激光熔覆同軸送粉粉末流數(shù)值模擬與實驗研究

激光熔覆同軸送粉粉末流數(shù)值模擬與實驗研究

1粉末流的聚合反應(yīng)在材料表面制備耐腐蝕、耐堿、耐腐蝕、耐熱等高性能涂層。與其他表面重建技術(shù)相比，激光吸附技術(shù)具有結(jié)合強度高、涂層組織致密、稀釋率低、對基質(zhì)的熱影響區(qū)域小、加工能力低等優(yōu)點。因此，近年來，激光脫鹽技術(shù)的研究和開發(fā)引起了人們的注意。激光熔覆根據(jù)送粉方式的不同可以分為預(yù)置粉末、側(cè)向送粉和同軸送粉等幾種不同加工方式,其中同軸送粉具有參數(shù)調(diào)整靈活、無方向性的特點,易于實現(xiàn)激光熔覆的自動化控制。在同軸送粉激光熔覆中,粉末流場的分布對輸送到熔池的粉末質(zhì)量與激光能量的衰減有重要的影響,是決定熔覆涂層質(zhì)量的關(guān)鍵因素。同軸噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)、送粉工藝參數(shù)、粉末性質(zhì)和環(huán)境條件是影響粉末流場的主要因素。路橋潘等利用噴嘴模型研究了送粉噴嘴腔間隙和粉腔錐角兩個噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對粉末流匯聚的影響規(guī)律。付偉等研究了在不同的中路氣、載粉氣、外層保護氣的工藝參數(shù)組合下粉末的匯聚特性,找出了各工藝參數(shù)的取值范圍。朱剛賢等應(yīng)用氣固兩相流理論研究了粉末匯聚焦點的濃度及匯聚焦距與沉積層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。Zekovic等采用氣-粉兩相流模型研究了送粉過程中平板基底和薄壁狀基底對粉末顆粒的碰撞與反彈作用。譚華等在研究粉末輸送過程中分別發(fā)現(xiàn)了粉末粒徑、恢復(fù)系數(shù)對粉末流分布有一定的影響。根據(jù)所制備涂層的用途不同,激光熔覆所選用的粉末材料也各不相同。目前一般常用的粉末有鐵基、鎳基、鈷基合金粉末或復(fù)合粉末、陶瓷粉末和鎢、鉬、鉭等難熔金屬粉末。這些粉末由于本身材料屬性與制備工藝的不同,在粉末顆粒的形貌、密度等性質(zhì)方面具有較大的差別。由于在送粉過程中,粉末顆粒的飛行軌跡是與噴嘴腔壁面碰撞、送粉氣流場與重力相互作用的結(jié)果,不同粉末受到這些作用的影響也不相同,因此研究粉末性質(zhì)與粉末流匯聚特性之間的規(guī)律,對根據(jù)不同的粉末設(shè)計合理的送粉工藝參數(shù)及保證激光熔覆過程的穩(wěn)定性具有重要意義。粉末性質(zhì)在工程實踐中按化學成分、物理性能和工藝性能來進行劃分和測定,但其中一些性質(zhì)(熔點、電磁性質(zhì)和表面活性等)對粉末顆粒的飛行軌跡的影響不大。本文建立了激光熔覆同軸送粉粉末流場的數(shù)值模型,通過實驗驗證了模擬結(jié)果,研究了粉末的粒徑、形狀、密度、碰撞恢復(fù)系數(shù)等性質(zhì)對粉末流場的影響規(guī)律,為根據(jù)特定粉末的性質(zhì)優(yōu)化送粉工藝參數(shù)提供了依據(jù)。2熱壓與氣體壓相結(jié)合的熱壓工藝方法,將與載粉氣體和保護氣體作為連續(xù)相典型的同軸送粉過程如圖1所示。在同軸送粉噴嘴中有三路氣體,外環(huán)氣體為保護氣體,主要作用是在粉末流的外側(cè)形成氣體保護氛圍,這對一些易氧化的金屬粉末尤為重要;中環(huán)氣體為載粉氣體,主要在起承載輸運粉末顆粒的作用,與粉末顆粒形成氣固兩相流;中路激光腔內(nèi)為內(nèi)環(huán)保護氣體,主要起抑制粉末反彈與保護鏡片的作用。