隨著金屬注射成型、 金屬 3D 打印、 粉末冶金等增材制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用, 高質(zhì)量粉末的需求量越來越大。用氣霧化方法制備金屬粉末是目前使用最廣泛的手段之一, 采用氣霧化法制備的金屬粉末具有球形度好、 粒徑較小、 粒徑分布較集中、 方便控制等優(yōu)點。氣霧化制粉的基本原理是:熔融的金屬液通過導(dǎo)管落下后受到高速氣流的沖擊作用, 熔體表面出現(xiàn)擾動, 繼而發(fā)展為波狀并破碎, 形成條帶, 隨后條帶再次受到氣體的作用, 發(fā)生二次破碎形成細(xì)小的液滴, 由于表面張力, 液滴保持球形, 凝固形成粉末。氣霧化法首次使用至今已有 90 余年, 但人們對于霧化過程中的破碎機(jī)理尚不十分明確, 其主要原因是氣霧化過程的流場速度快、 溫度高、 氣相與液相相互耦合, 且缺乏有效的觀測手段, 導(dǎo)致研究起來相對復(fù)雜、 困難。目前多常采用計算機(jī)模擬的方法研究氣霧化過程中與流場相關(guān)的問題。計算機(jī)可以模擬計算出流場中的速度場、 溫度場、粒度分布等信息, 對流場分析和工藝參數(shù)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。近年來, 一些光學(xué)測量手段的發(fā)展、 應(yīng)用, 為氣霧化過程中流場的測量提供了可能。高速攝影、 粒子成像技術(shù)、 相位多普勒粒子分析儀 (PDPA) 等手段可以測量高速狀態(tài)下的流場數(shù)據(jù), 使得直接測量氣霧化過程中的流場得以實現(xiàn)。顧小民等較早采用高速攝影的方法拍攝了氣霧化和水霧化的過程, 分析了霧化過程中的不同階段。康燦等使用 PDPA 方法研究了一種扇形水射流的流場, 其流場具有與霧化流場相似的多相耦合、 速度快等特點。王偉東等曾使用一套 PIV 測量系統(tǒng)研究了一個超聲速自由射流的流場, 得到了詳細(xì)的流場速度場數(shù)據(jù)。劉靜等用紋影法研究了一個在超聲速氣流中的橫向射流霧化流場, 并對流場進(jìn)行了定性分析。這些方法對于霧化流場的研究能起到很大的幫助作用。A.M.Mullis曾利用高速攝影的手段研究了噴嘴的幾何形狀對金屬熔體的影響, 找到了一種較好的噴嘴形狀。Stevano Wahono 等曾利用高速攝影的方法研究了一種特殊結(jié)構(gòu)的霧化噴嘴的霧化過程, 分析了液流的振動情況及其影響因素。近年來的研究常用 ANSYS Fluent 流體動力學(xué)軟件對霧化噴嘴的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算模擬, 通過求解控制方程和湍流模型來獲得霧化流場的結(jié)構(gòu)等信息。Aydin 和 Unal 等人利用計算機(jī)模擬研究了氣霧化壓力和噴嘴幾何形狀對氣體出口速度的影響,發(fā)現(xiàn)氣體速度與壓力之間并非正比例關(guān)系, 相同壓力差下氣體速度的增幅并不相同。在 2.7 MPa的氣體壓力下, 氣體速度最大值為663m/s, 氣壓1.0MPa 得到氣體速度最小值為 631 m/s。合理的幾何形狀可以在相同的氣體質(zhì)量流量比下得到最大的氣體速度, 從而提高霧化效率。由此, Fluent 軟件經(jīng)常用來指導(dǎo)新型霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計, 以節(jié)約成本, 縮短研發(fā)周期。目前國內(nèi)外的研究較多只注重計算機(jī)模擬或?qū)嶒灒?而未把兩者有效地結(jié)合。故本文在以獲得一些計算機(jī)模擬結(jié)果的前提下, 用常溫液體代替高溫金屬熔體, 在常溫條件下模擬實際氣霧化過程, 并采用一些流場測量技術(shù)研究氣霧化過程中的流場情況, 比如破碎過程、液滴分布等。這樣可以比較直觀地觀測氣霧化過程中的流場且可以對計算機(jī)模擬的結(jié)果加以驗證。
