多功能超音速论文三篇

多功能超音速论文 篇1

多功能超音速火焰(HVO/AF)喷涂由于粒子的速度高,得到的涂层结合强度高,孔隙率低,残余应力低和耐磨耐蚀性能好[1,2]。粒子沉积前的状态(粒子速度、温度和熔化状态)是其与焰流动量、热量交换的结果。因而焰流的特性也对涂层的性能有较大的影响。

在HVO/AF喷涂中,粒子沉积前飞行的时间是相当短的,为10-6 s数量级,加之其在焰流中密集分布,准确测量粒子的速度非常困难。本工作采用理论分析与计算机仿真计算相结合的方法对焰流和粒子的速度特性进行分析,以期为喷涂工艺设计提供依据。

1 焰流的速度和温度

1.1 理论计算

在HVO/AF喷涂中,焰流高速喷出喷枪后,进入大气,形成湍流焰流。其重要特征是随机杂乱无章而瞬息变化,无法用简单的数学函数进行描述,但其各种气动参量,如焰流速度、压力、温度等的统计平均值,符合射流动力学规律。从焰流中心至边缘,其各气动参量,均匀呈抛物线分布,且具有相似性。

为了方便研究,以轴心线处的气动参量来表征焰流的特征[3],具体如下:

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式中 vg ——焰流轴心处的速度,m/s

ve ——焰流出口速度,m/s

re ——喷管出口半径,m

x ——离喷管出口的轴向距离,m

θ ——喷管出口焰流温度(Te)与大气温度(Ta)之比

α ——焰流外边界夹角,rad

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式中 Tg ——焰流中心温度,K

Te ——喷管出口焰流温度,K

Ta ——大气温度,K

1.2 操作参数

在HVOF状态下运行时,喷枪煤油流量24 L/h,O2流量38 m3/h,O2压力1.5 MPa;计算的喷枪出口速度和温度分别为2 150 m/s和2 918 K;在HVAF状态下运行时,喷枪煤油流量为10 L/h,O2流量15 m3/h,O2压力1.5 MPa,N2流量30 m3/h,N2压力1.5 MPa;计算的喷枪出口速度和温度分别为1 400 m/s和1 710 K[4];经测量,焰流扩展角约为6°。喷涂开始时,环境温度较低,随着喷涂的进行,环境温度升高。

在HVO/AF涂层制备工艺中,喷涂粉末的直径一般为5~45 μm,平均直径约为25 μm。

2 模拟计算及测量结果

2.1 模拟计算

工程中,高温焰流的速度和温度的测量非常困难。通常采用粒子示踪法,以很小粒径的粒子的速度来表征焰流速度;采用非接触式方法测量焰流的温度。由于粒子的速度与温度滞后,这些测量方法都存在一定的误差。本工作采用半定量的方法测量焰流的温度,将钼丝、锆丝、不锈钢丝等沿焰流中心线移动,观察其在焰流中的熔化状态,找出其在焰流中熔化与不熔化的临界位置点,测量该点离喷枪出口的距离,焰流在临界点的温度值即为对应线材的熔点。

为了简化计算,假定环境温度为恒温303 K,模拟计算得到的焰流轴心处的速度和温度见图1。

超音速射流进入大气后,与大气相互作用形成激波,在射流的局部区域形成边界清晰的菱形高温高压区,即马赫锥。由于真实射流中激波较为复杂,为简化分析,没有考虑激波对速度和温度的影响,真实的喷涂焰流随工作参数不同,沿射流轴心线有数量不等的马赫锥,最后一个马赫锥的上游为超音速射流,下游为亚音速射流。

2.2 测量结果

测得钼丝(熔点2 890 K)、锆丝(熔点2 125 K)、不锈钢丝(熔点1 808 K)的临界熔化位置分别是离喷枪出口20,50,80 mm,其模拟计算的射流轴心线温度分别为2 540,2 097,1 792 K,离喷枪出口较近时,模拟计算误差较大,离喷枪出口较远时,误差相对较小。

