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摘要：
建立了低温超音速火焰喷涂传热和流动模型，对喷涂过程的焰流和颗粒的运动加热历程进行了模拟分析.研究了三种不同结构的喷枪对焰流速度与温度分布、不同粒径颗粒飞行特性的影响.模拟结果表明，粒径为20 μm的Cu颗粒在撞击基板时能达到临界速度，且温度低于熔点，有利于沉积并减少了颗粒氧化；枪管的扩张率对喷涂颗粒的速度影响不大，而对颗粒温度的影响较大；延长扩张段的长度代替平直枪管有利于在保证颗粒速度的同时提高颗粒的温度.
关键词：
低温超音速火焰喷涂； 喷枪结构； 颗粒飞行特性； 数值模拟
中图分类号：TK 124 文献标志码：A
Influence of torch geometry on particles behavior in the
low-temperature oxygen-fuel spray process
SHEN Cui-hong，SHAN Yan-guang
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，
Shanghai 200093，China）
Abstract：
The Low-Temperature Oxygen-Fuel spray process （LTOF） is a modification of High-Velocity Oxygen-Fuel （HVOF）.In this paper，a two-dimensional mathematical model was established to simulate the heat and momentum transfer between the supersonic flow and particles in LTOF.Three nozzles of different type were studied and the effects of nozzle structure on the temperature field and velocity distribution of the gas were investigated.In addition，the velocity and temperature of copper particles were acquired.The simulation results showed that Cu particles of 20 μm diameter can reach the critical velocity when they hit the substrate and their temperature is lower than the melting point，which is beneficial for forming high-quality coating.The nozzle expansion rate has little effect on the particle velocity，but it has a great influence on the particle temperature.Increasing the length of nozzle expansion can increase the particle temperature.
Key words：
low-temperature oxygen-fuel spray； torch geometry； particle behavior； numerical simulation
传统超音速火焰喷涂（High Velocity Oxygen-Fuel spraying，HVOF）焰流温度在3 000 K以上.喷涂颗粒在沉积时通常已处于熔融或者半熔融状态.这种方式制备的涂层结合强度高、致密，涂层性能优越，但是在很多情况下高温的焰流可能造成喷涂材料的氧化、相变或其它化学反应，同时高温也可能对喷涂基体造成损伤[1]，不适合喷涂容易氧化和相变敏感性材料（Cu、Ti及其合金），且熔融颗粒容易堵塞喷枪，易对超音速火焰喷涂设备造成影响.在20世纪80年代，Papyrin等提出了冷喷涂（Cold Spray）的概念.这种喷涂技术依赖高速气流携带的动能，沉积时喷涂颗粒保持固体状态，粒子以纯塑性变形沉积形成涂层，对颗粒的速度（500～1 200 m·s-1）要求很高，工作气体的预热温度一般低于600℃，涂层孔隙率大，与基板的结合强度不高[2].以上两种喷涂技术均存在缺点，因此低温超音速火焰喷涂（Low-Temperature Oxygen-Fuel，LTOF）成为目前热喷涂领域一个新的研究热点.
LTOF是指工作气体温度介于传统超音速火焰喷涂与冷喷涂之间（1 000～2 500 K），但气流速度同时具备超音速特性的一种喷涂方法[3].它的工作原理是将燃料与助燃气体在燃烧室内燃烧产生的高温高压的焰流，在混合室内与适量掺混气体混合，通过Laval喷嘴将混合气流加速到超音速状态，然后通过枪管喷射入大气环境.在此过程中喷涂颗粒与混合气体进行换热，升温加速，最后以固态或者半熔融状态沉积到基板表面形成涂层[4-5].近年来，对低温超音速火焰喷涂过程中气流传热和流动、喷涂颗粒的飞行和沉积行为以及涂层微观结构及性能方面的研究取得了重要进展[6-8]，而喷枪结构对焰流及喷涂颗粒影响的研究较少.实际上，气流的运动状态在很大程度上影响喷涂过程中颗粒的运动和加热历程，而颗粒在沉积前的状态（速度、温度、氧化程度、软化程度及是否相变等）是影响涂层质量的重要因素.因此，本文应用低温超音速火焰喷涂过程气固两相传热和流动模型，对不同喷枪结构情况下喷涂过程的焰流和颗粒的运动加热历程进行模拟分析，预测了不同操作参数（颗粒粒径、枪管尺寸）焰流的速度、温度分布及喷涂颗粒的运动与加热历程.研究结果对于改进低温超音速火焰喷涂喷枪结构有一定参考价值. 1 数学物理模型
低温超音速火焰喷涂系统包括燃烧室、混合室、Laval喷嘴、平直枪管和射流区域五个部分，如图1所示.