將同軸送粉過程中的載粉氣體和保護氣體作為不可壓縮連續(xù)相處理,由流體力學中的連續(xù)方程和動量方程求解。由于單位時間內(nèi)進入同軸噴嘴的粉末顆粒體積與氣體體積比遠小于10%,將粉末顆粒視為氣固兩相流中的離散相處理,采用離散相模型描述粉末顆粒的行為。2.1湍流耗散率方程氣相的基本控制方程包括質(zhì)量守恒和動量守恒方程。在典型送粉工藝參數(shù)下,氣流表現(xiàn)為穩(wěn)定、不可壓縮和恒溫的湍流,因此引入標準k-ε湍流模型求解。標準k-ε湍流模型具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和計算精度比較高的特點。湍流動能方程為?(ρkμj)?xj=??xj(μtσk?k?xj)+Gk+Gb?ρε.(1)?(ρkμj)?xj=??xj(μtσk?k?xj)+Gk+Gb-ρε.(1)湍流耗散率方程為?(ρεμj)?xj=??xj(μtσε?ε?xj)+C1εk(Gk+Gb)?C2ρε2k,(2)Gk=μt(?μi?xj+?μj?xi)?μi?xj,(3)Gb=?giμtρPt?ρ?xi,(4)?(ρεμj)?xj=??xj(μtσε?ε?xj)+C1εk(Gk+Gb)-C2ρε2k,(2)Gk=μt(?μi?xj+?μj?xi)?μi?xj,(3)Gb=-giμtρΡt?ρ?xi,(4)式中k是湍流動能,ε是湍流耗散率,i、j=1,2,3,μ=μ0+μt(μ0是分子粘度,μt是紊流粘度,μt=ρCuk2/ε)。Gk表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能,Gb表示由浮力產(chǎn)生的湍流動能,Pt為湍流普朗特數(shù),其中常數(shù)σk=1.0,σε=1.3,C1=1.44,C2=1.92,Cμ=0.09。2.2亞觀尺度和流場參數(shù)對于粉末顆粒,采用基于歐拉-拉格朗日模擬方法中的離散相模型描述,顆粒在拉格朗日坐標下的受力平衡方程為dupidt=FD(ui?upi)+gi(ρp?ρ)ρp+Fi,(5)dupidt=FD(ui-upi)+gi(ρp-ρ)ρp+Fi,(5)式中upi為顆粒速度,ρp為顆粒密度,Fi為附加力,FD(ui-upi)為顆粒的單位質(zhì)量拽力:FD=18μρpd2pCDRe24,(6)FD=18μρpdp2CDRe24,(6)式中dP為顆粒直徑,CD為拽力系數(shù),Re為顆粒相對雷諾數(shù),定義為Re=ρdp|up?u|μ.(7)Re=ρdp|up-u|μ.(7)對于亞觀尺度(直徑為1～10μm)的顆粒,則遵循斯托克斯拽力公式,拽力定義為FD=18μd2pρpCc,(8)FD=18μdp2ρpCc,(8)式中的系數(shù)Cc為斯托克斯拽力公式的Cunningham修正,其計算公式為Cc=1+2λdp{1.257+0.4exp[?(1.1dp2λ)]},(9)Cc=1+2λdp{1.257+0.4exp[-(1.1dp2λ)]},(9)式中λ為氣體分子平均自由程。采用隨機軌道模型模擬湍流對顆粒的影響。在顆粒軌道積分計算的過程中,流體速度為瞬時速度與脈動速度之和,用這種方法計算足夠多的代表性顆粒的軌道,來確定湍流對顆粒的隨機性影響。2.2.1粒徑分布的表征粉末的粒徑和粒徑分布主要與粉末的制備方法和工藝有關(guān)。一般機械粉碎粉末較粗,氣相沉積粉末極細,而還原粉末和電解粉末則可以通過還原溫度或電流密度在較寬的范圍內(nèi)變化。