真空冷喷涂气固两相流数值分析

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在冷喷涂过程中,颗粒撞击速度是影响颗粒沉积的关键因素,但受基板前激波影响,传统冷喷涂(常压环境)工艺中亚微米颗粒很难实现有效沉积或沉积效率很低。针对这一问题,本文结合传统冷喷涂原理及亚微米颗粒在高速气流中的加速行为,对真空环境下影响亚微米颗粒撞击速度的因素进行了探讨与研究。具体而言,主要开展了如下研究:采用数值分析的方法研究了喷涂距离、颗粒直径及密度等参数对常压环境下颗粒撞击速度的影响。结果表明:以临界沉积速度500m/s为依据,以Air为加速气体,在入口压力、温度为33.67atm、600K,喷涂距离为25mm的条件下Cu颗粒最佳尺寸范围为0.8~15μm。针对真空环境下影响亚微米颗粒撞击速度的环境压力(喷涂室内压力)、喷涂距离和温度等主要参数展开研究。结果表明:环境压力是决定亚微米颗粒撞击速度大小的关键因素。在入口压力、温度为5atm、600K,喷涂距离为25mm的条件下,环境压力由1atm降低到0.1atm的过程中,亚微米颗粒撞击速度逐步提高,进一步降低环境压力,亚微米颗粒撞击速度有小幅度增加。真空环境(入口压力、温度分别为5atm、600K,环境压力为0.1atm,喷涂距离为25mm)下0.2~1μm Cu颗粒撞击速度远大于常压环境(入口压力、温度分别为33.67atm、600K,环境压力为1atm,喷涂距离为25mm)下颗粒撞击速度。增大入口温度在一定程度上提高亚微米颗粒撞击速度。真空环境(入口压力、温度分别为5atm、600K,环境压力为0.1atm,喷涂距离为25mm)下,Cu颗粒最佳尺寸范围为0.4~5μm。考虑喷管壁面厚度,对真空环境下气体与喷管壁面传热过程进行了模拟,研究了喷管壁面温度分布情况,分析了不同材料喷管下颗粒撞击速度变化原因。结果表明:喷管壁面温度由内向外逐渐降低,温度最高点处于喷管喉部。喷管材料导热率越低,亚微米颗粒撞击速度越高。本研究成果可为亚微米级涂层的制备提供理论指导。
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