），而后随喷涂距离的增大而衰减，这与超音速气流经过Laval喷管后所萌生的膨胀波和压缩波互动相关；熔滴在雾化飞行过程中经历了先加速后降低速度的过程，小熔滴能在较短的距离内被加速到最大速度；达到最大速度在这以后，小熔滴因为惯性力较小而迅疾降低速度，而大熔滴则因较大的惯性力而降低速度不表面化；熔滴速度的变动是由熔滴的Reynolds数表决的。Al和3Cr13熔滴的最大速度在0.3m喷涂距离之内均超过音速。

    网站关键词：高速电弧喷涂；气流速度；熔滴速度；数字摹拟；速度测试序文电弧喷涂技术是以两根金属丝材为电极在喷枪端口部相交短路萌生的电弧为发热物体，使金属丝材熔融，而后用压缩空气将熔融金属雾化成微熔滴，并将微熔滴加速喷吐到作件外表，继而淤积、冷却而形成涂层的一种工艺［1］?。在以往的几十年中，电弧喷涂技术以其高效、节能、节材等长处而获得广泛的应用，渐渐变成最受看得起的热喷涂技术之一。但传统电弧喷涂涂层的团体和性能与等离子喷涂、高速火苗喷涂（HVOF）等相形尚有差距，这在一定程度最大限度制了电弧喷涂技术的应用范围。高速电弧喷涂技术（HVAS）是20百年90时代研发出的先进热喷涂技术，因其熔滴飞行速度的大幅度增长（达到350m/s）和雾化效果的进一步改善，因此制备出与等离子喷涂相近的高接合强度、低孔隙率的高品质涂层［2］，大大开拓了电弧喷涂的应用领域。

    电弧喷涂涂层的性能遭受多种因素的影响，其所具备的迅速凝结团体与雾化过程中熔滴的动力学及热传道输送相关系近关系。对雾化过程的动力学和热传道输送行径施行剖析，不只是挑选喷涂工艺参变量的关紧根据，也有助于准确地了解高速电弧喷涂涂层团体的形成与衍变机制。但因为尝试技术的限止，难于用实测办法取得熔滴温度、冷却速度等热传道输送参变量，一般认为合适而使用理论板型施行数字摹拟计算，而确认雾化气流速度和熔滴速度是施行摹拟计算的前提条件。

    本文将在气体动力学和二相流流身体的力量学理论的基础上，树立高速电弧喷涂雾化气流和熔滴速度的算术板型，并施行数字摹拟；同时用尝试办法测试气流速度及Al、3Cr13熔滴在不一样喷涂距离处的均匀速度，以证验算术板型。

    算术板型及数字摹拟因为高速电弧喷涂遭受很多工艺参变量的影响，并且其雾化动力学过程相当复杂，因为这个树立雾化气流和熔滴速度的算术板型务必做如下所述的如果以简化问题。

    （1）流体（涵盖雾化气流和熔滴）的运动为一维定常流动。

    （2）熔滴是在雾化起初刹那形成的，一经形业绩因外表拉力的效用而呈球形。

    （3）雾化熔滴的飞行仅为气体牵引力效用的最后结果，自身重力的影响疏忽不计较，不思索问题熔滴之间的碰撞和粘贴。

    雾化气流速度高速电弧喷涂熔滴的速度是由雾化气流的速度表决的。从喷枪喷出的超音速气流可以看作单相自由喷射的流体［3］，且其径向速度细小，故可用轴向速度近似描写雾化气流的速度散布。有理论剖析和数量多尝试最后结果的基础上，文献［4］给出了轴向气流速度的表现式为：

    式中：u为轴向气流速度；u0为喷枪出口处轴向气流起初速度；x为轴向距离；λ?为与气流速度衰减相关的常数，且式中：α为一与气体动力学粘度相关的经验常数，取α=10.5；?Ae=πR20为喷管出口平面或物体表面的大小；R0为喷管出口半径。起初速度u0由下式给出［3］式中：?Jg为气体流量；?R为气体常数；?T0为出口处气身体的温度度；?γ为气体比热容量；P0为气体压力；?ρg为气体疏密程度；?At=πR2t为喷管喉部平面或物体表面的大小；?Rt为喷管出口半径。经过式（1）~式（4）可以求出雾化气体速度沿轴向的散布。

    熔滴的速度在两丝交会处形成的熔滴与高速雾化气流之间存在着速度差别，因为这个熔滴在气流牵引力的效用下被加速。直径为?d?的球形熔滴在一维定常气流下的运动可由牛顿第二定律的方式给出［5］式中：?v为直径为d的熔滴速度；?ρg为气体疏密程度；?ρd为熔滴疏密程度；?CD为牵引系数。式（6）即为合金熔滴的运动方程。硬质氧化电源该方程疏忽了时变与附带加上品质的影响，即熔滴运动仅由气流的牵引力所表决。牵引系数?CD主要与Reynolds数相关，是表征气体对熔滴效用程度的没有限量纲系数，在0.1 < Re < 4000的范围内，普通可由下式表达出式中：Re为熔滴的Reynolds数；μg为气体的动力学粘度。经微分变换，有由式（5）～式（9）可求出熔滴的轴向速度随喷涂距离的变动关系。

    数字摹拟利用算术计算软件Matlab5.3对雾化气流轴向速度和不一样直径的Al及3Cr13熔滴速度施行了数字摹拟计算。计算所用参变量如表1所示。

    尝试过程雾化气流速度的标定认为合适而使用毕托管总压法标定喷管出口雾化气流的速度［7］?。在喷管的出口处若气流为超音速，便会在毕托管测试着探索针的管口处萌生正激波。正激波波后气流滞止压力记作?P??1，当地大气的压力为Pa。依据Pa与P1的比率可确认mach数，可计算发泄流的速度。双脉冲PCB电镀电源其测试原理如图1所示。

