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1、第 39 卷 第 2 期2005 年2 月上海交通大学学报JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSIT YVol.39 No.2Feb.2005收稿日期:2004-02-25基金项目:上海市纳米专项技术基金研究项目(0352nm054)作者简介:翟长生(1971-),男,河南南阳人,博士生,现主要从事表面涂层技术和仿生结构纳米复合材料研究.孙宝德(联系人),男,教授,博士生导师,电话(T el.):021-62932914;E-mail:bdsun .文章编号:1006-2467(2005)02-0211-05爆炸喷涂爆炸波参数数值计算翟长生1,王俊1,赵文明1
2、,杨毅2,巫瑞智1,孙宝德1(1.上海交通大学 金属基复合材料国家重点实验室,上海 200030;2.河南郑州大洋热喷涂有限公司,郑州 450002)摘要:对爆炸喷涂燃烧室爆轰波的形成及爆轰产物热力学及动力学参数进行了数值计算.结果表明,爆炸喷涂气相爆轰系统爆轰特性主要取决于气相系统的选择和初始混合气体配比.C2H2+O2气相爆轰系统更适合于喷涂高熔点的陶瓷、金属陶瓷及纳米复合陶瓷粉体,其最优化工艺参数应该选择在零氧平衡附近.而 H2+O2气相爆轰系统则适用于喷涂低熔点的金属及其合金,金属粉体的熔点越高,最优化参数越接近于零氧平衡点.关键词:气相爆炸喷涂;爆轰波;爆轰产物;数值计算中图分类号:
3、T G 174.442文献标识码:ADetonation Wave Simulation of Gas Detonation Spray GunZHA I Chang-sheng1,WA NG Jun1,ZH A O Wen-ming1,YA NG Yi2,WU Rui-zhi1,SUN Bao-de1(1.Stake Key Lab.of Metal Matrix Composites,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai 200030,China;2.Henan Zhengzhou Dayang Thermal Spray Co.Ltd,Zhengzhou 45
4、000)Abstract:T he detonation wave generation was investigated through the numerical simulation of a gas deto-nation spray gun.T he results show that the detonation characteristic of gas detonation spray gun mainlydepends on different gas detonation system and mixed gases matching.C2H2+O2system is mo
5、re suitablefor spraying ceramic,metal-ceramic and nanocomposite powders than H2+O2system,and its optimizedspraying parameters are selected in the vicinity of zero-oxygen balance.Whereas H2+O2system is an adap-tive alternative for spraying metal and metal alloy powders.T he higher the melting point o
6、f the powders,the nearer the optimized spraying parameters to the zero-oxygen balance.Key words:detonation spray;detonation wave;detonation products;numerical simulation爆炸喷涂能制备强度高、致密、性能优异的金属及合金、玻璃、陶瓷等涂层,因而得到了越来越广泛的应用 13.不同于等离子体射流及超音速焰流速度和温度特性,爆炸喷涂焰流实质上是气相爆轰强冲击波 46.爆炸喷涂过程主要包括爆轰波的产生、爆轰产物与喷涂粉体组成的两相流的传热
