王文瑞等：高超音速火焰喷涂粒子飞行行为研究 221· 为，遴选合适的工艺参数 过对不同体系Fe基非晶合金进行分子动力学模 2.1超音速火焰喷涂颗粒体系选择 拟发现，Fe41Co7Cr1sMo14C1sB6Y2合金具有较高的 结合现有的关于Fe基非晶涂层合金成分体系 非晶含量. 的研究，针对应用需求，添加微量元素改性，W、 为进一步对Fe41Co7Cr1sMo14C1sB6Y2体系粉末 Mo元素可以提高合金的熔点，Cr、Mn元素可以提 进行研究，对该成分的合金进行气雾化制粉，观察 高非晶合金的耐腐蚀性能，Y可显著提高非晶的 粉末的球形度并测定其非晶含量，研究路线图如 形成能力，B可提高非晶转变温度和结晶温度.通 图6所示 High purity raw metal Structural characterization Sphericity Copper mold suction Atomization casting comminuting process Thermal stability Amorphous content characterization 国6铁基非品合金粉末研究路线图 Fig.6 Research roadmap of Fe-based amorphous alloy powders 对该成分合金气雾化制粉后，筛选粉末粒度 范围为33~50um,粉末的扫描电镜(SEM)形貌如 图7所示，可以看出粉末的表面较为光滑，具有较 好的流动性，非晶合金粉末的X射线衍射图 (XRD)如图8所示，图像上出现了典型的“馒头 状”非晶相衍射峰，表明合金体系具有较好的非晶 形成能力 0 40 50 60 7080 20() 图8铁基非品合金粉末XRD图谐 Fig.8 X-ray diffraction pattern of a Fe-based amorphous alloy powder 表2铁基非品颗粒材料物性 Table 2 Physical properties of iron-based amorphous granular materials 20m Density/(kg'm)Specific heat capacity/(JkgK)Melting point/K 7700 520 1388 图7铁基非晶合金粉末SEM形貌图 Fig.7 Scanning electron microscope image of a Fe-based amorphous 均会撞击到喷枪的内壁，粒子撞击内壁会减弱粒 alloy powder 综上所述，本文选用Fe41Co7Cr1sMo14C1sB6Y2 子的动能，不利于粒子与基体的结合.当=5.5时， 体系铁基非晶颗粒作为研究对象，铁基非晶粉末 粒径为50m的粒子同样撞击到喷枪内壁，应尽 的材料物性见表2 量避免，因此本文将不再讨论=5.5时粒子的飞行 2.2铁基非晶颗粒大小对颗粒飞行行为的影响 速度及飞行温度. 不同粒径的铁基非晶粒子飞行轨迹分别如 不同粒径的铁基非晶粒子飞行速度如图10所 图9所示.当氧气煤油流量比=4、4.5及5时，直 示，粒径在5~10m的粒子在远离喷枪进人大气 径为60m、70um的粒子运动轨迹均发生了改 环境时，喷枪外部的空气流速小，施加在高速粒子 变，考虑到数值模拟计算过程中，离散相的壁面边 上的空气阻力较大，因此直径较小粒子速度下降 界条件设置为reflect,.因此直径大于50um的粒子 更为明显.制备时很难控制小粒径粒子撞击基板为，遴选合适的工艺参数. 2.1    超音速火焰喷涂颗粒体系选择 结合现有的关于 Fe 基非晶涂层合金成分体系 的研究，针对应用需求，添加微量元素改性，W、 Mo 元素可以提高合金的熔点，Cr、Mn 元素可以提 高非晶合金的耐腐蚀性能，Y 可显著提高非晶的 形成能力，B 可提高非晶转变温度和结晶温度. 通 过对不同体系 Fe 基非晶合金进行分子动力学模 拟发现，Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2 合金具有较高的 非晶含量. 为进一步对 Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2 体系粉末 进行研究，对该成分的合金进行气雾化制粉，观察 粉末的球形度并测定其非晶含量，研究路线图如 图 6 所示. High purity raw metal Copper mold suction casting Structural characterization Atomization comminuting process Sphericity Amorphous content Thermal stability characterization 图 6    铁基非晶合金粉末研究路线图 Fig.6    Research roadmap of Fe-based amorphous alloy powders 对该成分合金气雾化制粉后，筛选粉末粒度 范围为 33～50 μm，粉末的扫描电镜 (SEM) 形貌如 图 7 所示，可以看出粉末的表面较为光滑，具有较 好的流动性 . 非晶合金粉末 的 X 射线衍射图 （XRD）如图 8 所示，图像上出现了典型的“馒头 状”非晶相衍射峰，表明合金体系具有较好的非晶 形成能力. 20 μm 图 7    铁基非晶合金粉末 SEM 形貌图 Fig.7     Scanning  electron  microscope  image  of  a  Fe-based  amorphous alloy powder 综上所述，本文选用 Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2 体系铁基非晶颗粒作为研究对象，铁基非晶粉末 的材料物性见表 2. 2.2    铁基非晶颗粒大小对颗粒飞行行为的影响 不同粒径的铁基非晶粒子飞行轨迹分别如 图 9 所示. 当氧气煤油流量比 n=4、4.5 及 5 时，直 径为 60 μm、70 μm 的粒子运动轨迹均发生了改 变，考虑到数值模拟计算过程中，离散相的壁面边 界条件设置为 reflect，因此直径大于 50 μm 的粒子 均会撞击到喷枪的内壁，粒子撞击内壁会减弱粒 子的动能，不利于粒子与基体的结合. 当 n=5.5 时， 粒径为 50 μm 的粒子同样撞击到喷枪内壁，应尽 量避免，因此本文将不再讨论 n=5.5 时粒子的飞行 速度及飞行温度. 不同粒径的铁基非晶粒子飞行速度如图 10 所 示，粒径在 5～10 μm 的粒子在远离喷枪进入大气 环境时，喷枪外部的空气流速小，施加在高速粒子 上的空气阻力较大，因此直径较小粒子速度下降 更为明显. 制备时很难控制小粒径粒子撞击基板 表 2    铁基非晶颗粒材料物性 Table 2    Physical properties of iron-based amorphous granular materials Density/ (kg·m−3) Specific heat capacity/ (J·kg−1·K−1) Melting point/ K 7700 520 1388 30 40 50 2θ/(°) Intensity (a.u.) 60 70 80 90 图 8    铁基非晶合金粉末 XRD 图谱 Fig.8    X-ray diffraction pattern of a Fe-based amorphous alloy powder 王文瑞等： 高超音速火焰喷涂粒子飞行行为研究 · 221 ·