静电雾化喷射成形装置设计及流场模拟

曲迎东，王 辉，李荣德，白彦华

（沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110178）

静电雾化喷射成形装置设计及流场模拟

曲迎东，王 辉，李荣德，白彦华

（沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110178）

喷射成形是快速凝固技术的重要发展方向之一，近年来，静电雾化技术应用到喷射成形过程中，使该技术更加完善，而静电雾化喷射成形装置是该技术的关键技术。本文设计了静电雾化装置，并对喷射成形工艺中静电作用下气体流场进行了模拟，结果表明，静电作用改善了雾化效果，提高了喷射成形产品的质量。

静电雾化；喷射成形；静电雾化装置；模拟

喷射成形（Spray Forming）技术，也称为喷射铸造（Spray casting）技术，是20世纪60年代以来，工业发达国家在传统快速凝固/粉末冶金（RS/PM）工艺基础上，发展起来的一种全新的先进材料制备与成形技术[1]。喷射成形技术近年来获得极其迅速的发展，这是由于喷射成形是一种快速凝固技术，快凝可使金属的组织细化并消除宏观偏析，从而大幅度地提高金属和合金的性能。液体雾化是利用外界干扰引起的液体表面不稳定，导致分裂、细化而形成雾滴。雾化过程实际是气体-液滴的两相流动问题[2]。静电雾化（electrostatic spray）是电流体力克服液体表面张力，导致液体破碎成细小雾滴的过程[3]。液体静电雾化现象最先由Bose于1745年在实验报告中提出[4]，被广泛应用于静电喷漆、静电除尘、液体燃料静电雾化、金属均匀液滴束流技术等方面。静电雾化技术具有使液滴细化、均匀，防止液滴飞溅等特点，能有效地改善雾化的质量，提高喷射成形产品的质量。近年来，静电雾化技术应用到了喷射成形技术中，而静电雾化装置的设计是其关键技术。所以本文对静电雾化喷射成形装置进行设计，从而实现静电雾化技术在喷射成形过程中的应用。

1 静电雾化喷射成形装置的整体设计

喷射成形技术最突出的技术创新点在于，把液态金属的雾化和雾化熔滴的沉积自然地结合起来，在一步冶金操作中完成。它以最少的工序，直接从液态金属制取具有快速凝固组织特征、整体致密、接近零件实际形状的高性能材料。通过改变溶滴射流与沉积器的相对位置和沉积器的运动形式，可以得到盘（柱）、管（环）、板（带）等不同形状的半成品坯件。因而也是一种比较经济的先进制坯工艺技术[5]。其中雾化质量是影响喷射成形产品质量的重要因素之一。本文旨在设计一个静电雾化装置，将静电场引入到气体雾化过程中，实现静电雾化，从而改善雾化的效果。图1为金属液雾化装置的示意图，图中所采用的电源为直流电源，电压范围在0～300V之间可调。该实验装置是在气体雾化的基础上，加入了直流电源，正极通过金属棒与金属液相连，负极直接与石墨垫片相连，形成一个电容，对该区域的金属液进行荷电，从而对金属液进行雾化。

2 静电雾化喷射成形装置结构设计

2.1 加电装置充电方式的选择

在静电喷雾中，一般通过三种方式使雾滴带电，即电晕充电、感应充电和接触充电。本设计方案采用感应充电为主、接触充电为辅的充电方式，即电源的一极通过电极棒与金属液接触，使其带负电，另一极与石墨垫片接触，使其带正电，从而形成一个电容，对内部的液滴进行感应荷电。接触充电的效果比较好，但是绝缘性不好处理。本文主要是采用绝缘陶瓷喷涂在坩埚和雾化器底面，从而形成一个绝缘层，起到绝缘的目的。

2.2 加电装置电源的选择

电源的选择是加电装置设计的一个重要方面之一，如图2为本文选择的电源的原理图。该电源装置主要包括电压范围在0～300V的调压器、整流桥、电解电容和电容、电流表、电压表。整流桥的作用是将220V的交流电源变为直流电源，调压器的作用是对直流电源的电压范围进行调节和控制，以便在实验过程中得到确定的直流电压值，电解电容和电容的作用是滤波。