7、与粒子的加速以及涂层的沉积三个阶段.喷涂粉末在爆炸喷涂焰流中的熔化和加速将直接影响着涂层的微观结构、相变程度及力学性能 79.然而,目前尚未有文献对爆炸喷涂过程及其涂层的形成从理论上进行数值分析以揭示爆炸喷涂层的强化机理.本文通过数值计算的方法对爆炸喷涂过程的关键步骤爆炸喷涂燃烧室爆轰波的形成及其爆轰产物的热力学和动力学特性进行了理论分析,并根据数值计算结果提出了爆炸喷涂时燃气的选择和参数的优化原则.1爆炸喷涂爆轰波模型1.1基本假设根据爆炸喷涂工作原理及物质爆炸理论,对爆炸喷涂燃烧室爆轰波作如下基本假设:(1)爆轰前后气体皆为理想气体;(2)忽略粉体在燃烧室对爆轰波的作用,假设为气相爆轰;(
8、3)该过程属于绝热过程.1.2爆轰波模型及其参数方程1.2.1爆轰波模型爆炸喷涂燃烧室爆轰波模型如图 1 所示.爆轰波由前沿冲击波和紧随其后的化学反应区组成,在化学反应区末端面处化学反应完成,形成爆轰产物.由此可见,爆炸喷涂爆轰波乃是后面带有化学反应区的强冲击波.图 1爆炸喷涂燃烧室爆轰波模型Fig.1Detonation wave model of detonation gun spray1.2.2气相爆轰波参数基本方程按照爆炸喷涂燃烧室爆轰波模型,其流动如图 2 所示.前沿冲击波波前是未爆的气相混合气体,其初始压力、密度、内能及速度分别为 p0、?0、e0和 v0.前沿冲击波和化学反应区共
9、同构成爆轰波波阵面,反应区内状态参数是变化的,至化学反应区末端面时共放出热量 QV.化学反应区末端面处爆轰产物所达到的压力、密度、内能和速度分别为 p、?、e 和 v.依据盖斯定律,本文只分析爆轰波前后状态的变化,而不考虑其具体的化学反应过程.未爆混合燃气以速度 vD向爆轰波传来,爆轰产物以初速度 vD离爆轰波而去.图 2爆轰波前后介质流动示意图Fig.2Schematic of the medium flow of detonation wave根据理想气体的爆轰理论,利用热力学知识计算可以得到相关的参数方程 6,1012:vD=2(?2-1)QV(1)v=?+1vD(2)p=1?+1?0v
10、2D(3)?=?(4)T=?M2v2D(?+1)R(5)式中:?为爆轰产物总的比热比,也称为爆轰系数;vD为爆轰波速度;R 为气体常数;M 为爆轰产物的平均摩尔质量;T 为爆轰产物的绝对温度.1.2.3化学反应区方程及 QV的计算方法爆炸产物的组成不仅与混合燃气的化学成分有关,也与爆温、爆压有关,而且爆温、爆压事先未知,所以确定其爆轰产物的组成是一个非常复杂的反复计算过程.初始混合气在爆轰过程中的反应方程式为CnHm+O2=m2H2O+nCO2+-m4-n O2(6)式中,为初始氧气及燃料气物质的量比,m/4+n.按照爆炸喷涂的特点及氧平衡的程度,此反应属于零氧或正氧平衡,即依据最大放热原则,
11、碳氢化合物中的氢和碳分别全部氧化成 H2O 和 CO2.当 m4+n 时,未反应的氧气可以看作是一种掺杂气体.盖斯定律表明,化学反应的热效应与反应进行的途径无关,而只取决于反应的初态和终态 13.按照盖斯定律,计算的炸药爆热为定压爆热,即Qp=ki=1niQpRi-kj=1njQpRj(7)式中:nj、ni分别为原始混合气体组分及爆轰产物组分的物质的量;Qp Rj、QpRi分别为原始混合气体组分及爆轰产物组分的定压生成热.对于爆炸喷涂爆轰反应来说,可以近似地看作定容过程.结合理想气体热力学第一定律,可得出QV=Qp+!nRT0(8)式中:Qp为定压爆热;!n 为反应前后物质的量差;T0为爆轰反
12、应温度.1.2.4?值的确定方法?值与爆轰产物的组成有关,又与化学反应区末端面上的温度有关:?=nic-p inic-Vi=nic-Vi+(ni)Rnic-V i=1+(ni)Rnic-Vi(9)式中:c-pi、c-Vi分别为爆轰产物各组分的平均比定压热212上海交通大学学报第 39 卷容、平均比定容热容.理想气体的比热比是温度的复杂函数.根据爆炸热物理理论,爆轰产物各组分的平均比热比按下列步骤进行计算:(1)假定反应爆轰产物温度为 Tp,由卡斯特二项式,得c-Vi=a+bTp(10)计算产物组分的 c-Vi,相加后得到爆轰产物的总热量nic-Vi;(2)应用式(9)计算?;(3)将求得的?值
13、代入式(5)计算出 T.若计算出的 T 与假设值相近(2 时,vD 2.000 km/s.而C2H2+O2气相爆轰系统表现出不同的爆轰速度变化速率,尽管在零氧平衡时,其爆轰速度小于 H2+O2气相爆轰系统,但是其变化速率明显小于后者,当!=-0=2时,爆轰速度vD仍达2.150km/s图 4 对爆炸喷涂爆轰速度特性的影响Fig.4Effects of on the detonation wave velocity ofdetonation spray systems213第 2 期翟长生,等:爆炸喷涂爆炸波参数数值计算以上.两种系统的 vD随 的变化特征受在燃烧室化学反应时所产生的比能量即爆热