为简化模型，作如下假设：（1）整个过程中气体按理想气体处理，遵循理想气体状态方程，比热容（比定压热容和比定容热容的比值）为常数；（2）枪管内壁面采用无滑移速度边界条件和常壁温温度边界条件；（3）由于焰流在Laval喷嘴和平直枪管中停留的时间很短，故可认为焰流在其中流动的过程中燃烧产物保持不变[9]；（4）甲烷与氧气完全燃烧，不考虑涉及任何中间产物及中间反应[10]；（5）假设喷涂颗粒为球形，受热均匀，颗粒内部不存在温度梯度，颗粒在喷涂过程中不变形，颗粒之间不发生碰撞；（6）在未喷入颗粒前整个过程流动和传热按二维轴对称问题处理，喷入颗粒后按二维问题处理.
对单相可压缩气体的流动，考虑气体的粘性影响，忽略重力作用.控制方程包括质量、动量、能量守恒方程，通用形式为
式中，dp为颗粒粒径；CD为阻力系数[12]；υp为颗粒速度；Tp为颗粒温度；ρp为颗粒密度；ρg为焰流密度；υ为焰流速度；Tg为焰流温度；mp为颗粒质量；Cp为颗粒比定热容；Ap为颗粒的表面积；Tm为喷涂颗粒的熔点；θm为熔化质量比，0≤θ≤1；Lm为粒子相的熔化焓；Nu为努谢尔数；h为表面对流传热系数；k为传热系数；Rep为雷诺数；Pr为普朗特数.
2 模拟过程
2.1 边界条件
采用甲烷为燃料，氧气作为助燃气体，氮气作为掺混冷却气体.对于甲烷、氧气与氮气的入口，选择质量入口边界条件，初始温度为300 K.出口处选择压力出口边界条件，出口压力为101.325 kPa，温度为300 K.枪管、燃烧室、混合室壁面采用恒壁温边界条件，温度为300 K.喷涂基板温度为500 K.喷涂材料为Cu颗粒，粒径范围为1～50 μm，温度为300 K，采用轴向喷入方式，入射速度为20 m·s-1.
2.2 网格划分
计算区域网格的划分采用四边形结构网格.图2给出了燃烧室与平直枪管出口处的网格图.在网格生成过程中考虑到计算精度，对于参数变化梯度大的气体入口、Laval喷嘴喉部及喷嘴出口处网格划分密度较大，以保证计算精度，更好地模拟喷枪内的流动和传热过程及捕捉喷枪出口处的马赫锥，其它部分适当减少网格密度，相应地减少计算对内存的要求.
2.3 数值模拟方法
采用有限体积法对模型进行数值求解，用Simple算法处理压力和速度之间的耦合.燃烧过程运用一步燃烧机理[10]，并采用涡耗散模型计算甲烷和氧气的预混燃烧的反应速率.由于喷涂颗粒的体积分数小于整个流体体积的4%，所以采用单向耦合方法.
3 计算结果分析
3.1 模型可靠性分析为了验证模型的可靠性，将模拟结果与文献[13]中相同条件下的实验结果进行了比较.文献[13]中实验测量的Laval喷嘴喉部直径为2 mm，出口截面为2 mm×10 mm的矩形截面，采用铜粉作为喷涂颗粒，温度为300 K，以25 m·s-1的速度从Laval喷嘴入口射入，工作气体为空气，入口温度为800 K，入口压力2.0 MPa.计算结果与实验数据对比如图3所示，模拟结果与实验数据吻合程度较好，证明所建模型合理.
