冷噴涂Cu 基復合材料傳熱加速行為模擬

張夢清，喬玉林 ，張仲，張偉，于鶴龍

（1.陸軍裝甲兵學院 再制造技術重點實驗室，北京 100072；2.京津冀再制造產業技術研究院，河北 滄州 061000）

冷噴涂技術是在低于材料熔點的溫度下加熱粒子，并利用高壓送粉氣流將噴涂微粒加速后以塑性變形的方式沉積在基材上的噴涂技術。與傳統熱噴涂技術相比，冷噴涂技術具有溫度低、氧化少、沉積率高、對基材熱影響小等優點，特別適用于銅基材料的噴涂成型。近年來，利用冷噴涂技術制備Cu 基涂層一直是相關領域的研究熱點。受材料固有理化特性的影響，噴涂微粒必須達到一定速度后，才能在基板上形成有效沉積。另外噴涂時，噴槍與基材間距及噴槍尺寸等參數，均會對噴涂層沉積效果產生影響。為掌握冷噴涂過程中粒子加熱加速行為、減少試驗過程的工作量，本文采用數值模擬的方式對噴涂微粒在噴涂中的傳熱加速過程進行仿真分析。

1 仿真模型與邊界設定

仿真工具采用ANSYS/CFX，噴槍的模型如圖1 所示。

圖1 噴槍模型網格劃分

湍流控制方程為：

其中，k 為湍流脈動動能，ε 為湍流耗散率，Gk 為由平均速度梯度引起的湍流動能k 的產生項，YM為湍流的總量， Rε為湍流耗散率的應變量，G1ε=1.42，G2ε=1.68。

粒子加熱行為公式：

Tp 為離散相粒子溫度，Tg 為連續相氣流溫度，Ap 為離散相粒子表面積，cp為離散相粒子比熱容，熱交換系數h 可由Ranz-Marshall 經驗公式計算得出。

冷噴涂粉末為商用Cu 基復合粉末，粉 末 成 分 為Cu= 81.99%，Ti=14.64%，B4C=3.37%，粒度為325 目。基體采用未經任何熱處理的紫銅。模擬輸入參數包括：送分氣體壓力2.3MPa，加熱溫度400℃，摩爾質量60.38，密度8.1kg/m3，比熱容424.9（J/kg/K）。

2 冷噴涂過程模擬結果

圖2 為分別為冷噴涂焰流及粒子射流的速度場與噴槍軸線上的速度云圖。由圖2 可以看出，噴涂微粒的集中性非常好，焰流類似于錐形。其中噴槍內氣流速度較低，在噴槍管口處有明顯的加速，氣流速度在出口約15mm 處達到最大值，約為900m/s，而后氣流的速度開始下降。

圖2 冷噴涂焰流速度云圖及噴槍軸線上速度的分布曲線

圖3 分別為冷噴涂焰流的溫度場與噴槍軸線上的溫度云圖。由圖3 可以看出，噴涂焰流的溫度分布與速度分布趨勢明顯不同，整體而言，噴槍內的溫度高，速度低，噴槍外速度高，溫度低。這是由于噴涂微粒在噴槍內經過加熱，而在噴槍口經過束縛-擴張加速而導致。槍內焰流的最高溫度約為700K，出槍后，焰流的溫度明顯下降，并在距離噴槍口約16mm 處降至最低，為250K。

圖3 冷噴涂焰流溫度云圖及噴槍軸線上焰流的溫度分布曲線

圖4 為不同粒徑的微粒速度與溫度沿軸線變化情況。可以看出，隨著微粒粒徑的增大，粒子整體速度減小，溫度降低。這是因為隨著粒徑的增大，粒子的質量變大，加速行為變慢，因此，速度隨粒徑增大而減小。同樣，粒徑小的微粒，其受熱面占總面積的相對值大，因此在加熱時升溫快、溫度高，反之粒徑大的微粒，其受熱面占總面積的相對值小，因此升溫速度低、升溫慢。出槍后，粒子失去加熱過程，因此，溫度開始緩慢減小，其降溫過程同樣存在明顯的隨粒徑增大而降低的尺寸效應。

圖4 不同粒徑的粉末粒子速度與溫度沿軸線變化

3 結語

（1）采用ANSYS/CFX 對冷噴涂Cu 基復合涂層微粒的傳熱、加速特性進行了數值仿真，建立了科學合理的仿真模型，可以對后續噴涂工藝參數的選擇優化起到促進作用。

（2）仿真結果表明，噴槍內焰流速度在出槍后呈明顯上升趨勢，焰流最大速度為900m/s，距槍口約15mm。焰流溫度在槍內最高，出槍后緩慢下降，溫度范圍為750 ～200K。

（3）隨著粒徑的增大，噴涂微粒的整體速度減小，溫度降低，具有明顯的尺寸效應。