此后,根据焰流动力学和激波理论,即可确定焰流的速度,具体方法:拍摄有尺寸标定的HVO/AF焰流,测量焰流中马赫锥的马赫角α。

焰流速度v与马赫角α符合以下关系:

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式中 Ma ——焰流马赫数

K ——焰流比热比

T ——焰流温度,K

R ——气体常数,J/(kg·K)

根据火箭发动机原理与燃烧动力学,计算出焰流的组分、比热比与气体常数如下:HVOF工作状态下射流的比热比约为1.165,气体常数约为315.6 J/(kg·K)[4],在离喷枪出口20,50,80 mm处,测得的马赫角分别为35°,38°,50°,根据式(3)间接测得的射流速度分别为1 775,1 436,1 064 m/s,而图1a中分别为1 800,1 460,1 200 m/s。可见,在离喷枪出口较近的位置,间接测量计算结果与模拟计算结果比较接近,在离喷枪出口较远的位置,两者相差较大。这主要是为简化计算,射流的气体常数都假定为喷枪出口截面的气体常数,而实际上,随着射流离喷枪出口距离的增大,射流温度下降,气体常数不断增大,在离喷枪出口越远的位置,气流温度下降越大。因此,间接测量计算结果偏小。

HVO/AF焰流中出现了一串菱形马赫亮点,依焰流特性的不同,个数为5~8不等,直到焰流核心降为亚音速才消失。由于超音速焰流中出现了激波,使焰流的压力、温度、速度分布在波前波后发生了突变,并造成焰流能量的损失,与理想状态下的焰流中心线处的速度和温度分布有差别。鉴于激波的复杂性,在工程计算允许的范围内,为了分析的简便,通常忽略激波对焰流气动参量的影响。

3 喷涂粒子速度的数学模型

喷涂粒子在焰流中受到多种力的作用,主要有拖动力(压差阻力和磨擦剪应力的合力),焰流不均匀性而产生的附加力及重力。可用下式表示:

Fd=1/2CDρg|vg-vp|(vg-vp)S (4)

式中 Fd ——拖动力,N

CD ——拖动系数

ρg ——燃气密度,kg/m3

vg ——燃气速度,m/s

vp ——颗粒速度,m/s

S ——迎风面面积,m2

CD很大程度上取决于粒子与燃气之间的相对速度,影响因素有燃气湍流、粒子与焰流温度不同引起的温度效应、粒子的球形度等,精确计算相当困难,通常情况下,按雷诺数Re的不同由下式确定:

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式中 dp ——粒子直径,m

ηg ——燃气黏度,Pa/s

实际上,拖动力数学模型是假设粒子在焰流中作匀速运动而推导的。粒子作加速运动时,将引起周围燃气作加速运动,粒子推动燃气,燃气的惯性对粒子产生反作用力,而且粒子附面层将带着一部分燃气运动。由于焰流有惯性,不能立即随粒子加速或减速,由于粒子表面的附面层不稳定,粒子受一个随时间而变且与粒子加速过程有关的力作用。焰流存在压强和速度的不均匀性,大气中的焰流由于空气的卷入和激波的形成,存在压强和速度梯度,其还将受到压强梯度力和速度梯度力的作用。通常,拖动力占主导地位,其他的作用力,由于其次要位置及复杂性,在工程计算中忽略不计。

根据牛顿第二定律,假设粒子为球形,则粒子的加速度可用下式表示:

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式中 d——粒子直径,m

对式(7)式作变换,可将粒子速度对时间的微分转换为对飞行距离的微分:

由undefined得

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4 粒子速度的计算机仿真

将式(1)代入式(8),利用Matlab软件,采用标准龙格-库塔法计算不同粒度粒子的速度。图2为WC-17Co粒子速度沿喷涂距离的变化,粒子密度为13 740 kg/m3,出喷枪时的初速度v0分别为100,300 m/s。图3为NiCrBSi粒子速度沿喷涂距离的变化,粒子密度为8 000 kg/m3,出喷枪时的初速度分别为100,300 m/s。其中0代表燃气,其余为不同直径粒子。