使用 Fluent 軟件, 載入霧化噴嘴的模型并劃分網(wǎng)格, 設(shè)置能量方程、 金屬溶體的各項參數(shù)、霧化氣體的相關(guān)參數(shù)、 霧化氣氛、 邊界條件和計算步長等參數(shù)后, 進(jìn)行計算。計算結(jié)果可以顯示霧化過程中的速度場和溫度場等。
本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的霧化噴嘴, 噴嘴輪廓采用典型的拉瓦爾曲線, 可以在氣體壓力較低的情況下獲得超音速氣流。通過計算模擬 ,調(diào)節(jié)至最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù), 采用有機(jī)玻璃作為主體材料, 考慮到經(jīng)濟(jì)性和加工方便, 采用環(huán)縫型的拉瓦爾噴嘴, 噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。采用水代替金屬熔體, 氮氣作為霧化氣體, 在常溫條件下模擬真實情況下的氣霧化過程。通過 Fluent 軟件的計算模擬, 可以得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)下, 霧化過程中流場、 溫度場等的分布情況,如圖2 所示。通過模擬實驗的方法, 可以驗證模擬結(jié)果的合理性。
圖 1 霧化器剖面圖
圖 2 Fluent 計算模擬的霧化流場結(jié)果(速度場)
在實際生產(chǎn)過程中,霧化噴嘴結(jié)構(gòu)確定之后,可控制的變量一般包括金屬熔體的過熱度、霧化氣體壓力和溫度、霧化氣體的種類等參數(shù)。在本文中,出于簡化和貼近實際生產(chǎn)的原則,將液體流量和溫度固定,流量采用 60L/h,溫度采用20℃,氣體壓力通過減壓閥控制, 根據(jù)計算機(jī)模擬的結(jié)果,如圖 3 所示,在其他條件不變的情況下,僅改變霧化壓力的大小,在 1.7MPa、2.2MPa和 2.7MPa 三個不同的壓力下制得的粉末平均粒徑更小且粒徑分布較窄;故設(shè)置實驗壓力為 1.7MPa、2.2MPa 和 2.7MPa。同時, 在壓力為 2.2MPa 時,添加一組液體流量為 120L/h 的實驗, 對比分析液體流量對霧化過程的影響。
Lubanska研究了一種低熔點鐵合金的霧化工藝參數(shù)與粉末粒度之間的關(guān)系后總結(jié)出一個經(jīng)驗公式:
其中,dm 為粉末平均粒度,kd 為常數(shù),一般為 40-50,d0 導(dǎo)流管直徑,Jm 為液態(tài)金屬流量,Jg為氣體流量,μm 和μg 分別為液態(tài)金屬和氣體的動力黏性系數(shù),Vgi 為霧化氣流場的初始流速,σm 為液態(tài)金屬表面張力,ρm和ρg分別為液態(tài)金屬的流體密度和氣體的密度。
由公式可以看出,在霧化器結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)確定地情況下,粉末的粒度只與金屬熔體的動力黏性系數(shù) μm、金屬熔體的表面張力σm 以及金屬熔體的密度 ρm 有關(guān)。
由于金屬熔體和常溫下水的性質(zhì)比較接近,采用水在常溫下模擬氣霧化過程中的流場,能在一定程度上反應(yīng)真實流場的情況。在之前的一些研究中,也有用水代替金屬熔體的模擬實驗。I. N.McCarthy 在研究中添加了一組用水代替金屬熔體的實驗,作為普通實驗的對照和補(bǔ)充, 在兩組實驗中觀察到了相同的流體不規(guī)則脈動, 兩者可能具有相同的破碎機(jī)理。
