222 工程科学学报，第44卷，第2期 (a)0.020 -5m+-10um-20um-30um (b)0.020 .-5m◆-10m4-20um-30um +-40um◆-50m+-60um◆-70im ◆-40um-50m60um -◆-70m 0.015 0.015 0.010 0.010 4.5 0.005 0.005 0.000 0.000 0.0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.0 0.3 0.4 0.5 0.6 -0.005 -0.005 -0.010 Wall -0.010 -0.015 -0.015 -0.020 -0.020 -0.0254 Axis distance/m Axis distance/m (c)0.020 +-5m+-10m-20um-30um (d)0.020 ◆-5um.+-10m4-20um◆-30um +-40um-50μm ,60ium◆70m ◆-40um-50um +60m ◆-70um 0.015 0.015 0.010 0.010 0.005 1=5.5 0.005 0.000 0.0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.000 。 -0.005 0.0 0.3 0.4 0.5 0.6 -0.005 0.010 Wall -0.015 0.010 0.020 -0.015 0.025 -0.020 Axis distance/m Axis distance/m 图9不同工艺参数下不同粒径的粒子飞行轨迹.(a)=4;(b)=4.5;(c)=5;(d=5.5 Fig.9 Flight trajectories of different particle sizes under different process parameters:(a)n=4;(b)/4.5;(c)n=5;(d)n=5.5 时的速度，无法保证其结合强度及致密程度，因此 以后，大直径的粒子如60μm及70um的粒子撞击 粒子直径应大于10um较为合适 到了喷枪壁面并发生了反射，继续增大粒子速度， 不同粒径粒子飞行温度变化曲线如图11所 40um及50um的粒子同样撞击到喷枪内壁，这不 示，三种工况下，直径为5、10及20m的粒子其 利于涂层的制备 最高温度均在1500K以上，远高于熔点(1388K), 颗粒直径d为5~70m的粒子主要可以分为 证明这些粒子在飞行过程中为高温液态，高温液 三个范围，即粒径小于20m小粒径粒子、粒径大 态的铁基非晶粒子易与氧气发生反应，制备出的 于60um的大粒径粒子和直径在30~50um的中 铁基非品涂层中非晶含量降低，这不利于涂层硬 等粒径粒子.分别选取具有代表性的5、40及70μm 度、耐腐蚀性能的提高，因此粒子粒径应选20m 的粒子为研究对象.在=5工况下，绘制出粒子速 以上 度随y,的变化曲线如图13所示 综合考虑粒子不能撞击枪管造成枪管的堵塞、 对于小粒径粒子，，为10ms和15ms时， 工艺参数易于控制、降低涂层制备难度等因素，超 粒子的飞行速度较大且基本保持不变，结合粒子 音速火焰喷涂最佳粒径范围为30~50μm. 的运动轨迹可以发现，当，大于10ms的小粒径 2.3颗粒注入速度对颗粒飞行行为的影响 粒子更靠近焰流中心，因此，小粒径粒子”，应在 为了研究粒子注入速度对粒子运动轨迹的影 10ms以上较为合适.对于中等粒径的粒子，粒 响，以=5工艺参数为例，粒径为5~70um的粒子 子飞行速度随y的变化不明显，'，的选择范围较 在不同注入速度下的运动轨迹如图12所示.当粒 大.对于大粒径粒子，当y,=15ms1时，粒子飞行 子速度v,=1ms时，5~70um的粒子未能穿过焰 速度下降明显，因此，大直径粒子y,应在10ms 流中心，此时不利于焰流对粒子的加速.当，增加 以内较为合适 到5ms时，较大直径的粒子穿过焰流中心而较 5、40及70um的粒子温度随v,的变化曲线如 小直径的粒子未能穿过焰流中心，此时，粒子较为 图14所示 均匀的分布在中心轴线两侧.当y,增加到10ms 对于小粒径的粒子，？，增大时，小粒径粒子更时的速度，无法保证其结合强度及致密程度，因此 粒子直径应大于 10 μm 较为合适. 不同粒径粒子飞行温度变化曲线如图 11 所 示，三种工况下，直径为 5、10 及 20 μm 的粒子其 最高温度均在 1500 K 以上，远高于熔点（1388 K）， 证明这些粒子在飞行过程中为高温液态，高温液 态的铁基非晶粒子易与氧气发生反应，制备出的 铁基非晶涂层中非晶含量降低，这不利于涂层硬 度、耐腐蚀性能的提高，因此粒子粒径应选 20 μm 以上. 