由图2,3可知,在距出口400 mm内,直径小的粒子加速快,减速也快,直径大的粒子加速慢,减速也慢:直径5 μm的粒子对焰流有较大的跟随性,直径大于25 μm的粒子在相当长的距离内几乎为匀速;v0对v有较大影响,对于直径25 μm的粒子,当v0从100 m/s提高到300 m/s时,粒子沉积前的速度提高约50 m/s。

由粒子速度的仿真计算结果可知,当喷涂距离在300~400 mm时,粒子的速度变化较小。因此,在设计涂层制备工艺时,主要考虑粒子的温度对涂层性能的影响。对于直径确定的粒子,其沉积前的温度主要与加长喷管的长度、喷涂距离和材料理化特性相关。

5 结 论

(1)从焰流图像与模拟计算结果可知,焰流喷出喷枪后,与大气作用,形成激波,速度从超音速向亚音速不断下降,直至成为亚音速焰流。

(2)粒子速度与焰流速度、粒子直径、粒子密度相关。由于惯性,直径小的粒子加速减速过程快,直径大的粒子加速减速过程慢,直径小于5 μm的粒子对焰流有较大的跟随性,而直径大于25 μm的粒子在喷涂距离为200~400 mm范围内变化很小。

摘要：超音速火焰喷涂粒子焰流速度对涂层的性能影响极大,但其实际速度很难确定,根据射流动力学原理,建立了多功能超音速火焰喷涂的焰流和粒子速度模型,并对焰流、WC-17Co和N iCrBSi喷涂粒子的速度进行了计算机仿真计算。结果表明:随喷涂距离增大,超音速焰流速度、温度不断下降,直至形成亚音速焰流;粒子的速度分布在300～800 m/s,它与焰流速度、粒子直径、粒子密度有关,在离喷枪出口200～400 mm范围粒子速度变化较小。

关键词：火焰喷涂,粒子速度,多功能超音速,计算机仿真

参考文献

[1]Dorfman M,DeFalco J.Tungsten Carbide-Cobalt Coatingsfor Industrial Applications[A].Proceedings of ITSC2000[C].Mintreal:ASM International,2000:471～477.

[2]Tani K,Nakahira A.Applications of HVOF Sprayed WCCermet Coatings for Paper Mills[A].Proceedings ofITSC1998[C].Nice:ASM International,1998:1 097～1 102.

[3]张福祥.火箭燃气射流动力学[M].北京:哈尔滨工程大学出版社,2004:63～66.

多功能超音速论文 篇2

广东鸿源机电股份有限公司生产的柬埔寨PH2项目SF1250-52/4250 (6300V) 水轮发电机, 装有5台立轴轴流式水轮发电机组, 针对柬埔寨电厂河流泥沙含量大, 水轮机过流部件的泥沙磨蚀非常严重, 造成设备运行效率低下、寿命缩短, 严重影响机组的稳定和安全运行。为解决这个问题, 除了选用相对耐磨损的材料和改善流道型线设计外, 水轮机过流部件转轮采用ZG20Mn Si替代了0Crl3Ni4Mo材质, 采用超音速火焰喷涂技术处理水轮机过流部件转轮叶片, 在其表面形成碳化钨耐磨涂层。随着金属表面喷涂防护技术的发展和逐步成熟, 超音速火焰喷涂的粉末粒子速度高, 涂层致密且结合强度高, 能够有效抵抗泥砂的强烈冲刷和磨损, 提高了水轮机过流部件的使用寿命。

2 工作原理

图1超音速火焰喷涂装置 (HVOF) 是二十世80年代出现的一种高能喷涂方法。它是以煤油或丙烷等为燃料, 利用氧气和压缩空气为助燃剂, 通过控制装置将燃料和助燃剂以一定的压力和流量输送到喷枪, 高强度的燃烧使气体快速膨胀, 形成高压, 把喷涂材料以粉末状注入高速喷射燃烧的火焰中, 燃烧产物在高压驱动下形成高速气流, 以两倍马赫以上的超音速度通过枪管冲出枪外。高速燃气一方面使粉末材料的颗粒达到半熔化状态, 另一方面又使粉末材料的颗粒加速运动, 让熔化后的粉末材料紧密均匀地附着在被喷涂物体的表面上, 与基体形成物理结合。它具有涂层高致密度、低孔隙率、涂层与基体结合强度高、设备简单易人工操作等特点, 例如:WC-Co涂层表面抗磨能力比0Crl3Ni4Mo高70倍以上, 其抗空化能力与0Crl3Ni4Mo相当, 因此, 在水电设备的抗磨蚀技术方面得到了广泛的应用[1]。

