隨著金屬注射成型、 金屬 3D 打印、 粉末冶金等增材制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， 高質(zhì)量粉末的需求量越來(lái)越大。用氣霧化方法制備金屬粉末是目前使用最廣泛的手段之一， 采用氣霧化法制備的金屬粉末具有球形度好、 粒徑較小、 粒徑分布較集中、 方便控制等優(yōu)點(diǎn)。氣霧化制粉的基本原理是：熔融的金屬液通過(guò)導(dǎo)管落下后受到高速氣流的沖擊作用， 熔體表面出現(xiàn)擾動(dòng)， 繼而發(fā)展為波狀并破碎， 形成條帶， 隨后條帶再次受到氣體的作用， 發(fā)生二次破碎形成細(xì)小的液滴， 由于表面張力， 液滴保持球形， 凝固形成粉末。氣霧化法首次使用至今已有 90 余年， 但人們對(duì)于霧化過(guò)程中的破碎機(jī)理尚不十分明確， 其主要原因是氣霧化過(guò)程的流場(chǎng)速度快、 溫度高、 氣相與液相相互耦合， 且缺乏有效的觀測(cè)手段， 導(dǎo)致研究起來(lái)相對(duì)復(fù)雜、 困難。目前多常采用計(jì)算機(jī)模擬的方法研究氣霧化過(guò)程中與流場(chǎng)相關(guān)的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)可以模擬計(jì)算出流場(chǎng)中的速度場(chǎng)、 溫度場(chǎng)、粒度分布等信息， 對(duì)流場(chǎng)分析和工藝參數(shù)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。近年來(lái)， 一些光學(xué)測(cè)量手段的發(fā)展、 應(yīng)用， 為氣霧化過(guò)程中流場(chǎng)的測(cè)量提供了可能。高速攝影、 粒子成像技術(shù)、 相位多普勒粒子分析儀 (PDPA) 等手段可以測(cè)量高速狀態(tài)下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)， 使得直接測(cè)量氣霧化過(guò)程中的流場(chǎng)得以實(shí)現(xiàn)。顧小民等較早采用高速攝影的方法拍攝了氣霧化和水霧化的過(guò)程， 分析了霧化過(guò)程中的不同階段?？禒N等使用 PDPA 方法研究了一種扇形水射流的流場(chǎng)， 其流場(chǎng)具有與霧化流場(chǎng)相似的多相耦合、 速度快等特點(diǎn)。王偉東等曾使用一套 PIV 測(cè)量系統(tǒng)研究了一個(gè)超聲速自由射流的流場(chǎng)， 得到了詳細(xì)的流場(chǎng)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)。劉靜等用紋影法研究了一個(gè)在超聲速氣流中的橫向射流霧化流場(chǎng)， 并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了定性分析。這些方法對(duì)于霧化流場(chǎng)的研究能起到很大的幫助作用。A.M.Mullis曾利用高速攝影的手段研究了噴嘴的幾何形狀對(duì)金屬熔體的影響， 找到了一種較好的噴嘴形狀。Stevano Wahono 等曾利用高速攝影的方法研究了一種特殊結(jié)構(gòu)的霧化噴嘴的霧化過(guò)程， 分析了液流的振動(dòng)情況及其影響因素。近年來(lái)的研究常用 ANSYS Fluent 流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)霧化噴嘴的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算模擬， 通過(guò)求解控制方程和湍流模型來(lái)獲得霧化流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)等信息。Aydin 和 Unal 等人利用計(jì)算機(jī)模擬研究了氣霧化壓力和噴嘴幾何形狀對(duì)氣體出口速度的影響，發(fā)現(xiàn)氣體速度與壓力之間并非正比例關(guān)系， 相同壓力差下氣體速度的增幅并不相同。在 2.7 MPa的氣體壓力下， 氣體速度最大值為663m/s， 氣壓1.0MPa 得到氣體速度最小值為 631 m/s。合理的幾何形狀可以在相同的氣體質(zhì)量流量比下得到最大的氣體速度， 從而提高霧化效率。由此， Fluent 軟件經(jīng)常用來(lái)指導(dǎo)新型霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 以節(jié)約成本， 縮短研發(fā)周期。目前國(guó)內(nèi)外的研究較多只注重計(jì)算機(jī)模擬或?qū)嶒?yàn)， 而未把兩者有效地結(jié)合。故本文在以獲得一些計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的前提下， 用常溫液體代替高溫金屬熔體， 在常溫條件下模擬實(shí)際氣霧化過(guò)程， 并采用一些流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究氣霧化過(guò)程中的流場(chǎng)情況， 比如破碎過(guò)程、液滴分布等。這樣可以比較直觀地觀測(cè)氣霧化過(guò)程中的流場(chǎng)且可以對(duì)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果加以驗(yàn)證。
