王文瑞等：高超音速火焰喷涂粒子飞行行为研究 223· (a)1000rm=4 10μm (b)1000r4.5 m 50m m 10 um 30 um 800 -40m +-50μm 800 -401m +-50m -60um ◆-704m 一60um -70um )pn 600 600 400 400 200 200 0.0 0.1 0.20.30.40.50.6 0.0 0.1020.30.40.50.6 Axis distance/m Axis distance/m (c)1000 「=5 8m 800 -40m -60μm 600 400 200 0.00.1020.30.40.50.6 Axis distance/m 图10不同工艺参数下不同粒径的粒子飞行速度.(a)=4;(b)=4.5;(c=5 Fig.10 Flight velocities of different particle sizes under different process parameters:(a)=4;(b)n=4.5;(c)n=5 靠近焰流中心，粒子温度呈现出上升趋势.对于中 往往为球形或近似球形，对于不同的材料，制备出的粉 等粒径的粒子，当由1ms增加到10ms时， 末形状一般不同.一般用球形度(Shape Factor,.以 粒子温度呈现出先增加后减小的趋势，而当y,增 下简称SF)来表示粒子的形状，不同球形度粒子形 加到15ms时，粒子温度再次升高，结合运动轨 状如表4所示.本部分研究不同球形度(SF)的颗 迹可以发现，”，为15ms时，粒子发生发射，焰流 粒在焰流中的飞行行为，以揭示其对铁基非晶涂 对粒子进行了二次加热导致粒子温度的升高，所 层制备的影响 以，=15ms不适合中等粒径的粒子选用.考虑 在n=5且注入速度为5ms的工况下，粒径 到粒子在整个运动过程中未能达到熔点1388K, 为50um时不同形状的粒子飞行轨迹如图15所 而半熔融状态的粒子更易形成结合强度较高的涂 示.随着SF的减小，粒子运动轨迹更加靠近焰流 层，所以应让中等粒径粒子温度较高些，即”，应 中心，这是由于较低SF值的粒子，粒子进入气态 在5~10ms较为合适.对于大粒径的粒子，y,=1ms 流场后受到的阻力更大，进而导致粒子轴向速度 时，粒子的温度较低；当y,增加到5ms时，由于 增大，粒子轨迹也就越靠上 粒子经过焰流中心的加热而导致粒子温度相对较 不同SF值下粒子飞行速度变化曲线如图16所 高.，大于10ms时，粒子与喷枪内壁发生碰撞， 示.随着SF的降低，粒子的最高飞行速度由200m's 因此大粒径粒子y,应大于1ms且小于5ms 增加到600ms,这表明随着SF的降低，粒子在 综合考虑注入速度对不同粒径粒子飞行轨 焰流中的受力是不断增加的，致使粒子在焰流中 迹、温度、速度的影响，不同粒径粒子最佳注入速 有较高的加速度，粒子加速明显.同样SF越小的 度如表3所示 粒子其远离喷枪后减速更加明显 2.4粒子形状对颗粒飞行行为的影响 不同SF值下粒子温度变化曲线如图17所示 采用超声气体雾化法制备出的铁基非晶粉末 随着SF的降低，粒子的温度是逐渐降低的.SF越靠近焰流中心，粒子温度呈现出上升趋势. 对于中 等粒径的粒子，当 vy 由 1 m·s−1 增加到 10 m·s−1 时， 粒子温度呈现出先增加后减小的趋势，而当 vy 增 加到 15 m·s−1 时，粒子温度再次升高，结合运动轨 迹可以发现，vy 为 15 m·s−1 时，粒子发生发射，焰流 对粒子进行了二次加热导致粒子温度的升高，所 以 vy=15 m·s−1 不适合中等粒径的粒子选用. 考虑 到粒子在整个运动过程中未能达到熔点 1388 K， 而半熔融状态的粒子更易形成结合强度较高的涂 层，所以应让中等粒径粒子温度较高些，即 vy 应 在5～10 m·s−1 较为合适. 对于大粒径的粒子，vy=1 m·s−1 时，粒子的温度较低；当 vy 增加到 5 m·s−1 时，由于 粒子经过焰流中心的加热而导致粒子温度相对较 高. vy 大于 10 m·s−1 时，粒子与喷枪内壁发生碰撞， 因此大粒径粒子 vy 应大于 1 m·s−1 且小于 5 m·s−1 . 综合考虑注入速度对不同粒径粒子飞行轨 迹、温度、速度的影响，不同粒径粒子最佳注入速 度如表 3 所示. 2.4    粒子形状对颗粒飞行行为的影响 采用超声气体雾化法制备出的铁基非晶粉末 往往为球形或近似球形，对于不同的材料，制备出的粉 末形状一般不同. 一般用球形度（Shape Factor，以 下简称 SF）来表示粒子的形状，不同球形度粒子形 状如表 4 所示. 本部分研究不同球形度（SF）的颗 粒在焰流中的飞行行为，以揭示其对铁基非晶涂 层制备的影响. 在 n=5 且注入速度为 5 m·s−1 的工况下，粒径 为 50 μm 时不同形状的粒子飞行轨迹如图 15 所 示. 随着 SF 的减小，粒子运动轨迹更加靠近焰流 中心，这是由于较低 SF 值的粒子，粒子进入气态 流场后受到的阻力更大，进而导致粒子轴向速度 增大，粒子轨迹也就越靠上. 不同 SF 值下粒子飞行速度变化曲线如图 16 所 示. 随着 SF 的降低，粒子的最高飞行速度由 200 m·s−1 增加到 600 m·s−1，这表明随着 SF 的降低，粒子在 焰流中的受力是不断增加的，致使粒子在焰流中 有较高的加速度，粒子加速明显. 同样 SF 越小的 粒子其远离喷枪后减速更加明显. 不同 SF 值下粒子温度变化曲线如图 17 所示. 随着 SF 的降低，粒子的温度是逐渐降低的. SF 越 (a) 1000 800 5 μm 10 μm 20 μm 30 μm 40 μm 50 μm 60 μm 70 μm 600 400 200 0 0.0 0.1 0.2 0.3 Axis distance/m Particle velocity magnitude/(m·s−1) 0.4 0.5 0.6 (b) 1000 800 5 μm 10 μm 20 μm 30 μm 40 μm 50 μm 60 μm 70 μm 600 400 200 0 0.0 0.1 0.2 0.3 Axis distance/m Particle velocity magnitude/(m·s−1) 0.4 0.5 0.6 (c) 1000 800 5 μm 10 μm 20 μm 30 μm 40 μm 50 μm 60 μm 70 μm 600 400 200 0 0.0 0.1 0.2 0.3 Axis distance/m Particle velocity magnitude/(m·s−1) 0.4 0.5 0.6 n=4 n=4.5 n=5 图 10    不同工艺参数下不同粒径的粒子飞行速度. (a) n=4; (b)n=4.5; (c)n=5 Fig.10    Flight velocities of different particle sizes under different process parameters: (a)n=4; (b) n=4.5; (c) n=5 王文瑞等： 高超音速火焰喷涂粒子飞行行为研究 · 223 ·