3.2 不同喷枪结构时焰流传热和流动特性
甲烷、氧气、氮气的质量流量分别为0.596 g·s-1、2.380 g·s-1、6.250 g·s-1，喷涂Cu颗粒初始温度为300 K，采用轴向喷入方式，入射速度为20 m·s-1.
表1给出了三个不同结构喷枪（G1、G2、G3）的结构尺寸，其中：Ldiv 为Laval喷嘴渐扩段长度；
图4给出了沿中心轴线方向的焰流温度和速度变化.在G1与G2两种喷枪中的焰流温度沿着流动方向逐渐降低，焰流速度在Laval喷嘴出口处达到最大值，然后沿着流动方向逐渐降低.由于在Laval喷嘴出口处膨胀波的影响，焰流温度和速度出现了小幅波动.G3中由于没有平直枪管，焰流在喷枪中持续膨胀，焰流速度增大而温度降低.当喷枪G1中焰流进入自由射流阶段后，由于焰流压力高于环境压力，处于欠膨胀状态，形成了马赫波使靠近枪管出口的位置焰流速度与温度都出现了大幅度的波动，而喷枪G2、喷枪G3中的焰流压力接近环境压力，焰流速度与温度的波动不是很明显.射流进入自由空间后，与周围空气介质发生动量、热量及质量交换，并不同程度地带动周围静止空气加速、升温，使气流本身的温度和速度降低.
比较图4中三种情况下温度与速度曲线，可以看出不管是增大扩张率还是用Laval扩张段的长度代替平直枪管，对焰流温度的影响很小，但是对焰流速度有显著影响.
3.3 不同颗粒尺寸时粒子的加热和运动特性
图5为G1条件下，不同粒径的Cu颗粒速度和温度变化.不同粒径的喷涂粒子在喷枪中运动时速度和温度都增加，但是在自由射流阶段，小尺寸颗粒的速度和温度随着气流温度和速度的衰减而降低，而大尺寸颗粒温度和速度曲线趋于平坦.这是因为大尺寸颗粒的动量惯性和热量惯性较大，速度和温度改变比小尺寸颗粒要困难.小尺寸颗粒在热喷涂过程中容易获得较高的速度和温度，但是其对气流的跟随性太强，在枪管出口处颗粒温度与速度都出现了波动.由于气流在自由射流阶段湍流特性明显，焰流除了沿中心轴线方向存在轴向速度外，还具有径向速度，而小尺寸颗粒可能获得较大径向速度而飞离自由射流核心区域，不能达到基板.这也说明尺寸过小的颗粒不适合用于热喷涂.粒径为20 μm的Cu颗粒在撞击基板时的速度达到了其临界速度（570 m·s-1）[14]，且温度低于熔点，有利于沉积并减少颗粒氧化.粒径过大（大于40 μm）的颗粒在热喷涂过程中升温和加速的过程都比小尺寸颗粒慢，当其撞击基板时粒子速度低于其临界速度，不能有效地沉积于基板表面形成涂层，而且会对基体产生“喷丸”或冲蚀作用[1]，因此尺寸过大的颗粒也不适用于热喷涂. 3.4 不同喷枪结构时颗粒的加热和运动特性
图6为三种不同喷枪条件下20 μm Cu颗粒沿中心轴线方向速度和温度变化曲线.颗粒速度受枪管尺寸的影响很小，而温度变化较大.这是因为颗粒的速度与焰流的速度与密度有关，随着焰流速度的增大而增大，随着焰流密度的减小而降低.虽然G2的扩张率比G1大，喷枪G2有利于增大焰流的速度，但是由于焰流的质量流量是不变的，焰流的速度增大必然导致密度的降低，所以枪管扩张率的变化对颗粒速度的影响不是很明显.颗粒温度与焰流的密度有关，密度越大与颗粒的换热效率越高.喷枪G2的扩张率大气流密度小，从而导致颗粒温度比其它两种喷枪低.因此，喷枪的扩张率对喷涂颗粒的速度影响不大，而对颗粒温度影响较大.喷枪G3中颗粒的温度大于其它两种喷枪，主要是由于喷枪G3采用延长Laval喷管扩张段代替平直枪管，喷枪G3中焰流的平均速度低于G1与G2中焰流的平均速度，颗粒在焰流中停留的时间长，增大了颗粒与焰流换热的时间.
