1、材料研究与应用 2023，17（1）：87101悬浮液冷喷涂的液滴蒸发及加速过程研究孙澄川,卢静*,陈东,吴应东,邓碧欣,路腾（季华实验室，广东 佛山 528200）摘要：超细粉末的流动性差，导致其需要以悬浮液或气浮的方式输送，而冷喷涂时超细粉末悬浮液输送常选择在喷枪出口处，这限制了大面积稳定涂层的制备。针对该现状，采用基于离散相的 Multicomponent模型，模拟了悬浮液液料在喷枪前端送料时液滴的蒸发及加速过程，并探讨了颗粒沉积的可行性。模拟结果表明，在不同压力和温度下，液滴沿喷枪轴线加速时，由于悬浮液液滴含量较少及与主气温度差值较大，导致悬浮液中的液相与预热气体之间发生强烈的传热传质
2、，液相可在喷枪喉部前完全蒸发。对蒸发过程影响因素的研究结果表明：相同气体压力下随着预热温度的提升，悬浮液液滴蒸发速度更快；液滴直径越小，则完全蒸发所对应的喷枪位置越靠前；固含量越低，完全蒸发所对应的喷枪轴向位置越靠近喷枪喉部；气体压力和材料种类对液相蒸发过程无明显影响。采用幂函数拟合方式，对悬浮液液滴的蒸发过程进行拟合而得到拟合公式，其中 pl值反映了液滴蒸发的变化趋势、xc值的变化趋势基本反映了蒸发完全所对应的喷枪轴线位置的变化。对 Cu悬浮液液滴蒸发加速的模拟结果表明：Cu颗粒与基体碰撞瞬间的速度值大于600 ms1，与相关研究得到的 Cu颗粒沉积速度范围 610630 ms1相近，表明在
3、喷枪前端注入的液料经过蒸发及加速后可以沉积到基体表面而形成涂层。关键词：悬浮液；冷喷涂；颗粒速度；数值模拟；蒸发过程中图分类号：O469文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0087-15引文格式：孙澄川，卢静，陈东，等.悬浮液冷喷涂的液滴蒸发及加速过程研究 J.材料研究与应用，2023，17（1）：87-101.SUN Chengchuan，LU Jin，CHEN Dong，et al.Investigation on Evaporation and Acceleration Process of Droplets During Suspension Cold Spr
4、aying J.Materials Research and Application，2023，17（1）：87-101.冷喷涂是最近 20 多年来得到迅速发展的一种喷涂技术，在冷喷涂过程中颗粒在 Laval 喷枪中加速，与基体发生剧烈的塑性变形并沉积形成涂层。由于在冷喷涂过程中的温度较低，可避免材料的氧化、相变及晶化，并且其操作简便、沉积效率高、对环境无污染，被广泛应用于航空航天、电子电力、海洋装备、医疗器械及增材制造等领域中1-4。然而，常规的冷喷涂所采用的粉末粒度范围一般为 1050 m，而粒度低于 10 m 甚至亚微米的粉末，由于其流动性差而难以被高压送粉器均匀稳定地输出，并且由于喷涂
5、时弓形激波的影响，细小颗粒难以到达基体表面5-6，这些因素都掣肘了冷喷涂技术采用超细粉末制备涂层。目前，有研究人员采用悬浮液送料7-11或气浮送粉12-15的方式，解决了超细粉末难以输送的问题。气浮送粉，是在特殊设计的送粉器内使亚微米粉末与气源提供的载气混合而形成气溶胶，然后将其输送到喷枪内部进行加速。而悬浮液送料与悬浮液等离子喷涂类似，是将超细粉末在相应的溶剂中分散所得16-22。而超细粉末冷喷涂的悬浮液送粉方式与悬浮液等离子喷涂不同，前者在拉瓦尔喷枪出口处通过雾化的方式送出液滴（这使得当前的悬浮液冷喷涂装置的压力范围不超过 0.8 MPa，属于低压冷喷涂）23，而后者则在喷枪前端送粉，然后
6、液相进入收稿日期：2022-07-14基金项目：季华实验室自主立项项目（X201261XJ200，X190391TJ190）；国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项项目（2021YFB3702000）作者简介：孙澄川（1992-），男，回族，山东临清人，博士，研究方向为冷喷涂技术研究及数值模拟，E-mail：。通信作者：卢静（1984-），女，湖南常德人，硕士，高级工程师，从事热喷涂及冷喷涂技术研究，E-mail：。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.0001102 0 2 3材料
