·430- 北京科技大学学报 2003年第5期 尺寸为50μm的熔滴进行计算，讨论两种操作参 著加快液滴的飞行速度，缩短到达基板的时间， 数对以上各参数的影响，计算结果见图3.从图2 提高雾化压力这一参数涉及到提高气体与液滴 (b)和图3(b)可以直观看到，由于相对速度的影 的交换作用程度以及缩短到达基板的时间两种 响，在相应的位置区间内，对流换热系数不同程 作用，因此不能定性的确定改参数对液滴凝固过 度地随着运动距离单调变化，液滴尺寸越小或雾 程的影响. 化压力越大，产生的换热系数越大.这就是增大 图3(d中的结果对喷射沉积过程而言具有重 雾化压力也可以增加冷却速度以及尺寸较小的 要的意义.对于单-一尺寸的液滴，提高雾化气体 液漓具有较大冷却速度的根本原因， 的压力在整体结果是减缓了凝固过程，降低了固 液滴在运动过程中的温度、固相分数以及冷 相分数，这主要是由于气体流速增加使得不同尺 却速度随距离的变化关系示于图2，图3（©），(d).雾 寸的液滴更快地到达基板，而其凝固过程未能充 化液滴的冷却速率总体上遵循先降一后升一再 分进行.其实，这一点从图2(b)中也可以得到解 降的规律.在液相阶段，雾化液滴的冷却速率极 释，即雾化压力的改变对h值的提升并不十分 高，可以达到10数量级，并随着飞行距离的增加 明显， 而急剧降低：在再辉阶段，由于雾化液滴的温度 总之，从图13中得知，随沉积距离的延长， 升高，因此冷却速率变为负值，再辉结束时，冷却 对于所有尺寸的液滴，沉积结束使温度降低，固 速米又回升为正值：再辉结束后到共晶阶段，雾 相分数提高.在喷射沉积工艺中，沉积前瞬间雾 化液滴的冷却速率呈现降低一升高一降低的规 化锥内的固相分数大小对沉积质量至关重要，整 律，当雾化液滴发生共晶凝固时，冷却速率降为 体的固相分数是整个尺寸茫围内液滴的固相分 0:雾化液滴完全凝固后，冷却速率继续降低.不 数统计结果，即 同尺寸的液滴凝固过程各不相同，小尺寸的液滴 =["P(d)f(d)d(Ind). 比大尺寸的液滴冷却过程更短，冷却速度更快 式中，P八d为尺寸分布函数，f八d)为相应尺寸的固 从图3(a)中的速度曲线可以明显得知，提高 相分数，雾化锥内整体固相分数由P(d)和八d共 雾化气体的压力（提高雾化气体出口速度）将显 同决定， 0.8 MPa 1.0 MPa (a) 16 (b) 80 0.6 MPa 60 1.0 MPa 40 0.8 MPa 解 20 0.6 MPa 举 4 0 转 0 0 0.1 0.20.3 0.4 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 轴向距离m 轴向离m 1600 (c) (d) 1400 1.0 MPa 0.8 0.6 MPa 0.8 MPa 1200 0.8 MPa 滋0.6 1000 明 盖o4 1.0 MPa 800 0.6 MPa 0.2 600 400 0 0 0.1 0.2 0.30.4 0.5 0 0.1 0.20.30.40.5 轴向距离m 轴向距离m 图3初始气流速度分别为128,155,162ms,熔体过热为100K时轴向气流速度()，热交换系数(b),合金熔滴温度 (c),合金固相分数(d)沿轴向距离的变化 Fig.3 Calculated gas axial velocity(a),heat transfer coefficient(b),droplet temperature(c),and solid fraction as a function of axial distance when the superheat is 100K and the velocity of atomization gas at the nozzle throat is 128,155,162 m/s, respectively一 4 3 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 5 期 尺寸 为 5 0 阿 的熔 滴进 行计 算 , 讨 论 两种 操作 参 数对 以上 各 参数 的 影响 , 计 算 结果 见 图 3 . 从 图 2 (b ) 和 图 3 ( b) 可 以直 观看 到 , 由于 相对 速 度 的影 响 , 在 相应 的位 置 区间 内 , 对流 换 热 系数 不 同程 度 地 随着运 动距 离 单调 变化 , 液 滴 尺寸越 小 或雾 化 压 力越 大 , 产 生 的换热 系 数越 大 . 这 就 是增 大 雾化 压 力 也 可 以增 加 冷 却速 度 以及 尺 寸较 小 的 液 滴 具有 较 大冷 却速 度 的 根本 原 因!引 . 