超音速火焰喷涂包含着一系列复杂的物理化学反应过程,喷涂过程控制参数复杂,影响因素众多并存在交互作用。因此为了提高涂层的性能,除了大量的试验探索分析之外,还需要对喷涂中的过程机理有一个深入的认识。借助数值模拟的方法对超音速火焰喷涂过程进行仿真,能更加深入的理解焰流与粒子间的动量、热量交换过程以及焰流和粒子飞行的热物理、流体力学机理,为提高涂层性能提供理论指导。本文采用FLUENT流体力学数值模拟软件,基于有限体积法,以流体力学建立起数学模型,对以实验室自行研发的TJ-9000型喷涂系统为基础,以氧气为助燃气体,丙烷为燃料,WC-12Co为喷涂粉末材料的超音速火焰喷涂过程中焰流及粒子的飞行传热过程进行了仿真模拟。其中包括单独对连续相的焰流的特性和流动行为模拟和离散相的喷涂粒子与连续相的焰流之间的耦合模拟两个部分。当氧气和丙烷的总质量流速为16g/s,质量比例为3.5时,焰流温度能达到3000K以上,焰流速度1800m/s左右。由于喷枪壁面的冷却及粘滞阻力的作用,焰流的各气动参量在其横截面分布并不是均匀的,表现为焰流中心最高,沿径向逐渐减小。焰流由于湍流的特性,存在这很明显的径向速度,并且在自由射流阶段的前半段和靠近基体的位置较大,这会对喷涂粒子的飞行行为造成很大的影响。助燃气体/燃料的质量比例n对焰流的温度和速度均有较为显著的影响,n与二者呈抛物线的变化关系,因此对二者存在着一个最优值。在HVOF常用的氧气/丙烷组合中,最优值n=3。助燃气体/燃料的总流量Q对焰流的速度有较为显著的影响,表现为焰流速度随着Q的增大而增大,但其对焰流温度几乎没有影响。从提高焰流速度考虑选取合适的n和增大Q均可,但要提高或降低焰流的温度较可行的是通过调整助燃气体和燃料的比例n来实现。小粒径的粒子温度和速度的变化对焰流都具有很强的跟随性,表现为升得快也降得快,随着粒径的增大这种跟随性逐渐减弱。由于焰流的湍流特性和径向速度的存在,当粒径小于一定范围时粒子会随焰流一起沿径向飞行而不能到达基体。并且当粒径太小时在粒子撞击基体前熔化充分,WC颗粒脱碳分解严重;粒径太大时粒子熔化程度太低而降低涂层的结合强度。本文选用的WC-12Co颗粒的最适宜粒径分布范围为20-40μm。