使用 Fluent 軟件， 載入霧化噴嘴的模型并劃分網(wǎng)格， 設(shè)置能量方程、 金屬溶體的各項(xiàng)參數(shù)、霧化氣體的相關(guān)參數(shù)、 霧化氣氛、 邊界條件和計(jì)算步長(zhǎng)等參數(shù)后， 進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果可以顯示霧化過(guò)程中的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等。
本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霧化噴嘴， 噴嘴輪廓采用典型的拉瓦爾曲線， 可以在氣體壓力較低的情況下獲得超音速氣流。通過(guò)計(jì)算模擬 ，調(diào)節(jié)至最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 采用有機(jī)玻璃作為主體材料， 考慮到經(jīng)濟(jì)性和加工方便， 采用環(huán)縫型的拉瓦爾噴嘴， 噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。采用水代替金屬熔體， 氮?dú)庾鳛殪F化氣體， 在常溫條件下模擬真實(shí)情況下的氣霧化過(guò)程。通過(guò) Fluent 軟件的計(jì)算模擬， 可以得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)下， 霧化過(guò)程中流場(chǎng)、 溫度場(chǎng)等的分布情況，如圖2 所示。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的方法， 可以驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性。
圖 1 霧化器剖面圖
圖 2 Fluent 計(jì)算模擬的霧化流場(chǎng)結(jié)果（速度場(chǎng)）
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，霧化噴嘴結(jié)構(gòu)確定之后，可控制的變量一般包括金屬熔體的過(guò)熱度、霧化氣體壓力和溫度、霧化氣體的種類(lèi)等參數(shù)。在本文中，出于簡(jiǎn)化和貼近實(shí)際生產(chǎn)的原則，將液體流量和溫度固定，流量采用 60L/h，溫度采用20℃，氣體壓力通過(guò)減壓閥控制， 根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，如圖 3 所示，在其他條件不變的情況下，僅改變霧化壓力的大小，在 1.7MPa、2.2MPa和 2.7MPa 三個(gè)不同的壓力下制得的粉末平均粒徑更小且粒徑分布較窄；故設(shè)置實(shí)驗(yàn)壓力為 1.7MPa、2.2MPa 和 2.7MPa。同時(shí)， 在壓力為 2.2MPa 時(shí)，添加一組液體流量為 120L/h 的實(shí)驗(yàn)， 對(duì)比分析液體流量對(duì)霧化過(guò)程的影響。
Lubanska研究了一種低熔點(diǎn)鐵合金的霧化工藝參數(shù)與粉末粒度之間的關(guān)系后總結(jié)出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：
圖 3 不同霧化壓力下粉末的粒徑分布和標(biāo)準(zhǔn)差分布
其中，dm 為粉末平均粒度，kd 為常數(shù)，一般為 40-50，d0 導(dǎo)流管直徑，Jm 為液態(tài)金屬流量，Jg為氣體流量，μm 和μg 分別為液態(tài)金屬和氣體的動(dòng)力黏性系數(shù)，Vgi 為霧化氣流場(chǎng)的初始流速，σm 為液態(tài)金屬表面張力，ρm和ρg分別為液態(tài)金屬的流體密度和氣體的密度。
由公式可以看出，在霧化器結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)確定地情況下，粉末的粒度只與金屬熔體的動(dòng)力黏性系數(shù) μm、金屬熔體的表面張力σm 以及金屬熔體的密度 ρm 有關(guān)。
由于金屬熔體和常溫下水的性質(zhì)比較接近，采用水在常溫下模擬氣霧化過(guò)程中的流場(chǎng)，能在一定程度上反應(yīng)真實(shí)流場(chǎng)的情況。在之前的一些研究中，也有用水代替金屬熔體的模擬實(shí)驗(yàn)。I. N.McCarthy 在研究中添加了一組用水代替金屬熔體的實(shí)驗(yàn)，作為普通實(shí)驗(yàn)的對(duì)照和補(bǔ)充， 在兩組實(shí)驗(yàn)中觀察到了相同的流體不規(guī)則脈動(dòng)， 兩者可能具有相同的破碎機(jī)理。
本文以一種激光熔覆涂層用 FeNiCrSiMoMnC合金為對(duì)象， 采用水代替該種金屬熔體后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相比， 計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M都有一定的差別。在計(jì)算機(jī)模擬中， 主要過(guò)程為：(1) 建立物理模型，劃分網(wǎng)格；(2) 選擇合適的湍流模型， 設(shè)置邊界條件；(3) 選擇合適的求解器， 計(jì)算結(jié)果并分析。誤差主要出現(xiàn)在湍流模型和計(jì)算求解的過(guò)程中， 通過(guò)設(shè)置合理的模型和步長(zhǎng)， 可以提高計(jì)算的精度，使結(jié)果更貼近實(shí)際。
高速攝影拍攝的結(jié)果可保存為視頻文件，利用 Adobe Premiere Pro 軟件，可將視頻中每一幀圖像提取出來(lái)，選擇其中典型的霧化圖像可以對(duì)霧化過(guò)程進(jìn)行分析。以氣體壓力為1.7MPa， 液體流量為 60L/h 為例， 提取出一系列圖片， 如圖 4所示。
(1) 使用水代替金屬熔體， 根據(jù)霧化破碎相關(guān)理論， 水的液滴粒徑將小于金屬熔體的液滴， 且水的液滴在霧化流場(chǎng)中的飛行中， 其加速度也與金屬熔體的液滴不同， 但兩者的破碎機(jī)理是相似的。
(2) 實(shí)際生產(chǎn)中， 霧化過(guò)程是在一個(gè)限制體積，且霧化區(qū)域的氣氛與霧化氣體相同的環(huán)境中。模擬實(shí)驗(yàn)是在開(kāi)放的環(huán)境下， 且霧化區(qū)域的氣氛是空氣。這可能會(huì)導(dǎo)致氣流場(chǎng)的速度和方向產(chǎn)生一定的差別。
(3) 實(shí)際生產(chǎn)中的金屬熔體是塊體材料熔煉后， 從坩堝中自由落下， 由于坩堝中液體液面高度降低， 液體流量并不是定值， 本實(shí)驗(yàn)采用其平均流量并加以控制， 模擬霧化過(guò)程中比較穩(wěn)定的階段。
(4) 由于霧化過(guò)程在一封閉環(huán)境中，霧化后的氣體通過(guò)容器底部反彈，會(huì)對(duì)霧化流場(chǎng)產(chǎn)生影響。噴嘴與底面距離不同，其影響不同。但本實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注距離噴嘴較近距離內(nèi)的霧化情況，故將此差別忽略不計(jì)。
在霧化氣體壓力達(dá)到預(yù)定值并穩(wěn)定后， 形成的霧化流場(chǎng)也會(huì)變得穩(wěn)定， 液體破碎的機(jī)理和程度都不隨時(shí)間改變。如圖 5 所示， 為不同霧化氣體壓力下， 霧化流場(chǎng)穩(wěn)定后的圖像。圖 5 中的 (a)、(b)、 (c) 分別為霧化氣體壓力為 1.7MPa、 2.2MPa、2.7MPa 時(shí)的霧化流場(chǎng)圖像。
圖 4 1.7MPa 霧化圖像：(a) t=0ms; (b) t=273ms;
(c) t=373ms; (d) t=473ms
圖 5 不同壓力時(shí)的霧化流場(chǎng)圖像：(a) P=1.7MPa; (b) P=2.2MPa; (c) P=2.7MPa
通過(guò)分析不同霧化氣體壓力下流場(chǎng)圖像， 穩(wěn)定的霧化流場(chǎng)大致為兩個(gè)錐形相接的形狀；在導(dǎo)液管出口下方都存在一塊收束區(qū)域， 收束區(qū)之下，流場(chǎng)繼續(xù)擴(kuò)大變得分散；在最接近導(dǎo)液管出口處，液滴存在的區(qū)域直徑大于導(dǎo)液管的直徑；隨著霧化氣體壓力增大， 流場(chǎng)的膨脹程度減小， 壓力增大到一定程度后， 膨脹程度幾乎不變。
對(duì)比計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果， 可以很好得解釋上述現(xiàn)象的產(chǎn)生。圖 6 是計(jì)算機(jī)模擬的流場(chǎng)回流區(qū)速度矢量圖。在導(dǎo)流管出口附近存在一個(gè)錐形的回流區(qū)， 其中氣體的速度方向與整體的氣體速度方向相反， 且速度最大處高達(dá) 250m/s， 在實(shí)際生產(chǎn)中可能產(chǎn)生負(fù)壓， 導(dǎo)致反冒現(xiàn)象。由于回流區(qū)的存在， 部分液滴也會(huì)在回流區(qū)運(yùn)動(dòng)， 使液滴存在的區(qū)域直徑大于導(dǎo)液管的直徑。在回流區(qū)尖端存在一個(gè)滯點(diǎn)， 該點(diǎn)霧化氣體的速度為零。降低回流區(qū)的氣體壓力將有利于生產(chǎn)過(guò)程中液體順利流下。經(jīng)過(guò)滯點(diǎn)后， 高速氣流相互碰撞、 反彈，流場(chǎng)逐漸擴(kuò)大， 又形成與回流區(qū)相反的錐形結(jié)構(gòu)，與模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。
圖 6 回流區(qū)速度矢量圖
圖 7 不同液體流量時(shí)的霧化流場(chǎng)圖像：(a) Q=60L/h; (b)Q=120L/h
圖 8 不同 GMR 條件下液滴的平均粒度分布和標(biāo)準(zhǔn)差分布
本文通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的方法， 獲得了與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程類(lèi)似的氣霧化流場(chǎng)， 使用高速攝影拍攝了流場(chǎng)的典型圖像， 分析可得到以下結(jié)論：