真空冷喷涂气固两相流数值分析

作     者：金耀辉 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘传绍

授予年度：2012年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：真空冷喷涂 气固两相流 颗粒撞击速度 环境压力 数值分析 

摘      要：在冷喷涂过程中，颗粒撞击速度是影响颗粒沉积的关键因素，但受基板前激波影响，传统冷喷涂（常压环境）工艺中亚微米颗粒很难实现有效沉积或沉积效率很低。针对这一问题，本文结合传统冷喷涂原理及亚微米颗粒在高速气流中的加速行为，对真空环境下影响亚微米颗粒撞击速度的因素进行了探讨与研究。具体而言，主要开展了如下研究： 采用数值分析的方法研究了喷涂距离、颗粒直径及密度等参数对常压环境下颗粒撞击速度的影响。结果表明：以临界沉积速度500m/s为依据，以Air为加速气体，在入口压力、温度为33.67atm、600K，喷涂距离为25mm的条件下Cu颗粒最佳尺寸范围为0.8～15μm。 针对真空环境下影响亚微米颗粒撞击速度的环境压力（喷涂室内压力）、喷涂距离和温度等主要参数展开研究。结果表明：环境压力是决定亚微米颗粒撞击速度大小的关键因素。在入口压力、温度为5atm、600K，喷涂距离为25mm的条件下，环境压力由1atm降低到0.1atm的过程中，亚微米颗粒撞击速度逐步提高，进一步降低环境压力，亚微米颗粒撞击速度有小幅度增加。真空环境（入口压力、温度分别为5atm、600K，环境压力为0.1atm，喷涂距离为25mm）下0.2～1μm Cu颗粒撞击速度远大于常压环境（入口压力、温度分别为33.67atm、600K，环境压力为1atm，喷涂距离为25mm）下颗粒撞击速度。增大入口温度在一定程度上提高亚微米颗粒撞击速度。真空环境（入口压力、温度分别为5atm、600K，环境压力为0.1atm，喷涂距离为25mm）下，Cu颗粒最佳尺寸范围为0.4～5μm。 考虑喷管壁面厚度，对真空环境下气体与喷管壁面传热过程进行了模拟，研究了喷管壁面温度分布情况，分析了不同材料喷管下颗粒撞击速度变化原因。结果表明：喷管壁面温度由内向外逐渐降低，温度最高点处于喷管喉部。喷管材料导热率越低，亚微米颗粒撞击速度越高。 本研究成果可为亚微米级涂层的制备提供理论指导。