3 超音速火焰喷涂工艺

超音速火焰喷涂设备可以自动控制, 也可人工手动操作, 在严格按照喷涂要求和掌握喷涂的速度、温度、喷嘴与工件距离等技术参数下, 手工操作同样能获得良好的喷涂效果, 以本公司柬埔寨PH2项目中的水轮机转轮叶片 (如图2所示) , 转轮叶片材料ZG20Mn Si, 喷涂WC-10%Co-4%Cr粉末的制作来介绍超音速火焰喷涂工艺过程。

工艺流程:喷涂前预处理→粗化处理→喷涂处理。

(1) 喷涂前预处理。转轮叶片必须表面去油渍清洁, 气孔补焊, 表面抛光打磨, 使表面粗糙度不大于6.3um, 无裂纹, 无气孔、砂眼, 进行无损探伤检测, 直至合格。

(2) 粗化处理。烘干后通过高压喷砂机, 16#棕刚玉磨料, 进行喷砂粗化, 注意工件转轮应力集中区表面粗化层要均匀良好。

(3) 喷涂处理。预先把转轮叶片加热, 控制转轮叶片温度不要超过120℃, 然后送粉装置均匀输送喷涂粉末, 严格控制每次涂层厚度不大于10um, 多次循环喷涂直至表面涂层厚度达到50um的要求, 这样不会影响转轮叶片叶型, 喷涂质量也容易保证。

喷涂设备:KY-HVO/AF JP500型超音速火焰喷涂设备, 喷涂工艺参数如表1:

采用喷涂粉末材料为WC-10%Co-4%Cr, 化学成分:Co:9~11%;Cr:3~5%;Fe:max 0.3%;C:5~6%;O:max 0.2%, 烧结破碎法制造。钴铬晶格的耐腐蚀性和耐磨损性比钴晶格高, 用于水性溶液和湿气腐蚀环境, 具有良好微观结构和高结合强度的光滑涂层。这种材料主要特点是对水下恶劣环境适应性、抗磨蚀能力强, 适用于水轮机过流部件的喷涂。

(4) 通过显微硬度计对5个基材试块喷涂测试, 载荷2.942N (0.3kgf) , 每个喷涂试块取5点, 取3点相近值作为测试基准, 计算算术平均值, 测得表面硬度大于1200Hv。从图3可知在涂层和基体上, 高硬度层分布在涂层区, 在涂层区最高硬度值并不是在最外表面, 而是距表面约40um, 表面最高硬度可达到2000Hv。在标准拉力试验机上进行拉伸试验, 计算出结合强度大于70Mpa。图4是涂层组织结构金相分析照片, 可知在涂层与基体结合紧密, 没有出现裂纹和气孔等缺陷。

4 超音速火焰喷涂在机械抗磨蚀方面的应用

随着超音速火焰喷涂技术日益发展, 在抗磨蚀方面其所使用的喷涂粉末材料代表性有:WC-Co, WC-Co-Cr, WC-Ni-Cr以及Fe Cr Al Y-Cr3C2等, 并且在不同抗磨蚀领域等到了广泛的应用。国内外的研究表明:WC-Co, WC-Co-Cr系列涂层对低能和高能的粒子冲击磨损有着良好的抗磨蚀性能, 为解决过流部件的泥沙磨磨损问题提供了合适的解决方案[2,3], 目前普遍在水轮机、阀门等流体机械抗磨蚀方面得到了应用。