嚴格地講,粒徑僅指單個顆粒而言,而粒徑分布則指整個粉末體,這里講的粉末粒徑包含有粉末平均粒徑的意義,即粉末的某種統(tǒng)計性平均粒徑。粉末冶金用的金屬粉末的粒徑范圍很廣,大致為0.1～500μm。實際粉末顆粒形狀一般不對稱,僅用一維的幾何尺寸不能精確地表示顆粒的真實大小,這里采用顯微鏡投影幾何學原理測得顆粒三個互成60°方向的投影徑,以其算術(shù)平均值表征粉末粒徑。粉末體的粒徑分布采用Rosin-Rammler分布擬合。Rosin-Rammler分布假定在顆粒直徑d與大于此直徑的顆粒的質(zhì)量分數(shù)Yd之間存在指數(shù)關(guān)系:式中dˉdˉ為中位徑,n為分布指數(shù)。2.2.2比越小，數(shù)就越小一般來說,準確描述粉末顆粒的形狀是很困難的,這里引入形狀系數(shù)Φ來描述非球形顆粒的形狀,形狀系數(shù)Ф的定義如下:Φ=sS,(11)Φ=sS,(11)其中s為與實際顆粒具有相同體積的球形顆粒的表面積,S為實際顆粒的表面積。Φ的取值范圍為(0,1),顆粒形狀越不規(guī)則越復(fù)雜,形狀系數(shù)就越小。顆粒的形狀對氣流場中顆粒所受拽力影響顯著,對于非球形顆粒,拽力系數(shù)CD表示為CD=24Re(1+b1Reb2)+b3Reb4+Re,(12)b1=exp(2.3288?6.4581Φ+2.4486Φ2),(13)b2=0.0964?0.5565Φ,(14)b3=exp(4.905?13.8944Φ+18.422Φ2?10.2599Φ3),(15)b4=exp(1.4681?12.258Φ?20.7322Φ2+15.8855Φ3).(16)CD=24Re(1+b1Reb2)+b3Reb4+Re,(12)b1=exp(2.3288-6.4581Φ+2.4486Φ2),(13)b2=0.0964-0.5565Φ,(14)b3=exp(4.905-13.8944Φ+18.422Φ2-10.2599Φ3),(15)b4=exp(1.4681-12.258Φ-20.7322Φ2+15.8855Φ3).(16)2.2.3切向恢復(fù)系數(shù)的計算粉末顆粒在進入同軸噴嘴后,在噴嘴內(nèi)部的環(huán)腔內(nèi)經(jīng)歷多次碰撞反彈作用,顆粒在反彈過程中發(fā)生動量變化,這種變化由恢復(fù)系數(shù)確定:en=V2nV1n,(17)en=V2nV1n,(17)式中V1n,V2n分別為顆粒碰撞前、后垂直壁面的法向速度分量。同理,切向恢復(fù)系數(shù)由碰撞前后切向速度分量之比確定。完全彈性碰撞的恢復(fù)系數(shù)等于1.0,表示碰撞前后沒有動量損失。當恢復(fù)系數(shù)等于0時表示顆粒在碰撞后損失了所有動量。粉末顆粒的恢復(fù)系數(shù)與壁面條件、入射速度、材料屬性等均有一定的關(guān)系,經(jīng)相關(guān)研究表明,粉末顆粒的取值范圍一般為0.91～0.99。為便于研究,本文在粉末與壁面條件一定的情況下將恢復(fù)系數(shù)作為常數(shù)處理。2.3幾何模型及粉末基本情況經(jīng)送粉器送出的粉末分為4路進入同軸噴嘴,內(nèi)環(huán)保護氣與外環(huán)保護氣各分為兩路進入同軸噴嘴,各入口與噴嘴的環(huán)腔相連,粉末與氣體經(jīng)環(huán)腔的環(huán)形出口離開噴嘴,在環(huán)腔錐角的作用下匯聚于噴嘴下方。假設(shè)在進入同軸噴嘴之前,載粉氣和粉末混合充分,粉末顆粒在進入噴嘴入口時與載粉氣速度相同,并且垂直入口平面。本研究所用的同軸噴嘴主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。建立的三維幾何模型包括噴嘴結(jié)構(gòu)和噴嘴下方的圓柱形計算區(qū)域。采用貼體坐標系方法分區(qū)域劃分網(wǎng)格,較為復(fù)雜的噴嘴結(jié)構(gòu)采用四面體和六面體單元的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,噴嘴下方的區(qū)域采用六面體單元結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。模型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分如圖2所示。對于氣相,氣體及粉末入口設(shè)置為速度入口邊界,噴嘴的內(nèi)外壁設(shè)置為壁面邊界,噴嘴下方的圓柱區(qū)域的側(cè)面及地面設(shè)置為壓力邊界出口。對于離散相,將噴嘴內(nèi)外壁設(shè)置為反彈邊界,將噴嘴下方的圓柱區(qū)域的側(cè)面及底面設(shè)置為逃逸邊界,即粉末顆粒到達此類邊界后不再參與軌道的計算。本研究所采用的載粉氣體和保護氣體均為氬氣。在研究中主要采用NiCoCrAlY、ZrO2、W粉三種典型粉末。這三種粉末在掃描電鏡下的微觀形貌如圖3所示。NiCoCrAlY粉末顆粒成分較復(fù)雜,多呈近似球形或橢球形,粒徑范圍在48.7～127.8μm;ZrO2陶瓷粉末顆粒的形狀主要為板狀,粒徑范圍在11.8～83.8μm;W粉末顆粒呈不規(guī)則的多面體形貌,致密細小,粒徑在0.8～2.13μm的范圍,屬亞觀尺度的顆粒。這三種粉末的主要計算性能參數(shù)如表2所示,為研究方便,粉末顆粒的形狀系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)等參數(shù)取其統(tǒng)計平均值。3驗證與分析結(jié)果3.1同軸送粉粉末流形貌的計算結(jié)果為了驗證數(shù)值計算結(jié)果的合理性與可靠性,設(shè)計了粉末流場CCD相機拍攝實驗。實驗在暗箱中進行,暗箱的側(cè)面通過狹縫射入強光光源,CCD相機通過暗箱正面的小孔拍攝粉末流圖像。由于粉末顆粒反射光線,粉末流圖像灰度與粉末濃度成比例關(guān)系。NiCoCrAlY粉末流形貌的計算結(jié)果與實驗對比如圖4所示。圖4(a)顯示粉末顆粒飛行軌跡與粉末濃度計算結(jié)果,采用的送粉工藝參數(shù)為內(nèi)環(huán)保護氣流量為8.5L/min、載粉氣流量為3L/min、外環(huán)保護氣流量為4L/min、送粉速率為4.2g/min;圖4(b)是在相同參數(shù)下的粉末流的實驗結(jié)果。為了分辨粉末顆粒的飛行軌跡,計算結(jié)果圖僅顯示了部分粉末顆粒計算軌跡,由軌跡點上的顏色區(qū)分該位置的粉末濃度。計算結(jié)果和實驗結(jié)果的粉末流形貌基本相同,粉末流的匯聚位置、濃度分布的大體趨勢基本對應(yīng),說明了同軸送粉粉末流模型的合理性。計算結(jié)果圖中有部分粉末顆粒的飛行軌跡匯聚趨勢較差,與實驗圖像有略微差異,產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因是:NiCoCrAlY粉末由多種不同成分的顆粒構(gòu)成,而在計算中密度和形狀系數(shù)等粉末性質(zhì)的設(shè)置是取統(tǒng)計平均值,使個別顆粒的性質(zhì)可能與實際相差較大,導致其飛行軌跡的偏差較大。