本文以一種激光熔覆涂層用 FeNiCrSiMoMnC合金為對象, 采用水代替該種金屬熔體后進(jìn)行模擬實驗勢必會產(chǎn)生一定的誤差。與實際生產(chǎn)過程相比, 計算機(jī)模擬和實驗?zāi)M都有一定的差別。在計算機(jī)模擬中, 主要過程為:(1) 建立物理模型,劃分網(wǎng)格;(2) 選擇合適的湍流模型, 設(shè)置邊界條件;(3) 選擇合適的求解器, 計算結(jié)果并分析。誤差主要出現(xiàn)在湍流模型和計算求解的過程中, 通過設(shè)置合理的模型和步長, 可以提高計算的精度,使結(jié)果更貼近實際。
高速攝影拍攝的結(jié)果可保存為視頻文件,利用 Adobe Premiere Pro 軟件,可將視頻中每一幀圖像提取出來,選擇其中典型的霧化圖像可以對霧化過程進(jìn)行分析。以氣體壓力為1.7MPa, 液體流量為 60L/h 為例, 提取出一系列圖片, 如圖 4所示。
(1) 使用水代替金屬熔體, 根據(jù)霧化破碎相關(guān)理論, 水的液滴粒徑將小于金屬熔體的液滴, 且水的液滴在霧化流場中的飛行中, 其加速度也與金屬熔體的液滴不同, 但兩者的破碎機(jī)理是相似的。
(2) 實際生產(chǎn)中, 霧化過程是在一個限制體積,且霧化區(qū)域的氣氛與霧化氣體相同的環(huán)境中。模擬實驗是在開放的環(huán)境下, 且霧化區(qū)域的氣氛是空氣。這可能會導(dǎo)致氣流場的速度和方向產(chǎn)生一定的差別。
(3) 實際生產(chǎn)中的金屬熔體是塊體材料熔煉后, 從坩堝中自由落下, 由于坩堝中液體液面高度降低, 液體流量并不是定值, 本實驗采用其平均流量并加以控制, 模擬霧化過程中比較穩(wěn)定的階段。
(4) 由于霧化過程在一封閉環(huán)境中,霧化后的氣體通過容器底部反彈,會對霧化流場產(chǎn)生影響。噴嘴與底面距離不同,其影響不同。但本實驗主要關(guān)注距離噴嘴較近距離內(nèi)的霧化情況,故將此差別忽略不計。
在霧化氣體壓力達(dá)到預(yù)定值并穩(wěn)定后, 形成的霧化流場也會變得穩(wěn)定, 液體破碎的機(jī)理和程度都不隨時間改變。如圖 5 所示, 為不同霧化氣體壓力下, 霧化流場穩(wěn)定后的圖像。圖 5 中的 (a)、(b)、 (c) 分別為霧化氣體壓力為 1.7MPa、 2.2MPa、2.7MPa 時的霧化流場圖像。
圖 5 不同壓力時的霧化流場圖像:(a) P=1.7MPa; (b) P=2.2MPa; (c) P=2.7MPa
通過分析不同霧化氣體壓力下流場圖像, 穩(wěn)定的霧化流場大致為兩個錐形相接的形狀;在導(dǎo)液管出口下方都存在一塊收束區(qū)域, 收束區(qū)之下,流場繼續(xù)擴(kuò)大變得分散;在最接近導(dǎo)液管出口處,液滴存在的區(qū)域直徑大于導(dǎo)液管的直徑;隨著霧化氣體壓力增大, 流場的膨脹程度減小, 壓力增大到一定程度后, 膨脹程度幾乎不變。
對比計算機(jī)模擬結(jié)果, 可以很好得解釋上述現(xiàn)象的產(chǎn)生。圖 6 是計算機(jī)模擬的流場回流區(qū)速度矢量圖。在導(dǎo)流管出口附近存在一個錐形的回流區(qū), 其中氣體的速度方向與整體的氣體速度方向相反, 且速度最大處高達(dá) 250m/s, 在實際生產(chǎn)中可能產(chǎn)生負(fù)壓, 導(dǎo)致反冒現(xiàn)象。由于回流區(qū)的存在, 部分液滴也會在回流區(qū)運動, 使液滴存在的區(qū)域直徑大于導(dǎo)液管的直徑。在回流區(qū)尖端存在一個滯點, 該點霧化氣體的速度為零。降低回流區(qū)的氣體壓力將有利于生產(chǎn)過程中液體順利流下。經(jīng)過滯點后, 高速氣流相互碰撞、 反彈,流場逐漸擴(kuò)大, 又形成與回流區(qū)相反的錐形結(jié)構(gòu),與模擬實驗的結(jié)果一致。
圖 6 回流區(qū)速度矢量圖
圖 7 不同液體流量時的霧化流場圖像:(a) Q=60L/h; (b)Q=120L/h
本文通過模擬實驗的方法, 獲得了與實際生產(chǎn)過程類似的氣霧化流場, 使用高速攝影拍攝了流場的典型圖像, 分析可得到以下結(jié)論: