低速大熔滴扁平化过程的温度变化

张素芝,高燕青,林新美,赵紫玉

(华侨大学机电及自动化学院,福建泉州362021)

低速大熔滴扁平化过程的温度变化

张素芝,高燕青,林新美,赵紫玉

(华侨大学机电及自动化学院,福建泉州362021)

为了便于研究喷涂过程中熔滴粒子的碰撞扁平行为,根据雷诺数力学相似性准则,采用低速大熔滴撞击基体来模拟粒子的碰撞扁平行为.设计一个基于快速热电偶的温度采集装置,分别对Sn-Pb,Zn和Zn-A l熔滴与基体碰撞扁平,以及冷却凝固过程的温度变化进行检测与分析.研究表明,一定速度的熔滴粒子撞击基体后,会以粒子轴为中心,在基体表面向四周任意方向发生横向铺散流动.其温度曲线是先急剧升高到峰值,然后快速下降,并且随着时间的增加,下降速率开始慢慢减小;由于Zn-Al熔滴的潜热值最大,其冷却凝固的时间相对于Sn-Pb,Zn熔滴的冷却凝固时间更长.

低速;大熔滴;扁平化;温度

研究熔滴扁平沉积过程中的温度变化规律并加以控制,可以有效改善涂层质量.文[1-3]对喷涂熔滴的测量进行研究,但有的是误差较大,有的是测量系统复杂而昂贵或是系统调试困难.文[4-7]采用模拟实验研究低速大熔滴测量、熔滴的扁平过程、熔滴扁平形貌和基体粗糙度对形貌的影响规律,以及熔滴碰撞后的形态与基体的结合特性.喷涂或熔射成形过程的熔滴粒子极其微小(直径为10～120μm),且是高速(速度为50～300 m·s-1)撞击基体,其单个熔滴的扁平变形与冷却凝固一般发生在10～20 μs之内.因此,对熔滴扁平过程的温度变化的检测难以进行.本文采用低速大熔滴撞击基体来模拟粒子的碰撞扁平行为,同时,利用快速热电偶检测与分析熔滴与基体碰撞后的温度变化.

图1 实验装置Fig.1 Device of experiment

1 实验部分

熔滴与基体碰撞扁平的实验装置图,如图1所示.金属材料在功率为15 kW的高频感应加热器中受热熔化后,在自身的重力与N2气的保护下形成熔滴并自由下落.碰撞发生在室温(25℃)下光滑平坦的不锈钢基体表面,进而发生扁平变形,并最终在基体上凝固冷却.

装置中,热电偶与不锈钢基体垂直装配在一起,热电偶头与基体表面平齐并被放置在熔滴粒子自由下落的正下方处,熔滴粒子与热电偶相接触的瞬间开始进行测温.基体放置在升降台上,通过调整高度来实现熔滴粒子与基体的不同碰撞速度.熔滴粒子的下落、碰撞、扁平和冷却过程,都在N2气氛围保护下进行.

测温热电偶采用E12自更新型快速响应热电偶(美国Nanmac公司),探针外径尺寸Φ为6.35 mm,位于探针内部多功能传感器内的热电偶结材料是钨铼5%-钨铼26%(分度号:W 5%Re-W 26% Re).该热电偶结定位精度为±0.025 mm,测温误差为±1℃,响应时间为0～10μs.

采用Sn-Pb(Sn质量分数为30%,Pb质量分数为70%),Zn和Zn-A l(A l质量分数为12.5%～13.5%,其余为Zn)材料作为研究对象.熔滴材料的物性参数,如表1所示.表1中:材料的热物理性均是指在其熔点时的值;ρ为密度;θm为熔点;C为比热容;a为热扩散率;Hf为潜热.

表1 熔滴材料的物性参数Tab.1 Physical parameters of drop letsmaterial

金属材料经过高频感应加热器与石墨容器后,可生成直径为3.60～5.29 mm的熔滴.当熔滴与基体及热电偶头碰撞扁平时,其冷却凝固过程的温度变化通过热电偶、信号调理器和虚拟仪器瞬态温度采集系统进行实时采集与处理.熔融的高温粒子与热电偶头直接接触,多次实验后会降低热电偶的响应时间.为了尽可能地保证熔滴粒子扁平冷却过程温度测量的准确性,每次实验完要对热电偶头用氧化铝砂纸进行打磨.通过测量热电偶结(包括补偿导线)的电阻,可以确保其响应时间再次达到微秒级.

