第二章 热喷涂 - 图文(8)

f.甲烷和氧气的燃烧反应式 CH4?2O2?CO2?2H2O

当丙烯/氧气=1：1.8时，燃烧最高温度达到2786℃。

热喷涂时火焰的特性涉及到其速度、温度、空间分部以及它们的密度、热传导系数和粘度等因素。

火焰的焓决定了火焰的温度和速度。火焰的静态焓

2Hs?Ht?1u （2-1）

2 式中：Hs：火焰的静态焓 J Ht：火焰总的焓 J U：火焰速度 m/s

从上式中可以看到火焰的总焓与静态焓和火焰的速度成正比。而火焰的速度用以下公式表示：

u?4qρπdg2 （2-2）

公式中

q：气体质量流量 kg /s ρg：火焰密度 kg/m3 d：喷枪直径 m

从公式2-2中可以看到，火焰的速度与气体质量的流速成正比，与火焰的密度和喷嘴面积成反比。

在实际的火焰中除燃气和氧气外，火焰中还将加入作为送粉气的不参加燃烧反应的惰性气体如氦气。化学反应放出的能量将用来加热和加速燃烧焰流和气流中的粉末。气流的速度与气体的成分、压力、流量、温度、密度以及喷枪喷嘴的直径等有关。但是，对于等截面喷嘴的喷枪，在喷嘴出口处可以得到的最大焰流速度。

4.2．1火焰测量

火焰分成两个区域，高温区和衰减区

火焰测量采用laser induced fluorescence ，laser scattering ，

enthalpy probes methods methods in cone zone（高温区）

在衰减区，采用temperature thermdcouple测量火焰速度。 ①Laser velocimetry（LV）

②laser-doppler- velocimetry（LDV） ③laser-two-focus（LTF）

④photographic streak technology ⑤spectral method 5.1.2测量结果

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15000火焰温度（T)APS1000050000040801200火焰出口距离（mm）

5.1.3 火焰密度和传递特点

Ar+H2，Ar+N2， 在高温下的热动力学计算（g/cm3） Ar+H2的密度随温度的增高迅速降低

Ar+H2的热传导率在高温下迅速上升（w/mk）

4.3颗粒动力学模型

颗粒在气体流场中的运动可用牛顿第二定律予以描述。在典型的HVOF喷涂条件下，加速火焰气体与注入粉末颗粒间的主要作用力为牵引力，其它的力如：Basset history term、外加质量力、压力梯度力及外部潜在作用力（如重力）等可忽略不计[8]。因此，颗粒的运动方程可以用以下两个一阶微分方程来表示[9][10]：

mpdvdtp?12CD?gAP(vg?vp)vg?vp ， vp(0)?0 （2-3）

dxdtp?vp ， xp(0)?0 （2-4）

其中：mp：颗粒质量，

vp、vg：分别为颗粒和气体的轴向速度， t：时间， CD：牵引系数，

Ap：颗粒在射流方向上的投影面积， ρg：气体密度，

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xp：为颗粒位置(从喷嘴出口处开始计算)。

式中气体与颗粒的速度取绝对值。从上式中可以看到当颗粒速度小于气体速度时颗粒被加速，反之颗粒减速[10][11][12]。牵引系数的取值取决于颗粒与火焰气体的相对速度，并通过雷诺数Re来确定。

4.4颗粒与火焰气体的热量传递

4.4.1颗粒与火焰气体的热量传递

从火焰到粒子的热传导主要是机理是热传导，对流和热辐射。

热传导率?total??atoms??electrons??ambipolar】

热传导和热对流机理可以由Nusselt number来表述（对于球形粒子）

Nu?hdp??2?0.66Re0.5Pr0.33

dp—粒子直径 h—热传递系数 Pr—热对流 Pr-prandtl number

pr??g(cp)?g

η，λ，Cp—动力粘度导数，热传导率，比热。

辐射被认为是忽略的

当粒子在飞行时产生撞击和熔化，它们可以凝结因此导致粒子的直径增大。 好的热传导粒子

?dph(Tg?Tp)?216??pcpdp3dTpdt

方程左边表示火焰的热传导，h—热传递导数 dp—粒子直径

Tg—气体温度 Tp—粒子温度 。右边表示粒子的热吸收 其中，ρp—密度 Cp—比热。

坏的热传导

T?)T?) q cp(T)p(T)???((?t?T一般在喷涂过程中主要考虑到粉末的大尺寸较小尺寸可能被蒸发掉

在HVOF喷涂过程中，单个颗粒和火焰气体之间热量传递主要是热传导、对流和热辐射。当热辐射可以忽略时，方程简化为一阶常微分方程。颗粒温度不同，采用的方程也不相同。假设颗粒没有汽化，则粉末颗粒的加热现象可用下式描述