4 结论
（1） 在喷涂过程中，焰流进入自由射流阶段后，由于焰流的压力高于环境压力，处于欠膨胀状态，形成了马赫波使靠近枪管出口位置焰流的速度与温度出现了大幅度的波动.随后与周围空气介质发生动量、热量或质量交换，使射流本身的温度和速度降低.不管是改变扩枪管张率还是延长Laval扩张段代替平直枪管，对焰流的温度的影响很小，对枪管出口焰流速度影响较大.
（2）小尺寸喷涂颗粒对焰流有很强的跟随性，而大尺寸颗粒热量惯性与动量惯性大，受焰流的影响较小；若颗粒尺寸过大，则撞击基板时没有达到临界速度不能沉积于基板形成涂层；若尺寸过小，则可能飞离自由射流核心区域，而不能达到基板，粒径为20 μm的颗粒在撞击基板时能达到临界速度，且温度低于熔点，有利于沉积并减少颗粒氧化.
（3）在初始条件相同的条件下，颗粒温度与枪管的扩张率有关，随着扩张率的增大而减小，而枪管的扩张率对喷涂颗粒的加速影响不大.增大Laval喷嘴渐扩段长度代替平直枪管，有利于提高颗粒的温度.
参考文献：
[1] 卜恒勇，卢晨.冷喷涂技术的研究现状及进展[J].材料工程，2010 （1）：94-98.
[2] 饶琼，周香林.超音速喷涂技术及其应用[J].热加工工艺，2004（10）：49-52.
[3] KATANODA H，KIRIAKL T，TACHIBANAKL T.Mathematical modeling and experimental validation of the warm spray （two-stage HVOF） process[J].Journal of Thermal Spray Technology，2009，18（5）：401-410.
[4] KAWAKITA J，KURODA S，KREB S.In situdensification of Ti coatings by the warm spray （two-stage HVOF） process[J].Mater Trans，2006，47（7）：1631-1637.
[5] KAWAKITA J，KURODA S，KREBS S.Densetitanium coating by modified HVOF spraying[J].Surf Coat Technol，2006，201（3/4）：1250-1255.
[6] KIM K，WATANABE M，KAWAKITA J.Grainrefinement in a single titanium powder particle impacted at high velocity[J].Scr Mater，2008，59（7）：768-771.
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建立了低温超音速火焰喷涂传热和流动模型，对喷涂过程的焰流和颗粒的运动加热历程进行了模拟分析.研究了三种不同结构的喷枪对焰流速度与温度分布、不同粒径颗粒飞行特性的影响.模拟结果表明，粒径为20 μm的Cu颗粒在撞击基板时能达到临界速度，且温度低于熔点，有利于沉积并减少了颗粒氧化；枪管的扩张率对喷涂颗粒的速度影响不大，而对颗粒温度的影响较大；延长扩张段的长度代替平直枪管有利于在保证颗粒速度的同时提高颗粒的温度.
关键词：
低温超音速火焰喷涂； 喷枪结构； 颗粒飞行特性； 数值模拟
中图分类号：TK 124 文献标志码：A
Influence of torch geometry on particles behavior in the
low-temperature oxygen-fuel spray process
SHEN Cui-hong，SHAN Yan-guang
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，
Shanghai 200093，China）
Abstract：
The Low-Temperature Oxygen-Fuel spray process （LTOF） is a modification of High-Velocity Oxygen-Fuel （HVOF）.In this paper，a two-dimensional mathematical model was established to simulate the heat and momentum transfer between the supersonic flow and particles in LTOF.Three nozzles of different type were studied and the effects of nozzle structure on the temperature field and velocity distribution of the gas were investigated.In addition，the velocity and temperature of copper particles were acquired.The simulation results showed that Cu particles of 20 μm diameter can reach the critical velocity when they hit the substrate and their temperature is lower than the melting point，which is beneficial for forming high-quality coating.The nozzle expansion rate has little effect on the particle velocity，but it has a great influence on the particle temperature.Increasing the length of nozzle expansion can increase the particle temperature.
