CN107622146B - 一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，首先确定喉部直径，然后确定出口直径，采用建模软件建立喷嘴初始尺寸模型及尺寸修改优化后的简化模型，对原始出口直径D_e和扩张段长度L_d进行优化。本发明基于材料条件及气体条件，通过分析材料及气体特点选择初始尺寸，之后通过CFD计算得到优化尺寸，可实现冷喷嘴的快速优化设计，同时针对不同喷涂材料及工艺条件完成各类喷嘴的专用设计。

Description

一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法

技术领域

本发明属于冷喷涂技术领域，具体涉及一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法。

背景技术

冷喷涂过程中，金属颗粒被超音速气流加速，以较高的速度(300-1000m/s)和远低于金属材料熔点的温度撞击基体发生剧烈塑性变形而形成涂层。该过程中，金属颗粒只有达到临界速度才能在基体上沉积形成涂层。冷喷涂系统中，喷枪是核心装置，而喷嘴又是喷枪的核心部件，主要用来实现气体由亚声速加速到超声速，同时为颗粒提供加速通道。因此，合理的喷嘴结构是保证颗粒加速效果、涂层质量和喷涂过程稳定性的关键因素。

目前冷喷涂喷嘴广泛采用收缩-扩张结构的Laval喷嘴，该喷嘴通常有锥形和钟形两种形式，其中钟形喷管需要采用空气动力学特征线原理设计，设计较为复杂。另外，喷嘴截面可采用圆形、矩形和椭圆形等三种形状，其中圆形截面喷嘴可以使气体和金属颗粒加速平稳，同时易于加工，考虑设计方法及加工因素多采用锥形形式和圆形形状。

喷嘴设计方法通常采用一维等熵定常流动的基本解析给出大体的经验设计尺寸，同时借鉴火箭发动喷管设计思路得到喷嘴最终尺寸，但是冷喷涂喷嘴设计目标是优化最大粒子速度，发动机喷管设计目标是优化最大推力，设计目标的差异性使该方法得到的喷嘴结构并不合理，使粒子加速效果较差。

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法可以实现冷喷涂过程中气固两相流加速行为的精确模拟，因此结合CFD方法对喷嘴进行结构设计成为可靠的喷嘴设计手段。结合CFD设计出的喷嘴可以完成喷涂工作，但是该方法同样缺少冷喷嘴的相关设计原则，需反复更改喷嘴各部分尺寸，优化过程需要较长时间的建模以及计算，因此采用该方法设计出的冷喷嘴缺乏材料专用性，同时设计时间长。

因此，开发出一种有效、便捷的冷喷涂喷嘴设计方法将非常有工程意义。不仅可以缩短喷嘴的设计周期，还可以得到对喷涂材料具有专用性设计的喷嘴从而提高喷涂质量。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，通过对喷嘴尺寸影响因素(气体种类、压力、粉末种类等)的分析快速设计出最优化的喷嘴。

技术方案

一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，其特征在于：冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，包括收缩段和扩张段，喷嘴尺寸包括：入口直径D_i、收缩段长度L_u、喉部直径D_t、扩张段长度L_d和出口直径D_e，设计步骤如下：

步骤1、原始尺寸：

首先确定喉部直径：依据气体种类限定气体质量流量后通过如下公式确定喷嘴喉部直径D_t：

其中：q_m为气流质量流量，γ为气体的比热比，P_i为气体压力，T_i为气体温度，R为理想气体常数；

出口直径为：

其中：

为扩张比，L_d为扩张段长度，根据预设压力和粉末选择；

收缩段长度L_u设定为30mm～50mm；

入口直径：D_i≥10D₁，其中：D₁为送粉口直径；

步骤2：采用建模软件建立喷嘴初始尺寸模型及尺寸修改优化后的简化模型，模型分三个区域，喷嘴收缩段，喷嘴扩张段及外流区域，外流区域含有喷涂基体；

步骤3：将步骤2模型的输出的网格文件导入流体计算软件FLUENT，根据实际工作条件定义流体性质、喷涂材料，设置边界条件和流场初始化，开始迭代运算；

步骤4、对步骤1的原始出口直径D_e和扩张段长度L_d进行优化：

出口直径D_e的优化原则：气流存在严重过膨胀时缩小出口直径，气流存在严重膨胀不足时扩大出口直径；修改时，每次以0.2mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；

扩张段长度L_d的优化原则：粒子速度是否大于临界沉积速度调整扩张段长度；修改时，每次以40mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；