mpcpdTpdt?hAP(Tg?TP)

（2-5）

其中：mp：颗粒的质量

Tp：颗粒的温度

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Tg：气体温度 Ap：颗粒的表面积 h：颗粒传热系数 cp：粒子比热

如果把Tp和Tg看成不随时间变化得常量，通过上式积分得到粒子温度公式

?hAmcpptTP?Tg?e （2-6）

把颗粒看成是假想的球体，上式粒子的表面积和体积经过粒子的密度换算后得到粒子的温度

?6hTP?Tg?e?pdctpp （2-7）

式中ρp-粒子的密度 dp-粒子的直径

从公式（2-7）中可以看到，粒子表面的温度主要与气体的温度与粒子的尺寸和粒子的物理性能有关。实际上气体的温度也是随时间而变化，并随时间的增加而减少。粒子表面的温度主要由燃烧气体温度所决定。考虑到粘性流体的特点和汽化现象，对h可通过Ranz-Marshall 经验公式计算而得：

h??dp(2?0.6RP) （2-8）

r1213其中：普朗特数Pr为

pr??g(cp)?g （2-9）

式中η，λ，Cp—动力粘度导数，热传导率，比热

在HVOF热喷涂复合材料时，颗粒多由硬质碳化物颗粒和金属粘结相构成，由于喷涂过程中的工作温度没有达到高熔点相(如WC熔点为3143K)的熔点温度，只有金属粘结相才会发生熔化，这样公式中颗粒熔化表达式应作相应的修正。在气体的热场中只有金属相才可能发生熔化现象。这时，颗粒的熔化度代表某一粘结相而不是整个颗粒。

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4.4.2火焰和粒子之间的动量传递

一些喷枪具有很长的枪管，使粒子与火焰接触时间长，可以熔化一些难熔材料，使粒子具有很高的动能量达到基体材料时。

粒子与火焰的能量的转换为： 1/2mv2=mcpΔT m—粒子的质量 v—粒子的速度 ΔT—粒子的温度 Cp--粒子的比热

粒子在冲击表面时的熔化状态只受到火焰的热传导，而不是动量的转换。粒子在冲击时的速度使粒子具有很好的变形和表面更好的密度。

（当粒子在松散状态下，其结构和外形都不变化，在外力和温度作用下，粒子具有一定的速度，表面温度增高，当达到一定温度时，其结构开始转变，形态也开始转变，由固体转变成液态，达到基体时，受到很大冲击，液滴有可能破裂，有可能产生很大变形与基体连接，如果处在固态，当速度低时，有被弹回，如果高时，射入到基体内。）

5.2．理论描述

一个固体进入到气体中而得到的加速度受到如下的力的作用： 1)拉力

2)压力梯度的力 3)所加的质量的力

4)外势能的力（重力势能，电势能） 粒子的运动方程为：

1/6?p3dvdt?1/8cDdp2?g(??v)2

μ--气体速度 v—粒子的速度 dp—粒子直径

ρp—粒子的密度，ρg—气体的密度，CD—拉力系数

拉力系数取决于粒子相对于火焰的速度： CD =24/Re Re﹤0.2 CD =24/Re（1+3/16Re） 0.2﹤Re﹤2 CD=24/Re(1+0.11Re0.81) 2﹤Re﹤21 CD=（1+0.189Re0.632） 21﹤Re﹤200 雷诺数：

Re=?gdp(??v)/?g

?g--气体的动力粘度系数。

粒子的飞行过程中，其温度可能达到其熔化点，这时候在粒子的周围有一个边界层，边界层的特性GP可以写成：

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