14、 QV和反应产物的?的双重作用,从而将进一步地影响爆轰产物的热力学及动力学参数.2.2.3 对爆炸喷涂爆轰产物特性的影响图 5、6为 对爆炸喷涂爆轰产物的热力学及动力学参数的影响.两种系统爆轰产物速度 v 均随着 的增大而呈下降趋势.在零氧平衡时,H2+O2气相爆轰系统的爆轰产物速度高于 C2H2+O2气相爆轰系统,但是其随 变化梯度明显地高于后者,反映了不同气相系统爆轰反应的特点.图 5 表明两种气相系统的爆轰产物的密度随 增大呈现不同的变化趋势.H2+O2气相爆轰系统的密度随着 的增加而增加,而C2H2+O2气相爆轰系统的密度随 增加先增加至最大值而后减小.这是由于两种不同的密度变化特性不
15、仅与反应产物的?相关,也取决于初始气相系统的平均密度.图 5 对爆炸喷涂爆轰产物速度和密度的影响Fig.5Effects of on the detonation product velocityand density由图 6 可见,两种气相爆轰系统的爆轰产物的爆温及爆压都随着 增加而减小,但是其梯度随着 变化有着明显差异.在零氧平衡时,C2H2+O2的爆压及爆温分别为3.33 MPa和5 498 K,都明显高于 H2+O2系统(2.16 MPa 和4 638 K),而且前者爆压及爆温随 变化梯度明显小于后者.前者当 =2.5 时,爆温和爆压分别在4 500 K和2.9 MPa 以上,而后者已
16、分别下降到3 000 K和 1.5 MPa 以下.两种系统的这种特点反映出了爆轰产物的爆温和爆压对 的敏感程度,必将影响到爆炸喷涂时气相系统的选择及参数的优化对不同性质粉体的熔化状况、加速效果及其相变程度.图 6 对爆炸喷涂爆轰产物温度及爆压的影响Fig.6Effects of on the detonation producttemperature and pressure2.2.4气相系统的选择和喷涂参数的优化爆炸喷涂燃烧室爆轰波的形成及爆轰产物参数数值计算结果表明,为了得到适合于爆炸喷涂的超音速射流,进行气相爆轰系统的选择及初始混合气体参数的优化非常重要,不仅决定着爆轰波速度、爆轰产物的
17、气体状态参数及随后的超音速射流的温度、速度等特性,更会极大地影响所喷涂粉体的飞行特性、熔化情况、相变及涂层的性能.首先,根据所喷涂粉体的熔点、烧结温度和相变规律选择不同的气相爆轰系统.在零氧平衡时,相对于 H2+O2气相爆轰系统,C2H2+O2系统的爆轰产物虽然具有相对较低的速度,但是其极高的爆压和温度对于高熔点和高烧结温度的陶瓷粉体的熔化和加速特性起着决定性的作用,因此,C2H2+O2气相系统适合于喷涂高熔点的陶瓷、金属陶瓷及纳米复合陶瓷粉体.而 H2+O2气相系统的相对低温特性则适合于喷涂低熔点的金属及其合金.其次,在零氧平衡点附近,爆轰产物的爆压、爆温、速度相对比较高,而在偏离零氧平衡点
18、处,其爆214上海交通大学学报第 39 卷轰产物的爆压、爆温、速度下降比较明显.故粉体的熔点越高,混合气体最优化参数越接近于零氧平衡点.相对于 C2H2+O2气相系统,H2+O2系统爆轰产物热力学及动力学参数对初始气体配比具有极强的敏感性,因而不利于在实际喷涂过程中保持工艺和涂层性能的重复性和稳定性.根据理想气体状态方程,可以得出在同一温度条件下,燃气和助燃气之间的关系:=#(15)式中:为助燃气与燃气压力比,=pS/pI;#为助燃气和燃气的体积比,#=VS/VI.在实际喷涂时,应该根据 的取值,选择合适的气相状态参数.3结论(1)爆炸喷涂气相爆轰系统爆轰特性首先取决于气相系统的选择.C2H2
19、+O2系统更适合于喷涂高熔点的陶瓷、金属陶瓷及纳米复合陶瓷粉体,而 H2+O2系统适用于喷涂低熔点的金属及其合金材料(2)初始混合气体配比极大地影响着爆轰产物的热力学及动力学参数.粉体的熔点越高,最优化参数越接近于零氧平衡点.参考文献:1 Gledhill H C,Turner I G,Doyle C.Direct morpho-logical comparison of vacuum plasma sprayed anddetonation gun sprayed hydroxyapatite coatings fororthopaedic applications J.Biomateria
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