所述临界沉积速度为涂层形成的最小粒子速度，通过如下公式计算：

v_cr＝667-14ρ+0.08T_m+0.1σ_u-0.4T_i

其中：ρ为材料密度，T_m为材料熔点，σ_u为极限强度，T_i为气体温度；

出口直径D_e的优化原则：若气流存在严重过膨胀时缩小出口直径，气流存在严重膨胀不足时扩大出口直径；修改时，每次以0.6mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；

每次修改后，重复步骤2-步骤4。

所述出口直径D_e的优化原则在步骤4修改的基础上，当气流速度云图较为合理后进行出口直径的细调，当改变出口尺寸后得到的粒子速度最大时为最优化尺寸，修改时，每次以0.2mm为单位对前一尺寸进行增加或减小。

所述扩张段长度范围为0≤L_d≤200P_i，P_i为气体压力。

所述所述建模软件采用GAMBIT。

有益效果

本发明提出的一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，基于材料条件及气体条件，通过分析材料及气体特点选择初始尺寸，之后通过CFD计算得到优化尺寸，可实现冷喷嘴的快速优化设计，同时针对不同喷涂材料及工艺条件完成各类喷嘴的专用设计。

附图说明

图1：冷喷涂喷嘴几何参数说明

图2：冷喷涂喷嘴设计流程图

图3：冷喷嘴初始尺寸设定流程图

图4：冷喷嘴CFD二维仿真模型示意图

图5：喷嘴出口气流速度云图

图6：不同喷嘴中最大粒子速度

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的冷喷涂喷嘴设计方法，所要解决的技术问题是建立一系列适用于冷喷涂喷嘴的设计原则，同时得到一套完整有效的冷喷嘴设计方法，从而通过对喷嘴尺寸影响因素(气体种类、压力、粉末种类等)的分析快速设计出最优化的喷嘴。

为解决上述技术问题，本发明提出了基于分析喷涂材料和工艺参数并结合CFD的喷嘴设计方法，所采用的技术方案是：S1，原始尺寸设定工序，基于对颗粒速度关键影响因素的分析预设喷嘴尺寸；S2，二维喷涂模型构建工序，通过绘图软件构建原始尺寸的喷涂模型；S3，模拟计算工序，对喷涂模型进行模拟计算；S4尺寸优化工序，对模拟计算结果进行分析，依据分析结果优化冷喷嘴相应尺寸。

该方法中所设计的冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，包括收缩段和扩张段两部分，设计出的喷嘴尺寸包括：入口直径(D_i)、收缩段长度(L_u)、喉部直径(D_t)、扩张段长度(L_d)、出口直径(D_e)。

原始尺寸设定工序是对喷嘴关键结构的初始尺寸进行设定的工序，也是冷喷嘴的设计原则。其中对粒子速度影响的关键因素包括工艺参数(气体种类、压力、温度)和粒子特点(种类、质量)。根据粒子种类选择气体种类、气体压力(P_i)及温度(T_i)，再由工艺参数及单个粒子质量共同设定喷嘴原始尺寸。

初始尺寸选取中首先确定喉部直径，依据气体种类限定气体质量流量后通过如下公式确定喷嘴喉部直径：

q_m为气流质量流量，γ为气体的比热比。

另外喷嘴出口马赫数(Ma)与喉部面积(A_t)、出口面积(A_e)存在如下扩张比(扩张比是指出口面积与喉部面积的比值)关系式，

出口面积为单道次喷涂面积，需综合预期气体消耗成本与喷涂效率最终确定喉部直径。

马赫数不变时，喉部面积最终影响出口面积大小，出口面积为单道次喷涂面积，考虑喷涂效率调节喉部直径大小。若采用气体成本较高，直接采用限定气体质量流量的原则计算得到喉部直径；若气体成本较低，以提高喷涂效率为原则，在限定气体质量流量的基础上增加喉部直径0～0.5mm。

根据设定的气体压力以及粉末特点设定L_d。压力及扩张段长度影响气流在喷嘴出口激波的位置，根据预设压力选取扩张段长度范围为0≤L_d≤200P_i。同时粒子质量也影响加速效果，质量较大粒子应在此范围内选取长扩张段以增加加速时间，质量较小粒子应在此范围选取短扩张段以节省喷嘴材料。

喉部直径与出口直径可使用扩张比关系式代替确定，工艺参数确定时存在最佳扩张比使粒子达到最佳加速效果。依据扩张段长度设定D_e。最佳扩张比随扩张段长度的增加而增加，扩张比可近似求得为：