液 滴在 运动 过 程 中 的温 度 、 固相 分数 以及 冷 却速度 随 距 离 的变 化 关 系示 于 图 2 , 图 3( c), (d) , 雾 化 液 滴 的冷 却速 率 总 体 上遵 循 先 降一后 升 一再 降的 规律 . 在液 相 阶段 , 雾 化液 滴 的冷 却速 率 极 高 , 可 以达 到 10 , 数量 级 , 并 随着 飞行 距离 的增 加 而 急 剧 降低 : 在 再 辉 阶段 , 由于雾 化 液滴 的温 度 升高 , 因此 冷 却速率 变 为 负值 , 再辉 结束 时 , 冷却 速 率 又 回升 一 为 正值 : 再辉 结 束后 到 共 晶阶 段 , 雾 化 液 滴 的冷 却速 率 呈 现 降低 一升 高一 降低 的规 律 , 当 雾化 液滴 发 生 共 晶凝 固 时 , 冷 却速 率 降 为 0 ; 雾化 液 滴 完全 凝 固后 , 冷 却速 率 继 续 降低 . 不 同尺 寸 的液滴 凝 固过 程各 不相 同 , 小尺 寸 的液 滴 比大 尺 寸 的液 滴冷 却 过程 更 短 , 冷 却速 度 更 快 . 从 图 3( a) 中 的速 度 曲线可 以 明显得 知 , 提 高 雾化 气体 的压 力 ( 提 高 雾化 气体 出 口 速 度 ) 将 显 著加 快液 滴 的 飞行 速度 , 缩 短到 达 基板 的时 间 . 提 高雾 化 压 力这 一 参 数涉 及 到 提 高 气 体 与液 滴 的交 换 作 用程 度 以及 缩 短 到达 基 板 的 时 间两 种 作用 , 因 此不 能定 性 的确 定改参 数对 液 滴凝 固过 程 的影 响 . 图 3( d) 中 的结果对 喷射 沉积 过程 而 言具 有重 要 的意义 . 对 于 单 一尺 寸 的 液滴 , 提 高雾 化气 体 的压 力在 整体 结果 是减 缓 了凝 固过程 , 降低 了固 相分 数 . 这主 要是 由于 气体 流速 增加 使 得不 同尺 寸 的液 滴 更快 地到 达基 板 , 而其 凝 固过 程未 能充 分进 行 . 其 实 , 这 一 点 从 图 2 (b) 中也 可 以得 到解 释 , 即雾 化 压 力 的 改 变 对 h 值 的提 升 并 不 十 分 明显 . 总之 , 从 图 1一3 中得 知 , 随沉 积 跟 离 的延 长 , 对 于 所 有尺 寸 的液 滴 , 沉 积 结 束使 温度 降低 , 固 相分 数提 高 . 在 喷射 沉积 工 艺 中 , 沉 积前 瞬 间雾 化锥 内的固相 分数 大 小对沉 积质 量 至关 重要 . 整 体 的 固相 分 数 是整 个 尺 寸 范 围 内液 滴 的 固相 分 数统 计 结 果 , 即 不 一 工 ` 尸(训刃 d l( n 的 . 式 中 , (P 的为尺 寸分 布 函数`5] , f( 的为相应 尺 寸 的固 相 分数 , 雾化 锥 内整 体 固 相分 数 由(P 刃不uf( 刃共 同决定 . 狱 _ (b) )刃 、 飞 / 一 二婴婴二 一 \ \ \飞 厂二 一梦毕 一 哩乡 _ _ 二一一 一- 二 了 一 ” ~ aP 一 . . … ǎ 一窝 · 巴眼城俐沐戴簇\日 一 厂 一 邺兮飞缨 a `的 厂 ” ` 6 M P a - - 一 刨瑕但纂í子日 轴 向距 离 /m 轴 l句足巨离 /m 氧杀份回迎 八“nU0O 60428064 侧窝\蟾 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 户) ( d) 一- 一 一 . 1 … a P、 / 0 J 轴 向足巨离m/ 轴 向距 离 /m 图 3 初始 气流 速度 分别 为 1 28 , 15 5, 1 62 m s/ , 熔体 过 热为 1 0 K 时轴 向气 流速度 (a) , 热交换 系数 (b) , 合金 熔滴 温度 c( ) , 合 金固 相分数 (d) 沿轴 向距 离 的变化 F ig . 3 C a l e u l a et d g a s a x i a l v e l o c iyt ( a ) , h e a t t r a n s fe r e o e if e i e n t ( b ) , d r o Pl e t t e m P e r a t u r e ( c ) , a n d s o l id fr a e it o n a s a fu n c 6 0 n o f a x i a l d i s t a n e e w h e n t h e s u P e r h e a t 1 5 1 0 0 K a n d t h e v e l o e i yt o f a t o m 止a t i o n g a s a t th e n o z z l e t h or a t i s l 2 8 , 1 5 5 , 16 2 nI ls , r e s P e c ti v e ly