0I:10.13374/j.1ssn1001053x.1997.01.004 第19卷第1期 北京科技大学学报 Vol.19 No.1 1997年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1997 雾化喷射沉积成形中沉积体内的凝固过程() 理论分析* 张济山12)崔华)段先进)孙祖庆2)陈国良12) 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)材料科学与工程学院 摘要采用“虚拟”凝固层的概念，通过对沉积坯内凝固过程的温度分布、凝固时间、虚拟凝固层 厚度等参数的理论分析，建立了相应的理论模型，并求得了这些参数的数值解， 关键词喷射沉积成形，沉积坯件，凝固分析，模拟 中图分类号TG394 雾化喷射沉积成形新材料制备技术日益成熟，已开始实用化，1，雾化喷射沉积成形过程 由金属液流雾化与熔滴沉积2个基本过程组成.虽然对金属液流的雾化过程已经有了较深入 的了解，但熔滴沉积过程中的基本物理现象还有许多需研究的问题，如：①基体初始态的选择 存在随意性，给最终解的精确度带来影响；②基板和沉积表面处换热系数的选择存在一定困 难，难以准确给出，只能根据部分研究结果推测；③没有充分考虑喷射气流和高速金属雾流与 沉积体表面层的强制对流对固液两相混合区内温度分布的影响.因此，本文分析了雾化喷射 沉积成形过程中沉积体内的凝固过程，为认识这一过程的基本规律提供理论上的依据 1虚拟系统的热传导方程 为了便于分析沉积体内的凝固过程，对这一类有界面热阻的传热问题，引人虚拟凝固层 的概念，如图1所示.将沉积体与基板之间的界面热阻视为等价于一层已凝固的金属，即 为虚拟凝固层.也就是把金属与基板之间视为完全热接触，并可以用一个有限的换热系数表 征.在虚拟系统中令虚拟凝固层中的温度降正好等于实际系统中的表面热阻引起的温度降， 这就将一个具有界面热阻的复杂传热问题转换成界面上理想接触的纯导热问题， 在虚拟系统中，材料中的热传导可用傅里叶热传导方程表示： ()- (1) 其中，a为热扩散率(a=k/pc,k-导热系数，p-密度，c-比热容)，T为热力学温度，x 为虚拟系统中的距离，'为虚拟系统中的时间. 实际标系统与虚拟系统之间的坐标变换如下（见图）： x=x+L。f=t+6 1996-11-05收稿第一作者男39岁教授博士 ·国家自然科学基金资助项目第 ，卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 。 雾化 喷射沉积成形 中沉积体 内的凝 固过程 — 理论分析 张济山 ’ ， 崔 华 段先进 ， 孙祖庆 陈 国 良 ‘ ， 北 京科技 大学新金 属 材料 国 家 重 点实验室 ， 北京 材料科学与工程学 院 摘要 采用 “ 虚 拟 ” 凝 固层 的概念 ， 通 过 对沉积坯 内凝 固过 程 的温度分布 、 凝 固 时 间 、 虚拟凝 固层 厚度等参数 的理论分析 ， 建立 了相应 的理论模型 ， 并求得 了 这些参数的数值解 关键词 喷射沉积成形 ， 沉积坯件 ， 凝 固分析 ， 模拟 中图分类号 雾化 喷射沉 积成 形新 材 料 制 备技 术 日益 成熟 ， 已 开始实 用 化 ‘刀 雾化喷射沉积成 形过程 由金 属 液 流雾 化 与熔 滴 沉 积 个基 本过 程 组成 虽 然 对金 属 液 流 的雾 化过 程 已 经有 了较深人 的 了解 ， 但熔滴沉 积过 程 中的基本物理 现 象还有许多需 研究 的 问题 ， 如 ① 基体初始 态 的选择 存在 随意性 ， 给最 终解 的精 确度 带来 影 响 ② 基 板 和 沉 积 表 面处换 热 系数 的选 择存 在 一定 困 难 ， 难 以 准确 给 出 ， 只 能 根 据部 分研究 结果 推测 ③ 没 有 充分 考虑 喷射气流和 高速金 属雾 流 与 沉积体表 面层 的强 制 对流 对固液 两相 混 合 区 内温 度 分 布的影 响 因此 ， 本文分 析 了雾化 喷射 沉积成形 过 程 中沉 积体 内的凝 固过 程 ， 为认 识这 一过 程 的基本规律提供理 论上 的依 据 虚拟系统的热传导方程 为 了便 于 分 析沉 积 体 内的凝 固过 程 ， 对这 一 类有 界 面 热 阻 的传 热 问题 ， 引人 虚拟 凝 固层 的概 念 ，’ ， 如 图 所 示 将 沉 积 体 与基 板 之 间 的界 面 热 阻 视 为等 价 于 一层 已 凝 固 的金 属 ， 即 为虚 拟 凝 固层 也就 是 把 金 属 与基 板 之 间视 为 完全 热接 触 ， 并 可 以 用 一 个有 限 的换热 系数 表 征 在 虚拟 系 统 中令 虚拟 凝 固层 中的温 度 降正 好等于 实 际 系 统 中的表 面热 阻 引起 的温度 降 ， 这就将 一个具有界 面热 阻 的复 杂传热 问题 转换成 界 面 上理 想接触 的纯 导热 问题 在 虚拟 系 统 中 ， 材料 中的热传导可 用傅 里 叶热传 导方程 表示 了日 、 “ 气百 三少 了 其 中 ， 为 热 扩 散 率 。 ， 一 导热 系数 ， 一 为虚拟 系 统 中的距 离 ， ’ 为虚拟 系 统 中的 时 间 实 际系 统 与虚拟 系 统之 间的坐标 变换 如下 见 图 ’ 二 几 ’ 密度 ， 一 比热 容 ， 为 热 力 学 温 度 ， 丫 一 卜 收稿 第一作者 男 岁 教授 博士 国家 自然科学基 金 资助项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1997．01．004