柬埔寨PH2项目SF1250-52/4250 (6300V) 水轮发电机组经过3年的运行, 根据用户反馈信息得知:在2010年12月底机组保修检查时, 水轮机转轮叶片磨蚀情况总体良好, 对转轮叶片喷涂层进行检查, 叶片正面涂层完好, 涂层厚度无明显减薄;叶片外缘基本完好叶片与转轮室间隙无扩大;叶片背面强汽蚀区局部涂层少量空蚀脱落 (如图5所示) , 而转轮主体边缘区已形成约1.5mm磨损量。可见转轮叶片采用超音速火焰喷涂碳化钨耐磨涂层, 防护效果较好, 提高了水轮机过流部件的抗磨蚀, 缓解了空蚀的危害, 延长了水轮机的使用寿命和机组检修周期。

如小浪底水电站在采用WC-Co超音速火焰喷涂层进行防护, 防护部位包括:导叶上、下端面, 导叶正、背面的进、出口区域和接近上、下端部的区域;上、下抗磨板表面;转轮叶片进、出水边区域和靠近下环的高速水流区域;下环内表面;上、下止漏环表面等。该水轮机在经过了11659h的运行后, 水轮机转轮磨蚀量比较小, 在允许范围以内[4]。

如广东明珠阀门公司于2001年开发的整体阀座金属密封球阀, 球体和阀座使用HVOF JK112涂层, 硬度≥70HRC, 寿命试验2万次, 密封情况良好, 用户使用获得了良好的效果, 整体阀座金属密封球阀可真正的消除泄漏, 提高工作效率, 并使维护更安全, 停工时间更短[5]。

采用超音速火焰喷涂技术, 不但能强化修复电站的进口阀门的门芯、门座、门杆, 提高其使用寿命, 节约配件费用, 减少停机损失, 而且能制造性能优异的门芯、门座、门杆, 改善其表面抗高温氧化、抗冲蚀性能, 取代进口配件, 节省资金, 并可提高配件可靠性, 提高设备安全运转周期[6]。

5 结语

采用超音速火焰喷涂技术喷涂碳化钨涂层, 在承受水流水力作用下, 具有高结合强度, 能够较好的抵抗磨蚀, 提高了水轮机过流部件的抗磨蚀性能。采用此技术可以给水电厂带来巨大的经济效益。发展金属表面喷涂处理技术, 克服水轮机、阀门等流体机械过流部件严重的磨蚀破坏, 从而使过流部件用一般材质替代特殊材质, 为企业生产降低了成本, 提高了市场竞争力。

随着超音速火焰喷涂技术的发展和逐步成熟, 以及用户使用性能要求的不断提高, 特别对恶劣工况中流体机械过流部件抗磨蚀的性能要求提高, 为超音速火焰喷涂发展和应用提供了更广阔的空间。

参考文献

[1]陈莹, 陈德新, 崔旭东.多泥沙河流水轮机磨蚀的防护技术[J].华北水利水电学院学报, 2006, 27 (2) :60-62.

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[4]孔卫起, 李国怀, 王忠强, 田武慧, 任涛.小浪底水电站水轮机抗磨蚀措施与实践[J].电网与水力发电进展, 2007, (10) :42-45.

[5]王志忠, 陈焕良.超音速喷涂在金属密封球阀上的应用[J].阀门, 2004, (03) :10-12.

多功能超音速论文 篇3

通常, 热喷涂技术可分为火焰热喷涂、电弧热喷涂、等离子喷涂、爆炸式喷涂和超音速电热弧喷涂 (亦称高速氧-燃气喷涂, 即HVOF) 。超音速电弧热喷涂技术是一种材料表面强化加工与表面保护的新技术, 它在材料表面改性技术应用中占有重要的地位。该项技术我国试用于1950年代, 1970年代末逐步推广应用于航空、发电及汽车、模具制造等行业。目前, 无论在热喷涂设备的制造、材料的选用、工艺的普及等方面都在迅速发展, 已成为表面技术中一个重要核心组成部分。