再通过扩张比关系计算出口直径为：

随收缩段长度不影响粒子最终速度，仅影响粒子温度，通常可设定为30mm，若粒子需加热温度较高可增加至50mm。

喷嘴入口处存在高温的主气流及室温的送粉气流，两者的混合温度最终影响气流速度。应尽可能减少低温送粉气流对粒子速度的影响，实际喷涂中送粉气压略大于主气压，可近似为相等气压后采用面积比近似代替流量比,由如下不等式确定入口直径：D_i≥10D₁D₁为送粉口直径。

步骤S2中采用GAMBIT或其他建模软件建立喷嘴初始尺寸模型及尺寸修改优化后的模型。圆形喷嘴在喷涂过程中流场近似为轴对称，喷涂模型采用二维轴对称模型减少计算时间。模型分三个区域，喷嘴收缩段，喷嘴扩张段及外流区域，其中在外流区域含有喷涂基体。在GAMBIT或其他软件中构建二维简化模型，划分网格，设置边界，输出网格文件。

步骤S3中将S2中输出的网格文件导入流体计算软件FLUENT，调整尺寸单位，选择求解方程，根据实际工作条件定义流体性质、喷涂材料，设置边界条件和流场初始化，开始迭代运算。根据迭代残差是否稳定或满足收敛要求判定计算完成。

步骤S4中主要针对D_e和L_d进行优化。尺寸优化的方法为：：(1)根据粒子速度是否大于临界沉积速度调整扩张段长度；(2)根据气流云图是否合理调整出口直径，气流存在严重过膨胀时缩小出口直径，气流存在严重膨胀不足时扩大出口直径；(3)根据粒子速度是否为最大调整出口直径。修改尺寸后需再次建模计算，重复步骤S2-S4，得到最佳尺寸。

尺寸修改中出口直径每次以0.2mm为单位增大或减小，扩张段长度每次以40mm为单位增大或减小，若计算结果与判定条件相差较多也可大范围调节尺寸，如出口直径以0.6mm为单位调节，当结果较为满意后在进行小范围调节。

本发明中喷嘴设计基于材料条件及气体条件，通过分析材料及气体特点选择初始尺寸，之后通过CFD计算得到优化尺寸，可实现冷喷嘴的快速优化设计，同时针对不同喷涂材料及工艺条件完成各类喷嘴的专用设计。

本实施例是针对铝合金粉末而设计的冷喷涂喷嘴，其目的在于设计出适合于该合金的专用喷嘴，以实现粒子速度的最大化，提高喷涂沉积率。

本发明中设计的冷喷嘴主要结构参数如图1所示，包括：入口直径(D_i)、收缩段长度(L_u)、喉部直径(D_t)、扩张段长度(L_d)、出口直径(D_e)。

如图2所示，为本发明中喷嘴设计流程图，以下是设计步骤：

S1：冷喷嘴原始尺寸设定。图3所示为冷喷嘴原始尺寸设定流程，其设计原则是基于材料条件及气体条件而来的，主要体现在流程图中由工艺参数推出喷嘴尺寸。原始尺寸设定步骤如下：

S1-1，分析材料，确定工艺参数。本实施例中铝合金喷涂需较高的粒子速度以及较低的温度，本例选择采用氦气喷涂，气体压力P_i＝1MPa，气体温度温T_i＝300℃。

S1-2，设定原始尺寸。由气体种类确定喉部直径，氦气加速效果好，但成本较高，减少气体消耗同时兼顾喷涂效率，D_i采用1.5mm；由压力、粒子特点确定扩张段长度，压力及扩张段长度影响气流在喷嘴出口激波的位置，同时扩张段越长，粒子加速时间越长，加速效果越好。粒子质量越大，加速效果越差，采用长扩张段以增加加速时间。气体压力1MPa，属于低压，选取下游长度范围为0≤L_d≤200P_i＝200mm,同时考虑铝粉质量小，速度要求高，采用长扩张段，L_d为180mm；由喉部及扩张段尺寸确定出口尺寸，工艺参数及下游长度确定时存在最佳扩张比(出口面积与喉部面积的比值为扩张比)使粒子速度最大，由扩张段计算扩张比n＝4×(180/200+1)＝7.6，计算出口尺寸

确定收缩段长度，影响粒子温度的关键结构为收缩段长度，较长的上游收缩段可以使粒子达到较高的温度，该合金不需较高温度，L_u采用30mm即可；现有送粉针直径为2mm，采用面积比近似流量比，根据要求D_i≥10D₁＝20mm，选取D_i为20mm即可。