在同軸噴嘴下方的粉末濃度分布可以看出,粉末流在三路氣體的協(xié)調(diào)作用下呈現(xiàn)出束腰型的匯聚特點,從上到下可以分為三個典型的區(qū)域:過渡區(qū)、匯聚區(qū)和發(fā)散區(qū)。過渡區(qū)的粉末濃度在水平面上呈環(huán)狀分布,越向下環(huán)狀越向中心移動。當中心濃度達到最高時進入?yún)R聚區(qū),粉末濃度在匯聚區(qū)焦點處達到最高,匯聚區(qū)的高度可認為是粉末流的匯聚焦深。最后,在水平速度的作用下,部分顆粒飛出中心區(qū)域,在匯聚區(qū)下方形成發(fā)散區(qū)。圖5為在相同送粉工藝參數(shù)下的ZrO2粉末流形貌的計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比?？梢钥闯?ZrO2粉末流形貌結(jié)構(gòu)實驗結(jié)果與計算結(jié)果基本一致。與NiCoCrAlY粉末流相似,在同軸噴嘴下方的ZrO2粉末流也明顯地分為過渡區(qū)、匯聚區(qū)和發(fā)散區(qū)。W粉粉末流形貌的計算結(jié)果與實驗對比如圖6所示。與NiCoCrAlY粉末流與ZrO2粉末流相比,W粉粉末流的結(jié)構(gòu)有較大不同,其粉末流的匯聚區(qū)范圍較大,不存在明顯的發(fā)散區(qū),這與W粉粉末流受氣流場影響較大有關(guān)。粉末性質(zhì)與氣流場影響之間的關(guān)系將在下一節(jié)詳細討論。從對比圖中也可以看出,W粉末流形貌的計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較吻合。利用同軸送粉模型計算出的3種典型粉末的粉末流,在粉末流的形貌、匯聚位置和濃度分布的趨勢上與實驗結(jié)果基本一致,說明了該模型對計算不同粉末性質(zhì)的粉末流具備一定的可靠性。3.2截面氣流速度場對于特定的粉末,其顆粒飛行軌跡主要取決于在同軸噴嘴中與粉末環(huán)腔的碰撞作用、重力場與氣流場。不同性質(zhì)的粉末,受這三者的影響程度不同,粉末流的匯聚也會表現(xiàn)出明顯的不同。下面以NiCoCrAlY粉末為例,研究粉末粒徑、形狀、密度和恢復(fù)系數(shù)等性質(zhì)對粉末流匯聚作用的影響。在內(nèi)環(huán)保護氣流量、載粉氣流量和外環(huán)保護氣流量分別為8.5L/min、3L/min、4L/min情況下,送粉噴嘴下方縱截面氣流速度場如圖7所示。從氣流速度場可以看出,在三路氣體的共同作用下噴嘴下方產(chǎn)生一個錐形的強氣流區(qū)域,這個區(qū)域的大小主要由內(nèi)環(huán)保護氣流速控制。當噴嘴下方存在基體時,強氣流有效抑制了粉末顆粒碰撞基體后的向上反彈作用,防止反彈后的熔融顆粒粘結(jié)在噴嘴出口造成堵粉現(xiàn)象。另外,強氣流對粉末流的匯聚具有重要影響。一方面,粉末顆粒進入強氣流區(qū)域匯聚,必須具備一定的速度和慣性;另一方面,強氣流區(qū)域內(nèi)的粉末顆粒在氣流與重力的作用下向下的速度迅速增大,有利于形成一定的匯聚焦深。3.2.1粉末聚合式粒徑和粒徑分布的變化NiCoCrAlY粉末粒徑分別在100目(150～180μm)、140目(106～150μm)、200目(75～106μm)、270目(53～75μm)、325目(45～53μm)時,噴嘴下方粉末濃度分布如圖8所示。