Key words：
low-temperature oxygen-fuel spray； torch geometry； particle behavior； numerical simulation
传统超音速火焰喷涂（High Velocity Oxygen-Fuel spraying，HVOF）焰流温度在3 000 K以上.喷涂颗粒在沉积时通常已处于熔融或者半熔融状态.这种方式制备的涂层结合强度高、致密，涂层性能优越，但是在很多情况下高温的焰流可能造成喷涂材料的氧化、相变或其它化学反应，同时高温也可能对喷涂基体造成损伤[1]，不适合喷涂容易氧化和相变敏感性材料（Cu、Ti及其合金），且熔融颗粒容易堵塞喷枪，易对超音速火焰喷涂设备造成影响.在20世纪80年代，Papyrin等提出了冷喷涂（Cold Spray）的概念.这种喷涂技术依赖高速气流携带的动能，沉积时喷涂颗粒保持固体状态，粒子以纯塑性变形沉积形成涂层，对颗粒的速度（500～1 200 m·s-1）要求很高，工作气体的预热温度一般低于600℃，涂层孔隙率大，与基板的结合强度不高[2].以上两种喷涂技术均存在缺点，因此低温超音速火焰喷涂（Low-Temperature Oxygen-Fuel，LTOF）成为目前热喷涂领域一个新的研究热点.
LTOF是指工作气体温度介于传统超音速火焰喷涂与冷喷涂之间（1 000～2 500 K），但气流速度同时具备超音速特性的一种喷涂方法[3].它的工作原理是将燃料与助燃气体在燃烧室内燃烧产生的高温高压的焰流，在混合室内与适量掺混气体混合，通过Laval喷嘴将混合气流加速到超音速状态，然后通过枪管喷射入大气环境.在此过程中喷涂颗粒与混合气体进行换热，升温加速，最后以固态或者半熔融状态沉积到基板表面形成涂层[4-5].近年来，对低温超音速火焰喷涂过程中气流传热和流动、喷涂颗粒的飞行和沉积行为以及涂层微观结构及性能方面的研究取得了重要进展[6-8]，而喷枪结构对焰流及喷涂颗粒影响的研究较少.实际上，气流的运动状态在很大程度上影响喷涂过程中颗粒的运动和加热历程，而颗粒在沉积前的状态（速度、温度、氧化程度、软化程度及是否相变等）是影响涂层质量的重要因素.因此，本文应用低温超音速火焰喷涂过程气固两相传热和流动模型，对不同喷枪结构情况下喷涂过程的焰流和颗粒的运动加热历程进行模拟分析，预测了不同操作参数（颗粒粒径、枪管尺寸）焰流的速度、温度分布及喷涂颗粒的运动与加热历程.研究结果对于改进低温超音速火焰喷涂喷枪结构有一定参考价值. 1 数学物理模型
低温超音速火焰喷涂系统包括燃烧室、混合室、Laval喷嘴、平直枪管和射流区域五个部分，如图1所示.
为简化模型，作如下假设：（1）整个过程中气体按理想气体处理，遵循理想气体状态方程，比热容（比定压热容和比定容热容的比值）为常数；（2）枪管内壁面采用无滑移速度边界条件和常壁温温度边界条件；（3）由于焰流在Laval喷嘴和平直枪管中停留的时间很短，故可认为焰流在其中流动的过程中燃烧产物保持不变[9]；（4）甲烷与氧气完全燃烧，不考虑涉及任何中间产物及中间反应[10]；（5）假设喷涂颗粒为球形，受热均匀，颗粒内部不存在温度梯度，颗粒在喷涂过程中不变形，颗粒之间不发生碰撞；（6）在未喷入颗粒前整个过程流动和传热按二维轴对称问题处理，喷入颗粒后按二维问题处理.