由于该设计包括气体雾化和静电雾化两个方面，所以选择电压在0～300V的可调直流电源。在200～300V的电压作用下，金属液滴下落过程中就形成电场，带有负电荷的金属液流受到气雾化的作用，打散成一系列的小液滴，在通常情况下，小液滴有快速的打散—碰撞—聚合—打散—碰撞—聚合等一系列的复杂运动，而此时，雾化后的小液滴全部带有负电荷，在电场作用下，由于电荷的表面效应，使得传统的雾化后聚合速度要高于细化速度的趋势得以改变，均匀的电荷仅分布于球体的外表面，独特的电场效果，使得各个金属液滴之间互相排斥，避免了液滴在下落过程中的聚合，液滴在下落过程中以异质成核方式成核并凝固[7]。

3 静电雾化喷射成形装置的气体流场模拟

图 3（a）、（b）两图分别为压强为 1MPa、电压为0V和压强为1MPa、电压为200V时气体流场的速度分布图。由（a）、（b）两图可以看出，当没有加入电场时，雾化区域的速度为300m/s；当加入200V电压时，雾化区域的速度为700m/s。雾化区域的速度得到了明显的提高，而且加电后的速度场更加稳定，集中。

图 4（a）、（b）两条曲线分别为电压为 200V、距离喷嘴为15mm和电压为200V、距离喷嘴为30mm的径向速度分布曲线图。从整个曲线来看，基本呈现一个近似于M的形状。这主要是因为在通入1MPa气压以后，由于气体的作用，形成一个较快的速度。从a、b两图中对比可以看出，距离喷嘴越近，速度越快。这主要是喷嘴附近电压比较大造成的。

4 结论

本文重点介绍了静电雾化喷射成形装置的设计，并对加电和不加电的情况下的气体流场进行了模拟。得到如下结论：

（1）选取了适用于静电雾化装置的充电方式，该充电方式以感应充电为主，接触充电为辅。该充电方式能使金属液更好的荷电，达到更好的雾化效果。

（2）设计了适用于静电雾化装置的可调电源，该电源主要包括电压范围在0～300V的调压器、整流桥、电解电容和电容、电流表、电压表，为静电雾化设备提供0～300V的可调直流电源。

（3）通过对气体流场的模拟可知，加入电场以后，雾化区域的速度由300m/s提高到了700m/s，轴向的压强分布更加均匀、集中，有利于减少了液滴的飞溅，有效地改善雾化效果，可提高雾化质量。

[1]高娃，孙廷富.喷射成形技术的应用及产业化发展趋势[J].兵器材料科学与工程，2002，25（3）:67-69.

[2]王贞涛，闻建龙，陈燕，等.静电雾化理论及应用技术研究进展[J].排灌机械，2004，22（6）：41-44.

[3]吴有金，吴亚雷，许晓慧，等.PZT溶胶液静电雾化雾场模拟[J].中国科学技术大学学报，2006，36（7）:755-760.

[4]Bose G.M.Philos.Trans.R.Soc.London，1748;45:187.

[5]王军，严彪，徐政.喷射成形技术的发展应用[J].上海有色金属，2002，23（3）：133-138.

[6]金晗辉，王军锋，王泽，等.静电喷雾研究与应用综述[J].江苏理工大学学报，1995，25（3）：16-19.

[7]梁荣，党新安.一种新型的微细金属粉末气雾化喷嘴的设计[J].硬质合金，2006，23（3）：172-174.

Design of Spray Forming Device of Electrostatic Atomization and Gas flow Field Simulation

QU YingDong，WANG Hui，LI RongDe，BAI YanHua
（Dept.of Material Science and Engineering Shenyang University of Technology，Shenyang 110178，Liaoning China）

Spray forming technology is one of the major development directions of rapid prototyping technology.In recent years，the application of electrostatic atomization in spray forming makes the technology more perfect.Spray forming device of electrostatic atomization is a key technology of spray forming technology.One has been designed and electrostatic interaction on gas flow field in spray forming been simulated resulting in that the effect of atomization improved by electrostatic interaction hence the quality of atomization increased.

Electrostatic Atomization；Spray Forming；Device of electrostatic atomization；Simulation

TG249.9;

A；

1006－9658（2010）02－3

国家自然科学基金（50605045），辽宁省创新团队项目（2007T131），沈阳市科技项目（1081229-1-00）

2009－10－22

2009－139

曲迎东（1975－），男，副教授，博士，主要从事计算机视觉、智能控制等方面的研究