圖8(a)是在不同目數(shù)下粉末沿噴嘴出口中心軸線的濃度分布,粉末匯聚焦距在100目時為8mm,在325目時為13mm,粉末匯聚焦距隨著粉末粒徑的減小有增大的趨勢,這是因為粉末的粒徑小,則相應(yīng)的慣性小,受氣流場分布的影響就越大,其進入錐形強氣流區(qū)域的位置也就靠下,因而其匯聚焦距變大。在100目、140目、270目時的粉末匯聚濃度相差不大,分布也近似,其中100目的粉末其分布呈現(xiàn)出明顯的雙峰特征,其第一個峰主要是由一部分較大粒徑的粉末沿環(huán)腔錐角的延線匯聚于噴嘴下方而形成的。圖8(b)是不同目數(shù)下在其匯聚平面上水平方向的粉末濃度分布,從圖中可以看出,匯聚平面水平方向上的粉末濃度分布具有相似的趨勢,距噴嘴中心線距離增大則粉末濃度逐漸減低。隨著粉末粒徑的減小,在半徑2mm的范圍內(nèi)其分布越趨于高斯分布。在270目的粉末匯聚濃度最大,粉末焦距為8.4mm,并具有合適的匯聚焦深,說明在當前送粉工藝條件下,對270目的NiCoCrAlY粉末匯聚效果最好。3.2.2形態(tài)系數(shù)和聚合焦距的變化在其他條件不變的情況下,不同粉末形狀系數(shù)下的粉末匯聚濃度和匯聚焦距的變化如圖9所示,可見同軸噴嘴下的粉末流匯聚特性對粉末的形狀比較敏感。隨著粉末顆粒形狀從非球形向完全規(guī)則球形變化的過程中,粉末流匯聚濃度呈逐漸上升的趨勢,尤其在形狀系數(shù)在0.3～0.5之間的上升趨勢最為明顯;而粉末流的匯聚焦距則從16.0mm呈雙曲線型下降到7.4mm。粉末形狀對粉末流的匯聚作用的影響主要體現(xiàn)在對拽力的影響上,粉末形狀越不規(guī)則,其顆粒表面越復(fù)雜,單位質(zhì)量粉末受到氣流場的拽力也就越大,即粉末顆粒受到氣流場的帶動作用越大,其飛行軌跡就越趨近于氣流場的跡線。由于在圖7所示的氣流場下,中路強氣流的作用使載粉氣流的跡線并不匯聚于噴嘴中心,所以粉末顆粒形狀越不規(guī)則,其匯聚焦點距離噴嘴就越遠,匯聚濃度也越小。根據(jù)以上分析,對于形狀不規(guī)則的粉末,可以通過降低中路保護氣流量和提高載粉氣流量的方式來改善粉末流的匯聚特性。3.2.3同軸噴嘴密度對聚合反應(yīng)的影響粉末密度對粉末匯聚濃度與匯聚焦距的影響如圖10所示。隨著粉末密度的增加,粉末流匯聚濃度逐漸上升,并且上升趨勢逐漸趨緩。粉末匯聚焦距則隨著粉末密度的增加而減小。這是因為粉末流在從同軸噴嘴的粉末環(huán)腔噴出后,密度越大,因而慣性大,粉末顆粒沿環(huán)腔錐角方向飛行的能力越強。根據(jù)同軸噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如表1所示),環(huán)腔錐角沿線的交點在噴嘴下方6.8mm處。所以隨著密度增大到14500kg/m3,粉末匯聚焦點沿噴嘴軸線逐漸上移到距離噴嘴9.9mm處。同時,在單位時間內(nèi)進入強氣流區(qū)域匯聚的顆粒數(shù)目增多,所以匯聚濃度也升高。但密度大的粉末顆粒,中路強氣流對其形成匯聚焦深的作用也就越小,粉末顆粒飛行至會聚區(qū)后很快沿原方向飛出,進入發(fā)散區(qū)。這是粉末匯聚濃度增長趨勢減緩的原因。3.2.4粉末蛋白特性的變化粉末恢復(fù)系數(shù)分別為0.91、0.95、0.99的情況下,粉末濃度分布情況如圖11所示。不同恢復(fù)系數(shù)下的粉末匯聚特性有很大差異,在彈性系數(shù)為0.91時粉末流的匯聚濃度是彈性系數(shù)為0.99的2倍,粉末匯聚焦距也從7.4mm減小到4.5mm,顯然彈性系數(shù)較小的粉末其匯聚特性更好。圖12顯示了彈性系數(shù)為0.91與0.99的兩種