靜電霧化噴射成形裝置設計及流場模擬

曲迎東，王 輝，李榮德，白彥華

（沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110178）

靜電霧化噴射成形裝置設計及流場模擬

曲迎東，王 輝，李榮德，白彥華

（沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110178）

噴射成形是快速凝固技術的重要發展方向之一，近年來，靜電霧化技術應用到噴射成形過程中，使該技術更加完善，而靜電霧化噴射成形裝置是該技術的關鍵技術。本文設計了靜電霧化裝置，并對噴射成形工藝中靜電作用下氣體流場進行了模擬，結果表明，靜電作用改善了霧化效果，提高了噴射成形產品的質量。

靜電霧化；噴射成形；靜電霧化裝置；模擬

噴射成形（Spray Forming）技術，也稱為噴射鑄造（Spray casting）技術，是20世紀60年代以來，工業發達國家在傳統快速凝固/粉末冶金（RS/PM）工藝基礎上，發展起來的一種全新的先進材料制備與成形技術[1]。噴射成形技術近年來獲得極其迅速的發展，這是由于噴射成形是一種快速凝固技術，快凝可使金屬的組織細化并消除宏觀偏析，從而大幅度地提高金屬和合金的性能。液體霧化是利用外界干擾引起的液體表面不穩定，導致分裂、細化而形成霧滴。霧化過程實際是氣體-液滴的兩相流動問題[2]。靜電霧化（electrostatic spray）是電流體力克服液體表面張力，導致液體破碎成細小霧滴的過程[3]。液體靜電霧化現象最先由Bose于1745年在實驗報告中提出[4]，被廣泛應用于靜電噴漆、靜電除塵、液體燃料靜電霧化、金屬均勻液滴束流技術等方面。靜電霧化技術具有使液滴細化、均勻，防止液滴飛濺等特點，能有效地改善霧化的質量，提高噴射成形產品的質量。近年來，靜電霧化技術應用到了噴射成形技術中，而靜電霧化裝置的設計是其關鍵技術。所以本文對靜電霧化噴射成形裝置進行設計，從而實現靜電霧化技術在噴射成形過程中的應用。

1 靜電霧化噴射成形裝置的整體設計

噴射成形技術最突出的技術創新點在于，把液態金屬的霧化和霧化熔滴的沉積自然地結合起來，在一步冶金操作中完成。它以最少的工序，直接從液態金屬制取具有快速凝固組織特征、整體致密、接近零件實際形狀的高性能材料。通過改變溶滴射流與沉積器的相對位置和沉積器的運動形式，可以得到盤（柱）、管（環）、板（帶）等不同形狀的半成品坯件。因而也是一種比較經濟的先進制坯工藝技術[5]。其中霧化質量是影響噴射成形產品質量的重要因素之一。本文旨在設計一個靜電霧化裝置，將靜電場引入到氣體霧化過程中，實現靜電霧化，從而改善霧化的效果。圖1為金屬液霧化裝置的示意圖，圖中所采用的電源為直流電源，電壓范圍在0～300V之間可調。該實驗裝置是在氣體霧化的基礎上，加入了直流電源，正極通過金屬棒與金屬液相連，負極直接與石墨墊片相連，形成一個電容，對該區域的金屬液進行荷電，從而對金屬液進行霧化。

2 靜電霧化噴射成形裝置結構設計

2.1 加電裝置充電方式的選擇

在靜電噴霧中，一般通過三種方式使霧滴帶電，即電暈充電、感應充電和接觸充電。本設計方案采用感應充電為主、接觸充電為輔的充電方式，即電源的一極通過電極棒與金屬液接觸，使其帶負電，另一極與石墨墊片接觸，使其帶正電，從而形成一個電容，對內部的液滴進行感應荷電。接觸充電的效果比較好，但是絕緣性不好處理。本文主要是采用絕緣陶瓷噴涂在坩堝和霧化器底面，從而形成一個絕緣層，起到絕緣的目的。

2.2 加電裝置電源的選擇

電源的選擇是加電裝置設計的一個重要方面之一，如圖2為本文選擇的電源的原理圖。該電源裝置主要包括電壓范圍在0～300V的調壓器、整流橋、電解電容和電容、電流表、電壓表。整流橋的作用是將220V的交流電源變為直流電源，調壓器的作用是對直流電源的電壓范圍進行調節和控制，以便在實驗過程中得到確定的直流電壓值，電解電容和電容的作用是濾波。

