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直流等离子喷涂多场耦合射流特性和飞行颗粒行为研究

直流等离子喷涂；数值模拟；射流特性；颗粒行为；

等离子喷涂是采用等离子电弧作为热源，将陶瓷、金属材料加热到熔融状态，并以高速喷向工件表面而形成涂层的热喷涂方法。等离子喷涂工艺中，提高涂层质量关键因素是粉末颗粒能得到适当的加热到完全熔化与获得一定的速度，这取决于等离子射流速度和温度的分布特性及颗粒和流场的相互作用，因此研究和控制粉末颗粒的运动轨迹与加热加速历程，对获得性能良好的涂层有着十分重要的意义。由于涉及复杂物理化学过程以及多场耦合特性，包括等离子射流的生成，高温高速等离子体的湍流流动，射流与喷涂颗粒之间的传热、传质及动量传递等。而喷枪内流场、电磁场的多场耦合特性加上高温高速的射流与周围大气发生一系列复杂的交互作用，使得实验手段测量变得困难且昂贵。因此，数值模拟方法成为研究喷枪内等离子射流特性和飞行颗粒行为的重要手段

本文基于局域热力学平衡假设，建立了Ar-H2直流等离子射流以及颗粒-射流相互作用三维整体模型，通过电磁、热、气体动力学等多物理场耦合数值计算，模拟喷涂过程中等离子射流特性分布以及飞行颗粒的行为。经过计算，选定氩气氢气体积比7:3的混合气体作为工作气体，研究了电流强度、气体流率等不同的工艺参数，对等离子射流的温度和速度分布以及对飞行颗粒的温度、速度和运动轨迹等行为的影响。

计算结果显示，随着电流强度增大，出口截面的高温区和高速区略有扩大，等离子射流的整体温度和速度也随之升高，电流强度为600A时的最高温度比400A时增大约1000K，最大速度增加约18.4%，这导致在射流作用下的飞行颗粒流温度和速度也随之增加。在实际喷涂中，需要适当提高电流强度以至满足喷涂区域的颗粒温度达到熔点温度，同时保证颗粒具有一定的飞行速度。

随着气体流率增加，等离子射流表现为相对较低的温度和相对较高的速度，气体流率对射流速度的影响比其对温度的影响更为显著。当气体体积流率由30 L/min增加到42 L/min时，喷枪出口温度降低约6%，中心线射流速度增加约20.2%。射流温度较低，提供给颗粒的热量较低，同时颗粒速度大，在等离子射流中的加热时间变短，因此应适当降低气体流率来保证颗粒达到充足的温度。但随着气体流率继续降低，由于射流速度降低，颗粒流的速度出现减小的趋势，反而影响涂层的沉积。