综合考虑粒子不能撞击枪管造成枪管的堵塞、 工艺参数易于控制、降低涂层制备难度等因素，超 音速火焰喷涂最佳粒径范围为 30～50 μm. 2.3    颗粒注入速度对颗粒飞行行为的影响 为了研究粒子注入速度对粒子运动轨迹的影 响，以 n=5 工艺参数为例，粒径为 5～70 μm 的粒子 在不同注入速度下的运动轨迹如图 12 所示. 当粒 子速度 vy=1 m·s−1 时，5～70 μm 的粒子未能穿过焰 流中心，此时不利于焰流对粒子的加速. 当 vy 增加 到 5 m·s−1 时，较大直径的粒子穿过焰流中心而较 小直径的粒子未能穿过焰流中心，此时，粒子较为 均匀的分布在中心轴线两侧. 当 vy 增加到 10 m·s−1 以后，大直径的粒子如 60 μm 及 70 μm 的粒子撞击 到了喷枪壁面并发生了反射，继续增大粒子速度， 40 μm 及 50 μm 的粒子同样撞击到喷枪内壁，这不 利于涂层的制备. 颗粒直径 d 为 5～70 μm 的粒子主要可以分为 三个范围，即粒径小于 20 μm 小粒径粒子、粒径大 于 60 μm 的大粒径粒子和直径在 30～50 μm 的中 等粒径粒子. 分别选取具有代表性的 5、40 及 70 μm 的粒子为研究对象. 在 n=5 工况下，绘制出粒子速 度随 vy 的变化曲线如图 13 所示. 对于小粒径粒子，vy 为 10 m·s−1 和 15 m·s−1 时， 粒子的飞行速度较大且基本保持不变，结合粒子 的运动轨迹可以发现，当 vy 大于 10 m·s−1 的小粒径 粒子更靠近焰流中心，因此，小粒径粒子 vy 应在 10 m·s−1 以上较为合适. 对于中等粒径的粒子，粒 子飞行速度随 vy 的变化不明显，vy 的选择范围较 大. 对于大粒径粒子，当 vy=15 m·s−1 时，粒子飞行 速度下降明显，因此，大直径粒子 vy 应在 10 m·s−1 以内较为合适. 5、40 及 70 μm 的粒子温度随 vy 的变化曲线如 图 14 所示. 对于小粒径的粒子，vy 增大时，小粒径粒子更 (a) 0.020 5 μm 10 μm 20 μm 30 μm 40 μm 50 μm 60 μm 70 μm n=4 0.015 0.010 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.005 Wall Axis distance/m Radial posion/m 0.000 −0.005 −0.010 −0.015 −0.020 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (b) 0.020 5 μm 10 μm 20 μm 30 μm 40 μm 50 μm 60 μm 70 μm 0.015 0.010 0.005 Wall Axis distance/m Radial posion/m 0.000 −0.005 −0.010 −0.015 −0.020 −0.025 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (c) 0.020 5 μm 10 μm 20 μm 30 μm 40 μm 50 μm 60 μm 70 μm 0.015 0.010 0.005 Wall Axis distance/m Radial posion/m 0.000 −0.005 −0.010 −0.015 −0.020 −0.025 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (d) 0.020 5 μm 10 μm 20 μm 30 μm 40 μm 50 μm 60 μm 70 μm 0.015 0.010 0.005 Wall Axis distance/m Radial posion/m 0.000 −0.005 −0.010 −0.015 −0.020 n=4.5 n=5 n=5.5 图 9    不同工艺参数下不同粒径的粒子飞行轨迹. (a) n=4; (b) n=4.5; (c) n=5; (d) n=5.5 Fig.9    Flight trajectories of different particle sizes under different process parameters: (a) n=4; (b) n=4.5; (c) n=5; (d) n=5.5 · 222 · 工程科学学报，第 44 卷，第 2 期