2 结果与讨论

2.1 Sn-Pb熔滴扁平过程的温度变化

在碰撞速度为3.28 m·s-1时,熔滴在不锈钢基体上扁平过程前200 m s的温度曲线,如图2所示.由图2可看出,温度曲线是先急剧升高到峰值,然后快速下降;随着时间的增加,下降速率慢慢减小,最后趋近于室温.在3.865 m s时,熔滴的温度峰值为210℃,要高于其熔点值190℃.温度曲线在达到峰值后开始快速下降,表明熔滴在扁平铺散过程的冷却凝固速度是非常快的.

文[8-9]的研究表明,当直径约为2 mm的铅锡熔滴以1.6～3.3 m·s-1的速度碰撞在冷的(20～25℃)平坦光滑的不锈钢基体表面时,其扁平变形发生在5～20 m s内.因此,热电偶在3.865 m s时,熔滴还处于扁平流动未完成状态.

Sn-Pb材料属于二元共晶体(即在液态无限互溶,在固态有限互熔),其液相线与固相线分别是254.4,187.8℃.在210℃时,熔滴的结晶组织为L+α相(L相为液相,α相是以Pb为熔剂,Sn为熔质的有限固熔体).此时,Sn-Pb熔滴为不完全凝固状态.随着熔滴粒子在基体表面进一步扁平,与基体的接触面积进一步增大,熔滴粒子与基体的热传导更加充分,使得Sb-Pb熔滴的冷却速率变得非常高.

在8.205 m s时,熔滴温度下降到187.82℃,达到了Sn-Pb合金熔滴的固相线.此时,Sn-Pb熔滴已完全凝固,说明熔滴的扁平变形运动(包括横向铺散流动,反弹或飞溅等)已经结束.当熔滴完全凝固后,主要是已成形的扁平粒子与基体进行热传导,并逐渐冷却到与基体温度相等.从图2中可知,Sn-Pb熔滴在200 m s时温度已经接近60℃.

图3 Zn熔滴的温度曲线Fig.3 Temperature curve of Zn drop let

图2 Sn-Pb熔滴的温度曲线Fig.2 Temperature curve of Sn-Pb drop let

2.2 Zn熔滴扁平过程的温度变化

在碰撞速度为3.28 m·s-1时,Zn熔滴在不锈钢基体上扁平过程前200 m s的温度曲线,如图3所示.从图3中可知,在4.54 m s时,Zn熔滴粒子的温度峰值为441℃,熔滴温度达到峰值后开始下降;但是,其下降曲线与Sn-Pb熔滴的下降曲线有所不同.Zn熔滴粒子的冷却曲线在峰值后开始快速下降,在下降到约24.015 m s,熔滴温度为356.2℃时,冷却曲线开始出现一个平稳阶段.这一平稳阶段持续到42.15 m s,温度为348.6℃,而温度保持在平均352.4℃左右的持续时间约为18.135 m s.等平稳期结束后,冷却曲线开始再次下降,下降速度要比平稳阶段之前的速度慢一些;随着时间的增加,曲线的下降变得越来越平缓.

图2中曲线的平稳段属于Zn熔滴冷却过程中出现的固-液共存期.在这段共存期中,熔滴温度基本保持不变.这是因为Zn材料在凝固过程中,由于潜热的存在会释放热量,而释放的热量被自身吸收后补偿了熔滴由于热传递而造成的温度下降.在Sn-Pb熔滴的冷却曲线上没有观察到明显的平稳段,主要是因为Sn-Pb熔滴的潜热很小(潜热值为34.2 J·g-1),而其冷却率又很大.所以,在图2的时间比例下,并不能像Zn熔滴(潜热值为111.4 J·g-1)一样能观察到明显的温度平稳期.