7、研究与应用等离子焰流中，但两种悬浮液送粉方式都要求液滴在飞行过程中完全蒸发，从而使颗粒加速或者完全熔化。在等离子喷涂过程中，颗粒速度相对较低，焰流温度极高，因此液相的蒸发迅速；而在冷喷涂过程中，颗粒速度高，但在喷枪出口处的气流温度与喷枪入口处相比已经有明显的降低，况且冷喷涂气体的预热温度远低于等离子焰流的温度24。因此，为了保证液相的完全蒸发，不得不需要增加喷涂距离（常规冷喷涂所需的喷涂距离一般在 1050 mm，悬浮液冷喷涂的喷涂距离一般需大于 50 mm）23。若与悬浮液等离子喷涂技术相同，悬浮液冷喷涂也采用在喷枪前端送液料的方式，在高压气体作用下液相能在喷枪入口处与预热气流均匀混合并蒸发
8、，甚至在喷枪内部或在喷枪喉部之前完全蒸发，则使得大面积稳定制备超细粉末涂层成为可能，并且蒸发所产生的水蒸气也能对颗粒加速起到促进作用25。本研究模拟在喷枪前端送液料，研究液相在喷枪内部的加速及蒸发过程，以及对影响液料蒸发的因素进行分析，与相关研究报道所得数据进行对比，获得喷枪前端送料在悬浮液冷喷涂中应用的可行性，为后续设备的研发奠定基础。1模拟实验相比于常规的冷喷涂颗粒加速模拟方法，本研究最大的不同点在于进入喷枪的颗粒并不是固态而是以液固两相混合的方式进入。为解决这个问题，本研究采用了基于离散相的 Multicomponent模型。1.1喷枪结构模型建立及边界条件设定本研究采用自主设计的喷枪，
9、其结构及尺寸列于表 1。喷枪的喉部和出口均为圆形，基体到喷枪出口的距离设为 20 mm。根据喷枪尺寸，建立二维轴对称模型并划分网格、设定边界条件。喷枪的入口分成主气入口和送料入口，并且均设置为 Pressure inlet边界条件；喷枪壁面设置为Wall边界条件，喷枪出口设置为Pressure Outlet边界条件，喷枪的对称轴设置为 Axis 边界条件，基体表面也设置为 Wall边界条件。此外，模型还需设定以下条件：设置能量守恒方程、k-epsilon、RNG，以及 Non-equilibrium Wall Func-tion 的壁面条件；设置离散相，其中颗粒类型选择Multicompone
10、nt，由液相和固相组成的悬浮液液滴（包含较多的液相，完全蒸发后固相颗粒的直径较小）从送料入口进入，设置颗粒的初始速度为 1 ms1，悬浮液液滴的粒径分布根据喷射器雾化模拟结果而建立，其服从 Rosin-rammler 分布，悬浮液液滴的平均直径为 21.6 m，最小直径为 15 m、最大直径为 35 m，分散系数为 6.5；设置加速气体为 N2，液滴材料为水+第二相悬浮颗粒（Cu、HA、Al2O3和TiO2），设定水可以蒸发而颗粒不能蒸发，其它相关参数列于表 2；设置主气和送粉气的压力和温度，以及悬浮液液滴中固含量（见表 3）；设置求解模型，采用一阶迎风方程求解，初始化后开始计算。1.2液相蒸
11、发模型1.2.1液滴动量方程悬浮液液滴的动量方程，采用拉格朗日方法求解。由 于 气 体 密 度 远 小 于 液 滴，虚 拟 质 量 力、Saffman 升力、热泳力及布朗力均较小，因此可以忽略，仅需考虑曳力对液滴的作用。所以，液滴的动量方 程26可 表 示 为dupdt=FD(u-up)，其 中 FD为 曳力、u及 up分别代表气相速度和液滴速度。1.2.2液滴蒸发模型悬浮液液滴与高温高压氮气在拉瓦尔喷枪前端表 2材料性能参数Table 2The material property parameters材料种类TiO2CuHAAl2O3密度/（kgm3）4290896031603980比热/（