对单相可压缩气体的流动，考虑气体的粘性影响，忽略重力作用.控制方程包括质量、动量、能量守恒方程，通用形式为
式中，dp为颗粒粒径；CD为阻力系数[12]；υp为颗粒速度；Tp为颗粒温度；ρp为颗粒密度；ρg为焰流密度；υ为焰流速度；Tg为焰流温度；mp为颗粒质量；Cp为颗粒比定热容；Ap为颗粒的表面积；Tm为喷涂颗粒的熔点；θm为熔化质量比，0≤θ≤1；Lm为粒子相的熔化焓；Nu为努谢尔数；h为表面对流传热系数；k为传热系数；Rep为雷诺数；Pr为普朗特数.
2 模拟过程
2.1 边界条件
采用甲烷为燃料，氧气作为助燃气体，氮气作为掺混冷却气体.对于甲烷、氧气与氮气的入口，选择质量入口边界条件，初始温度为300 K.出口处选择压力出口边界条件，出口压力为101.325 kPa，温度为300 K.枪管、燃烧室、混合室壁面采用恒壁温边界条件，温度为300 K.喷涂基板温度为500 K.喷涂材料为Cu颗粒，粒径范围为1～50 μm，温度为300 K，采用轴向喷入方式，入射速度为20 m·s-1.
2.2 网格划分
计算区域网格的划分采用四边形结构网格.图2给出了燃烧室与平直枪管出口处的网格图.在网格生成过程中考虑到计算精度，对于参数变化梯度大的气体入口、Laval喷嘴喉部及喷嘴出口处网格划分密度较大，以保证计算精度，更好地模拟喷枪内的流动和传热过程及捕捉喷枪出口处的马赫锥，其它部分适当减少网格密度，相应地减少计算对内存的要求.
2.3 数值模拟方法
采用有限体积法对模型进行数值求解，用Simple算法处理压力和速度之间的耦合.燃烧过程运用一步燃烧机理[10]，并采用涡耗散模型计算甲烷和氧气的预混燃烧的反应速率.由于喷涂颗粒的体积分数小于整个流体体积的4%，所以采用单向耦合方法.
3 计算结果分析
3.1 模型可靠性分析为了验证模型的可靠性，将模拟结果与文献[13]中相同条件下的实验结果进行了比较.文献[13]中实验测量的Laval喷嘴喉部直径为2 mm，出口截面为2 mm×10 mm的矩形截面，采用铜粉作为喷涂颗粒，温度为300 K，以25 m·s-1的速度从Laval喷嘴入口射入，工作气体为空气，入口温度为800 K，入口压力2.0 MPa.计算结果与实验数据对比如图3所示，模拟结果与实验数据吻合程度较好，证明所建模型合理.
3.2 不同喷枪结构时焰流传热和流动特性
甲烷、氧气、氮气的质量流量分别为0.596 g·s-1、2.380 g·s-1、6.250 g·s-1，喷涂Cu颗粒初始温度为300 K，采用轴向喷入方式，入射速度为20 m·s-1.
表1给出了三个不同结构喷枪（G1、G2、G3）的结构尺寸，其中：Ldiv 为Laval喷嘴渐扩段长度；
图4给出了沿中心轴线方向的焰流温度和速度变化.在G1与G2两种喷枪中的焰流温度沿着流动方向逐渐降低，焰流速度在Laval喷嘴出口处达到最大值，然后沿着流动方向逐渐降低.由于在Laval喷嘴出口处膨胀波的影响，焰流温度和速度出现了小幅波动.G3中由于没有平直枪管，焰流在喷枪中持续膨胀，焰流速度增大而温度降低.当喷枪G1中焰流进入自由射流阶段后，由于焰流压力高于环境压力，处于欠膨胀状态，形成了马赫波使靠近枪管出口的位置焰流速度与温度都出现了大幅度的波动，而喷枪G2、喷枪G3中的焰流压力接近环境压力，焰流速度与温度的波动不是很明显.射流进入自由空间后，与周围空气介质发生动量、热量及质量交换，并不同程度地带动周围静止空气加速、升温，使气流本身的温度和速度降低.