S2：喷嘴二维模型构建。如图4所示，为喷嘴二维模型。喷嘴截面为圆形，为减少计算量，采用二维对称模型。根据S1设定的原始尺寸，在GAMBIT软件中构建二维模型，喷嘴分为三个区域：喷嘴收缩段、喷嘴扩张段及外流区域，同时在外流区域设置基体，采用四边形结构化网格划分网格，设置边界包括压力入口、轴对称、喷嘴壁面、基体壁面及压力出口，最后输出网格文件。

S3：CFD软件计算。采用ANSYS15.0中的FLUENT模块进行计算。将S2中输出的网格文件导入FLUENT中，调整尺寸单位，选择求解方程，根据S1中的工艺参数选择气体、材料，设置边界条件，进行流场初始化，然后开始迭代运算。根据迭代残差是否稳定或满足收敛要求判定计算完成。

S4：结果判定。如图2所示，首先判断最大粒子速度是否满足临界速度；若满足则进行下一条件判断，若不满足则返回修改L_d和D_e。本例中初始尺寸计算得到粒子速度超过700m/s，符合该合金喷涂要求，无需后续修改扩张段长度。

然后判断气流速度云图是否合理，若不合理(出现严重的过膨胀或膨胀不足)返回修改D_e，若合理则进行下一步判断，如图5(a)所示为本例设计中气流速度出现欠膨胀状态，通过增加出口尺寸获得如图5(b)的合理气流速度云图；

最后判断粒子速度是否为最大，对比前后计算结果完成判断，进行出口尺寸的修改。本例中将预设出口口直径每次以0.2mm为单位增大或减小，分别计算出口直径为4.4、4.0、3.8等情形下粒子速度，对比粒子速度大小得到最佳出口尺寸为4.0mm。

图6所示为两种通用喷嘴与本例设计得到的喷嘴在采用相同工艺条件下模拟得到的最大粒子速度。可以看出通过本方法设计的喷嘴明显提高了粒子的速度，更适用与本材料的喷涂。

Claims (3)

1.一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，其特征在于：冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，包括收缩段和扩张段，喷嘴尺寸包括：入口直径D_i、收缩段长度L_c、喉部直径D_t、扩张段长度L_d和出口直径D_e，设计步骤如下：

步骤1、原始尺寸：

首先确定喉部直径：依据气体种类限定气体质量流量后通过如下公式确定喷嘴喉部直径D_t：

其中：q_m为气流质量流量，γ为气体的比热比，P_i为气体压力，T_i为气体温度，R为理想气体常数；

出口直径为：

其中：

为扩张比，L_d为扩张段长度，根据预设压力和粉末选择；

收缩段长度L_c设定为30mm～50mm；

入口直径：D_i≥10D₁，其中：D₁为送粉口直径；

步骤2：采用建模软件建立喷嘴初始尺寸模型及尺寸修改优化后的简化模型，模型分三个区域，喷嘴收缩段，喷嘴扩张段及外流区域，外流区域含有喷涂基体；

步骤3：将步骤2模型的输出的网格文件导入流体计算软件FLUENT，根据实际工作条件定义流体性质、喷涂材料，设置边界条件和流场初始化，开始迭代运算；

步骤4、对步骤1的原始出口直径D_e和扩张段长度L_d进行优化：

出口直径D_e的优化原则：气流存在严重过膨胀时缩小出口直径，气流存在严重膨胀不足时扩大出口直径；修改时，每次以0.2mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；

扩张段长度L_d的优化原则：粒子速度大于临界沉积速度时，无需修改扩张段长度，否则，调整扩张段长度，修改时，每次以40mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；

所述临界沉积速度为涂层形成的最小粒子速度，通过如下公式计算：

v_Cr＝667-14ρ+0.08T_m+0.1σ_u-0.4T_i

其中：ρ为材料密度，T_m为材料熔点，σ_u为极限强度，T_i为气体温度；

出口直径De的优化原则或者为：若气流存在严重过膨胀时缩小出口直径，气流存在严重膨胀不足时扩大出口直径；修改时，每次以0.6mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；

修改后，重复步骤2-步骤4以得到目标尺寸。

2.根据权利要求1所述的冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，其特征在于：所述扩张段长度范围为0≤L_d≤200P_i，P_i为气体压力。

3.根据权利要求1所述的冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，其特征在于：所述建模软件采用GAMBIT。

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