超音速电弧喷涂 (Supersonic Arc Spraying) 是在普通电弧喷涂 (Arc Spraying) 基础上发展起来的新技术;超音速电弧喷涂层具有比普通电弧喷涂层更为优越的性能, 近年来广泛应用于机械、化工、电力、冶金等行业, 特别是将其用于火力发电厂的锅炉管道上, 较好地解决了锅炉管道的高温磨损和腐蚀问题, 为电厂的安全稳定运行发挥了重要的作用, 也给电厂带来了良好的经济效益和社会效益。

2 防磨罩在锅炉省煤器中的作用

防磨罩是锅炉省煤器中的易损件之一, 主要安装在锅炉省煤器中。当燃用固体燃料时, 常带有大量煤灰颗粒, 当煤灰颗粒随锅炉烟气流过对流受热面省煤器管子时, 由于煤灰颗粒的冲击和摩擦会对受热面管子产生剧烈磨损。当燃用大量发热量低而灰分高的燃料时更易发生磨损。当燃用含硫燃料时, 烟气中的三氧化硫在受热面壁温低于烟气露点时会发生受热面腐蚀。磨损和腐蚀对锅炉寿命和安全运行危害较大。省煤器及其同类结构的受热面的管子在同一烟道截面和同一管子圆周上的磨损程度都不相同。此外, 对磨损严重的省煤器管段或弯头处可采用防磨罩来减轻磨损。在热喷涂技术刚刚推广时, 曾经在锅炉行业推广过直接往锅炉省煤器管段热喷涂镍铬碳铬材料的工艺, 但在长时间的电站锅炉维修过程中发现, 此工艺不适用。因为直接向省煤器管段热喷涂镍铬碳铬材料, 虽然有效解决了省煤器管段的耐热和耐摩擦问题, 但在现场维修时更换省煤器管段的工作量和成本无法和直接更换防磨罩相比, 因此喷涂式防磨罩的应用在电站锅炉维修中进一步得到推广。

防磨罩的作用之一为可避免被保护的省煤器管段与烟气中的煤灰颗粒直接接触, 其作用之二可减小省煤器管弯头与炉墙之间间隙中的烟速以减轻该处的管段磨损。所以为延长防磨罩使用寿命, 必须提高防磨罩的耐高温和耐磨能力。

3 防磨罩的材料选择

更换防磨罩必然会增加锅炉维修成本, 用低价的材质代替传统的材料而达到预期效果, 是降低锅炉维修成本的唯一方式。传统的防磨罩制作材料一般以1Cr18Ni9Ti和1Cr13为主, 1Cr18Ni9Ti材料因耐热温度高, 用在省煤器的高温段, 1Cr13的耐热温度和抗磨能力较次于1Cr18Ni9Ti, 往往用于低温段。防磨罩的制造成本高主要是由于1Cr18Ni9Ti和1Cr13的材料比较昂贵。普通的耐热材料, 耐热温度能保证, 但受热后耐磨能力急剧下降。经长时间的现场试验证明, 用普通的耐热材料Q345加工的防磨罩, 外表面用超音速电弧喷涂上镍铬碳化铬的保护层, 既大大降低了材料成本, 又解决了产品的耐热问题。耐磨能力远远超过了采用1Cr18Ni9Ti材料制造的防磨罩, 延长了防磨罩的使用寿命。防磨罩结构如图1所示。

由表1、表2可知, 采用Q345材料表面加热喷涂的防磨罩无论在制造成本上, 还是在耐热温度和抗磨性能上, 都大大优于1Cr18Ni9Ti材料制成的防磨罩。打破了传统的制作工艺, 降低了电站锅炉的制造成本, 减少了电站锅炉的维修周期。这种防磨罩现已在多家电站推广使用。

防磨罩模具的制作比较简单, 通常采用45钢, 成型表面采用高频淬火来提高模具表面硬度。如果将通用的45钢改为A3钢, 再将成型表面热喷涂镍铬碳铬材料, 其使用效果远远超过以往的传统工艺。本文不再逐一举例。相信超音速电弧喷涂在防磨罩及模具上的应用推广将进一步推动我国表面热喷涂技术的发展。

摘要：阐述了超音速电弧热喷涂工艺技术的应用现状, 介绍了将超音速电弧热喷涂应用于电站锅炉防磨罩及模具中的作用及优势。