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超音速火焰喷涂的燃烧特性及喷涂粒子行为的研究

作　者: 孙玉伟
导　师: 王引真
学　校: 中国石油大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 超音速火焰喷涂粒子行为燃烧特性计算流体力学涂层性能
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文采用计算与试验相结合的方法,对超音速火焰喷涂的燃烧特性及粒子行为对涂层性能影响进行了研究。以计算流体力学（CFD）为理论基础,采用商用软件Fluent,对不同助燃条件下超音速火焰喷涂（HVOF及HVAF）的燃烧特性、粒子行为进行计算,计算结果表明,焰流的温度主要由燃气与助燃气的当量比决定,当量比越接近理论计算值,焰流的温度越高。焰流速度主要由燃气及助燃气流量决定,流量越大,燃烧室的压力越大,焰流的最高速度越大。空气助燃时焰流的温度低、速度大,适宜喷涂低熔点、易氧化的粉末材料。氧-空气联合助燃时,随着助燃气中氧气比例的增大,焰流的温度越高,氧气比例高于75%（体积分数）以后,焰流温度和纯氧助燃时无差别。对粒子行为的计算结果表明,超音速火焰喷涂中粒子行为受焰流特性和自身特性两方面的影响;喷涂粒子温度、速度随焰流温度、速度的增大而增大;粒子直径越小受焰流的影响越明显,粒子直径越大受到焰流的加热、加速效果越小。适宜喷涂的粒子直径范围为20 m -40 m。采用CH-2000超音速火焰喷涂系统制备了纯氧助燃时不同粒子行为下的NiCr-25%Cr₃C₂涂层,并对涂层性能进行了测试。粒子行为与涂层性能的研究结果表明,粒子行为对涂层的性能有着显著影响。对温度一定的粒子（未完全熔融）形成的涂层,碰撞时速度越大涂层孔隙率越小,并且粒子速度高于一定值以后,由于涂层间沉积机制改变,粒子速度越高涂层的耐冲蚀性能越好。对于速度一定的粒子,粒子温度越高,形成涂层致密性越好,孔隙率越小,并且碰撞时粒子的温度会严重影响涂层的耐冲蚀性能。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 超音速火焰喷涂系统的发展  11-12
    1.2.2 HVAF 涂层性能的研究现状  12
    1.2.3 超音速火焰喷涂基本理论的研究现状  12-14
  1.3 本文的主要内容及技术路线  14-16
第二章涂层的制备与组织性能测试方法  16-20
  2.1 概述  16
  2.2 试验用材料及仪器设备  16-17
    2.2.1 母材  16
    2.2.2 喷涂材料  16-17
    2.2.3 CH-2000 超音速火焰喷涂系统  17
  2.3 涂层制备  17-18
  2.4 涂层的性能测试  18-20
    2.4.1 冲蚀磨损  18-19
    2.4.2 显微硬度测定  19
    2.4.3 涂层空隙率测定  19
    2.4.4 光学金相组织观察  19
    2.4.5 扫描电镜（SEM）观察  19-20
第三章模型建立及气体动力学分析  20-37
  3.1 概述  20
  3.2 几何模型的的建立及网格划分  20-24
    3.2.1 几何模型及网格划分  21-22
    3.2.2 边界类型选择  22-24
  3.3 边界条件及流场初始化  24-26
    3.3.1 边界条件  24-26
    3.3.2 流场初始化  26
  3.4 计算模型选择  26-36
    3.4.1 气相动力学分析  26-32
    3.4.2 喷涂粒子气体动力学分析  32-36
  3.5 本章小结  36-37
第四章不同助燃条件下的燃烧特性  37-55
  4.1 概述  37
  4.2 氧气助燃条件下燃烧特性分析  37-46
    4.2.1 氧气助燃条件下的焰流场分布  37-41
    4.2.2 燃烧反应各成分分布  41-42
    4.2.3 氧气助燃时的助燃气流量变化对燃烧特性的影响  42-44
    4.2.4 纯氧助燃时燃气流量变化对燃烧特性的影响  44-46
  4.3 空气助燃条件下的燃烧特性  46-50
    4.3.1 计算时参数的选择  47
    4.3.2 空气助燃条件下的燃烧特性  47-50
  4.4 氧-空气混合助燃条件下的燃烧特性  50-54
    4.4.1 氧气含量不同时燃烧产物成分分析  51-53
    4.4.2 氧-空气联合助燃时焰流场变化  53-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章喷涂粒子行为分析  55-65
  5.1 概述  55
  5.2 不同助燃条件下喷涂粒子行为  55-60
    5.2.1 助燃条件的设置  55
    5.2.2 纯氧气助燃时粒子行为的分析  55-57
    5.2.3 氧-空气联合助燃喷涂粒子行为分析  57-60
  5.3 粒子大小对喷涂粒子行为的影响  60-62
    5.3.1 粒子大小的对喷涂粒子行为的影响  60-62
  5.4 入射位置对喷涂粒子行为的影响  62-64
    5.4.1 粒子入射位置  62
    5.4.2 入射位置对粒子行为的影响  62-64
  5.5 本章小结  64-65
第六章喷涂粒子行为对涂层性能的影响  65-73
  6.1 涂层性能测试结果  65-66
    6.1.1 涂层性能测试结果  65-66
  6.2 粒子速度对涂层性能的影响分析  66-69
    6.2.1 概述  66-67
    6.2.2 碰撞前粒子速度对涂层孔隙率的影响  67
    6.2.3 碰撞前粒子速度对耐冲蚀性能的影响  67-69
  6.3 粒子温度对涂层性能的影响  69-72
    6.3.1 概述  69-70
    6.3.2 粒子温度对涂层性能的影响  70-72
  6.4 本章小结  72-73
结论  73-74
参考文献  74-78
致谢  78

超音速火焰喷涂的燃烧特性及喷涂粒子行为的研究

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