    熔滴速度的标定认为合适而使用双转盘法标定高速电弧喷涂熔滴在不一样喷涂距离处的均匀飞行速度，喷涂材料想到工艺参变量如表2所示，测试原理见图2。即在第1盘上开设窄缝，当盘不旋转时，由喷枪射出的粒子束可以经过此缝在第二盘上留下标记，随即以高速旋转同轴的双转盘，接着喷涂，在第二盘上留下另一标记。粒子飞行的均匀速度计算公式为式中：?L为两盘间距；?s为两标记间弧长；?R为转盘半径；?n为转盘转速，vm为粒子均匀速度。

    最后结果与剖析轴向气流速度散布图3是轴向气流速度散布的数字摹拟和测试最后结果，可见二者基本吻合。表明认为合适而使用的算术板型较好地描写了高速电弧喷涂过程中轴向气流速度的散布事情状况。

    计算的气流起初速度为653?m/s，并且在距喷管出口0.08?m内维持该速度，在这以后着手随距离的增大而衰减。实测气流速度也反映出相同的规律，只是在起初阶段气流速度在600~700?m/s范围内撩动，而后着手减退。因为新式高速电弧喷枪认为合适而使用了缩张形Laval喷管，故当0.65?MPa的高压空气经过Laval喷管时，形成欠膨胀状况的超音速气流，气流出管后接着膨胀加速，一直到喷射的流体边界（自由边界）。膨胀波在自由边界上反射为压缩波，二者相交形成马赫锥［7］?，因此导致在距喷管出口一定距离内超音速气流轴向速度显露出来撩动。随喷吐距离的增大，与背景大气的互动也增大，萌生的压缩波越来越强，气流轴向速度进入了衰减阶段。可见，运用高速电弧喷枪，扩张了气流超音速地区范围范围，这不止会增长熔滴的飞行速度，并且也将改善熔滴的雾化效果。

    熔滴速度散布图4是熔滴速度散布的数字摹拟最后结果，计算时选用3Cr13，熔滴直径为5~100μm。可以看出，熔滴被雾化气流加速到一最大速度后着手降低速度，在熔滴的最大速度处气流速度等于熔滴速度，此时熔滴的Reynolds数为零。即熔滴经历了一个加速降低速度的过程。

    由式（8）可知，熔滴的直径越小，其Reynolds数也就越小。而从式（7）可知，Reynolds数越小，则牵引系数?CD越大。因为这个，与大熔滴相形，小熔滴能在较短的时间和距离内被加速到最大速度。达到最大速度在这以后，因为气流速度小于熔滴速度，熔滴错过加速力而着手降低速度；并且直径小于20μm熔滴的Reynolds数变得很低，惯性力细小，这时气流的阻拦效用就表达表面化。所以，小熔滴速度迅疾减退，在曲线上表达出一最大速度峰值。而大于30μm的熔滴在达到最大速度在这以后，其牵引系数近似为0.7，因为这个大熔滴仍有较大的惯性力而没有表面化的降低速度。从曲线上看，除开雾化的起初阶段以外，大熔滴的速度随喷涂距离的变动半大。

    和3Cr13熔滴均匀速度散布因为用双转盘法标定的是在距喷枪一定距离小地儿有直径熔滴的均匀速度，故在数字摹拟时，计算出均匀直径熔滴的速度，并与实测值施行比较。喷入水中的凝结粒子经离合、清洗和烘焙后，在Q500MC图像剖析仪上计数粒度散布，并计算出Al和3Cr13粒子的均匀直径作别为20.4μm和48.9μm。

    图5是Al和3Cr13熔滴均匀速度的数字摹拟和实测的最后结果，可以觉得数字摹拟基本上反映了熔滴的运动规律。最后结果表明，在超音速的雾化气流的帮带下，高速电弧喷涂雾化熔滴能够达到颀长的飞行速度。在喷涂距离0.3m内，Al熔滴的最大速度约为342m/s，3Cr13熔滴的最大速度约为388m/s，均超过音速（当地音速约为340m/s）。而在传统电弧喷涂下熔滴的最大速度约为250m/s［2］?。因为热喷涂涂层与基体及扁平粒子之间主要以机械接合为主，所以熔滴速度的显著增长有帮助于增长涂层与基体之间界面的接合强度和扁平粒子之间的内聚接合强度。同时，因为熔滴速度的增大，缩减了熔滴的雾化飞行时间，也增长了熔滴撞击基体时的温度，增加了熔滴撞击刹那的铺开伸展有经验，不惟能够减损氧气化物的含量，并且能够减低孔隙率，因此改善了电弧喷涂涂层的综合性能。

    论断（1）用树立的高速电弧喷涂雾化气流和熔滴速度散布的算术板型施行了数字摹拟，计算最后结果与尝试数值基本吻合。

    （2）雾化气流的速度在距喷管出口一定距离内将维持起初的超音速，而后随喷涂距离的增大而衰减。这与超音速气流经过Laval喷管后所萌生的膨胀波和压缩波互动相关。

    （3）熔滴在雾化飞行过程中经历了先加速后降低速度的过程。小熔滴能在较短的距离内被加速到最大速度；达到最大速度在这以后，小熔滴因为惯性力较小而迅疾降低速度，而大熔滴则因较大的惯性力而降低速度不表面化。熔滴速度的变动是由熔滴的Reynolds数表决的。

    （4）Al和3Cr13熔滴的最大速度在0.3m喷涂距离之内均超过音速。