由于該設計包括氣體霧化和靜電霧化兩個方面，所以選擇電壓在0～300V的可調直流電源。在200～300V的電壓作用下，金屬液滴下落過程中就形成電場，帶有負電荷的金屬液流受到氣霧化的作用，打散成一系列的小液滴，在通常情況下，小液滴有快速的打散—碰撞—聚合—打散—碰撞—聚合等一系列的復雜運動，而此時，霧化后的小液滴全部帶有負電荷，在電場作用下，由于電荷的表面效應，使得傳統的霧化后聚合速度要高于細化速度的趨勢得以改變，均勻的電荷僅分布于球體的外表面，獨特的電場效果，使得各個金屬液滴之間互相排斥，避免了液滴在下落過程中的聚合，液滴在下落過程中以異質成核方式成核并凝固[7]。

3 靜電霧化噴射成形裝置的氣體流場模擬

圖 3（a）、（b）兩圖分別為壓強為 1MPa、電壓為0V和壓強為1MPa、電壓為200V時氣體流場的速度分布圖。由（a）、（b）兩圖可以看出，當沒有加入電場時，霧化區域的速度為300m/s；當加入200V電壓時，霧化區域的速度為700m/s。霧化區域的速度得到了明顯的提高，而且加電后的速度場更加穩定，集中。

圖 4（a）、（b）兩條曲線分別為電壓為 200V、距離噴嘴為15mm和電壓為200V、距離噴嘴為30mm的徑向速度分布曲線圖。從整個曲線來看，基本呈現一個近似于M的形狀。這主要是因為在通入1MPa氣壓以后，由于氣體的作用，形成一個較快的速度。從a、b兩圖中對比可以看出，距離噴嘴越近，速度越快。這主要是噴嘴附近電壓比較大造成的。

4 結論

本文重點介紹了靜電霧化噴射成形裝置的設計，并對加電和不加電的情況下的氣體流場進行了模擬。得到如下結論：

（1）選取了適用于靜電霧化裝置的充電方式，該充電方式以感應充電為主，接觸充電為輔。該充電方式能使金屬液更好的荷電，達到更好的霧化效果。

（2）設計了適用于靜電霧化裝置的可調電源，該電源主要包括電壓范圍在0～300V的調壓器、整流橋、電解電容和電容、電流表、電壓表，為靜電霧化設備提供0～300V的可調直流電源。

（3）通過對氣體流場的模擬可知，加入電場以后，霧化區域的速度由300m/s提高到了700m/s，軸向的壓強分布更加均勻、集中，有利于減少了液滴的飛濺，有效地改善霧化效果，可提高霧化質量。

[1]高娃，孫廷富.噴射成形技術的應用及產業化發展趨勢[J].兵器材料科學與工程，2002，25（3）:67-69.

[2]王貞濤，聞建龍，陳燕，等.靜電霧化理論及應用技術研究進展[J].排灌機械，2004，22（6）：41-44.

[3]吳有金，吳亞雷，許曉慧，等.PZT溶膠液靜電霧化霧場模擬[J].中國科學技術大學學報，2006，36（7）:755-760.

[4]Bose G.M.Philos.Trans.R.Soc.London，1748;45:187.

[5]王軍，嚴彪，徐政.噴射成形技術的發展應用[J].上海有色金屬，2002，23（3）：133-138.

[6]金晗輝，王軍鋒，王澤，等.靜電噴霧研究與應用綜述[J].江蘇理工大學學報，1995，25（3）：16-19.

[7]梁榮，黨新安.一種新型的微細金屬粉末氣霧化噴嘴的設計[J].硬質合金，2006，23（3）：172-174.

Design of Spray Forming Device of Electrostatic Atomization and Gas flow Field Simulation

QU YingDong，WANG Hui，LI RongDe，BAI YanHua
（Dept.of Material Science and Engineering Shenyang University of Technology，Shenyang 110178，Liaoning China）

Spray forming technology is one of the major development directions of rapid prototyping technology.In recent years，the application of electrostatic atomization in spray forming makes the technology more perfect.Spray forming device of electrostatic atomization is a key technology of spray forming technology.One has been designed and electrostatic interaction on gas flow field in spray forming been simulated resulting in that the effect of atomization improved by electrostatic interaction hence the quality of atomization increased.

Electrostatic Atomization；Spray Forming；Device of electrostatic atomization；Simulation

TG249.9;

A；

1006－9658（2010）02－3

國家自然科學基金（50605045），遼寧省創新團隊項目（2007T131），沈陽市科技項目（1081229-1-00）

2009－10－22

2009－139

曲迎東（1975－），男，副教授，博士，主要從事計算機視覺、智能控制等方面的研究