比较图4中三种情况下温度与速度曲线，可以看出不管是增大扩张率还是用Laval扩张段的长度代替平直枪管，对焰流温度的影响很小，但是对焰流速度有显著影响.
3.3 不同颗粒尺寸时粒子的加热和运动特性
图5为G1条件下，不同粒径的Cu颗粒速度和温度变化.不同粒径的喷涂粒子在喷枪中运动时速度和温度都增加，但是在自由射流阶段，小尺寸颗粒的速度和温度随着气流温度和速度的衰减而降低，而大尺寸颗粒温度和速度曲线趋于平坦.这是因为大尺寸颗粒的动量惯性和热量惯性较大，速度和温度改变比小尺寸颗粒要困难.小尺寸颗粒在热喷涂过程中容易获得较高的速度和温度，但是其对气流的跟随性太强，在枪管出口处颗粒温度与速度都出现了波动.由于气流在自由射流阶段湍流特性明显，焰流除了沿中心轴线方向存在轴向速度外，还具有径向速度，而小尺寸颗粒可能获得较大径向速度而飞离自由射流核心区域，不能达到基板.这也说明尺寸过小的颗粒不适合用于热喷涂.粒径为20 μm的Cu颗粒在撞击基板时的速度达到了其临界速度（570 m·s-1）[14]，且温度低于熔点，有利于沉积并减少颗粒氧化.粒径过大（大于40 μm）的颗粒在热喷涂过程中升温和加速的过程都比小尺寸颗粒慢，当其撞击基板时粒子速度低于其临界速度，不能有效地沉积于基板表面形成涂层，而且会对基体产生“喷丸”或冲蚀作用[1]，因此尺寸过大的颗粒也不适用于热喷涂. 3.4 不同喷枪结构时颗粒的加热和运动特性
图6为三种不同喷枪条件下20 μm Cu颗粒沿中心轴线方向速度和温度变化曲线.颗粒速度受枪管尺寸的影响很小，而温度变化较大.这是因为颗粒的速度与焰流的速度与密度有关，随着焰流速度的增大而增大，随着焰流密度的减小而降低.虽然G2的扩张率比G1大，喷枪G2有利于增大焰流的速度，但是由于焰流的质量流量是不变的，焰流的速度增大必然导致密度的降低，所以枪管扩张率的变化对颗粒速度的影响不是很明显.颗粒温度与焰流的密度有关，密度越大与颗粒的换热效率越高.喷枪G2的扩张率大气流密度小，从而导致颗粒温度比其它两种喷枪低.因此，喷枪的扩张率对喷涂颗粒的速度影响不大，而对颗粒温度影响较大.喷枪G3中颗粒的温度大于其它两种喷枪，主要是由于喷枪G3采用延长Laval喷管扩张段代替平直枪管，喷枪G3中焰流的平均速度低于G1与G2中焰流的平均速度，颗粒在焰流中停留的时间长，增大了颗粒与焰流换热的时间.
4 结论
（1） 在喷涂过程中，焰流进入自由射流阶段后，由于焰流的压力高于环境压力，处于欠膨胀状态，形成了马赫波使靠近枪管出口位置焰流的速度与温度出现了大幅度的波动.随后与周围空气介质发生动量、热量或质量交换，使射流本身的温度和速度降低.不管是改变扩枪管张率还是延长Laval扩张段代替平直枪管，对焰流的温度的影响很小，对枪管出口焰流速度影响较大.
（2）小尺寸喷涂颗粒对焰流有很强的跟随性，而大尺寸颗粒热量惯性与动量惯性大，受焰流的影响较小；若颗粒尺寸过大，则撞击基板时没有达到临界速度不能沉积于基板形成涂层；若尺寸过小，则可能飞离自由射流核心区域，而不能达到基板，粒径为20 μm的颗粒在撞击基板时能达到临界速度，且温度低于熔点，有利于沉积并减少颗粒氧化.
（3）在初始条件相同的条件下，颗粒温度与枪管的扩张率有关，随着扩张率的增大而减小，而枪管的扩张率对喷涂颗粒的加速影响不大.增大Laval喷嘴渐扩段长度代替平直枪管，有利于提高颗粒的温度.
参考文献：
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