12、Jkg1K1）0.713831422600表 3模拟所需喷涂工艺参数Table 3The cold spray parameters for simulation变量名称压力/MPa固体颗粒含量 w/%温度/K变化范围3、4、51、5、10673、773、873表 1悬浮液冷喷涂喷枪尺寸Table1The dimension of suspension cold spray nozzle参数喷枪前室收缩段扩张段送料管直径喷枪入口直径喉部直径喷枪出口直径尺寸/mm2036.5189.58202688第 17 卷 第 1 期孙澄川等：悬浮液冷喷涂的液滴蒸发及加速过程研究相互接触，由于存在明显温差，
13、故液滴的温度会迅速升高，到达沸点后与氮气发生强烈的传热和传质，但液体全部蒸发后水蒸气与氮气相互混合且温度趋于平衡，此过程分为 3个阶段27-29。当液滴温度小于蒸发温度时，液滴只与烟气进行传热，质量不发生变化，不考虑辐射传热，此时的传热方程式为mpcpdTpdt=hAp(Tg-Tp)，其中 mp、cp、Tp及 Ap分别表示液滴颗粒的质量、比定压热容、温度和表面积，Tg表示氮气的温度，h表示对流传热系数。当液滴温度大于蒸发温度且小于沸腾温度时，液滴从氮气中一边吸收热量一边开始蒸发，此时的传热方程式为mpcpdTpdt=hAp(Tg-Tp)+dmpdthlg，式中 h1g表示液滴的汽化潜热。液滴的
14、蒸发速率与液 滴 表 面 及 氮 气 的 水 蒸 气 浓 度 差 相 关，即Ni=kc(Ci，s-Ci，g)，其中Ni表示蒸汽摩尔通量、kc表示传质系数、Ci，s及Ci，g分别为液滴表面的蒸汽浓度和来流烟气的蒸汽浓度。当液滴温度达到沸腾温度后，未蒸发的液滴与烟气之间发生强烈的传热传质，其沸腾速率d(dp)dt=4kgpcp，gdp(1+0.23Rep)ln 1+cp，g(Tg-Tp)hlg，其中kg为氮气导热系数、dp为液滴直径、Rep为液滴相对气体运动的雷诺数（Rep=pdpvp，vp为液滴的速度、为液滴的粘度）。相关的物性参数列于表 4。2结果与讨论2.1气体速度场分布在不同温度及压力下气
15、体的速度分布如图 1所示。从图 1可以看出：气体在喉部附近达到音速，并且在后续的扩张段进行加速；当气体离开喷枪时，由于膨胀波的产生，气体速度还有进一步提升；当到达基体表面时，由于有弓形激波的产生，气体速度迅速下降到亚音速。表 5 为不同压力及预热温度下气体速度最大值。由表 5 可知：当固定压力时，气体在 873 K 下的速度更高；当气体温度设置为 873 K 时，压力对气体速度的影响（从 1 013.5 ms1到 1 057.6 ms1）不如固定压力时预热温度对气体速度的影响明显（从 744.7 ms1到 1 013.5 ms1，3 MPa）。有研究表明23，30，对于超细粉末喷涂，当预热温度
16、范围为250400 时，其气流速度可达 730830 ms1。表 4悬浮液中液体物性参数Table 4The physical property parameters of the suspension liquid密度/（kgm3）1000比定压热容/（kJkg1K1）4.2粘度/（gm1s1）1.003汽化潜热/（kJkg1）2 257.7沸点/K373图 1不同温度及压力下气体速度分布云图Figure 1The distribution of gas velocity contours under different pressures and temperatures892 0 2 3材料研究与应用而在本研究中相应的气流速度更高，因此相应的颗粒速度也会提升，这更加有利于颗粒沉积。2.2悬浮液液滴蒸发过程及影响因素分析2.2.1蒸发过程分析以固含量 1%的 TiO2悬浮液为例，研究了颗粒直径为 21.6 m 时，在不同压力和温度下，液滴直径随喷枪轴向的变化关系，结果如图 2所示。从图 2可见，在不同压力及温度下，液滴在进入喉部前均能迅速蒸发，蒸发速度随压力和预热温度的增加而增加，