在42.15 m s时,Zn熔滴完全凝固,其温度值348.6℃比熔点420℃要低.这是因为Zn熔滴在结晶过程中出现了“过冷现象”(液态金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象).当Zn熔滴完全凝固时,熔滴在基体表面的扁平变形运动结束,主要是与基体进行热传导并缓慢冷却到室温.所以,此后的温度下降曲线会变得越来越平缓.Sn-Pb熔滴完全凝固所用的时间8.2 m s,而Zn熔滴的完全凝固发生的时间很长.这就使得在相同的碰撞速度条件下,Zn熔滴粒子的扁平流动会更加充分,最终的扁平形貌越复杂,即越容易发生溅射.

2.3 Zn-Al熔滴扁平过程的温度变化

当碰撞速度为3.28 m·s-1时,Zn-A l熔滴在不锈钢基体上扁平过程前200 m s的温度曲线,如图4所示.Zn-A l材料也是二元共晶体,但在443℃时,它有包晶反应(一个液相与一个固相互相作用而生成另一个固相的恒温转变).这使得Zn-A l熔滴的冷却凝固过程中,其所发生的结晶反应要比Sn-Pb熔滴更复杂.

图4 Zn-A l熔滴的温度曲线Fig.4 Temperature curve of Zn-A l drop let

2.4 熔滴扁平形貌的分析复杂的多.从图4可知,Zn-A l熔滴在不锈钢基体上的测温响应时间要比前面的Sn-Pb和Zn熔滴快.在2.61 m s时,Zn-A l熔滴的温度峰值为381℃.

与Zn熔滴的冷却曲线类似,Zn-A l熔滴的冷却曲线也会出现一段明显的平稳期,并且存在“过冷现象”.平稳期从10.008 m s开始,到31.114 m s结束,持续时间约21.106 m s,温度平均保持在330℃.由此可见,Zn-A l熔滴的平稳期比Zn熔熵的平稳期(约18.135 m s)要长一些.说明,前者在冷却凝固过程中出现的固-液共存期要比后者更长.这主要是因为Zn-A l熔滴的潜热值(207.9 J·g-1)比Zn熔滴的潜热值(111.4 J·g-1)大很多.当熔滴粒子由液态向固态转变时,对于Zn-A l熔滴来说,由潜热释放的热量就会更多,这就使得它的固-液共存时间比Zn的要更长久,扁平流动过程也更充分,最终会导致其扁平粒子的边缘形貌变得

熔滴粒子与基体碰撞后,其扁平形貌可通过CCD照相获得.对粒子扁平形貌分析是在图像二值化处理后进行的.熔滴与基体碰撞前的速度是根据图1实验装置中石墨容器底端出口距离基体的高度确定的,熔滴直径由扁平粒子的质量、密度及平均厚度来确定.不同实验材料在不同碰撞速度(v)下的扁平形貌二值化图,如表2所示.表2中,熔滴图形下方数据为粒子直径.

由表2可看出,不同材料的金属熔滴以不同的速度正面碰撞在基体上,其最终的扁平形貌是不同的.熔滴的扁平化过程是以接触点开始,以熔滴中轴线为基准,在基体表面向四周任意方向铺散流动,并最终凝固成形;随着粒子碰撞前速度的增加,扁平形貌发生飞溅的趋向愈大.

表2 熔滴扁平形貌二值化图Tab.2 Binarization diagram of drop let sp lat mo rphology

3 结束语

高温、高速的微细粒子在极短的时间内扁平,而现有条件是很难获取熔滴粒子与基体的瞬时特性的实验数据.根据雷诺数力学相似性准则,采用低速大熔滴粒子的扁平化实验,可获取类似实际熔射过程的粒子扁平化实验数据,方案可行,成本低廉.熔滴扁平化过程的结果,为研究粒子动态生长特性及涂层结合机理提供了必要的实验依据.

[1] GOUGEON P,MOREAU C.Simultaneous independentmeasurement of sp lat diameter and cooling time during impact on a substrate of p lasma-sp rayed molybdenum particles[J].Journalof Thermal Sp ray Technology,2001,10(1): 76-82.

[2] FAUCHA IS P.Understanding p lasma-sp raying[J].J Phys(D):App l Phys,2004,37(9):86-108.

[3] ESCURE C,VARDELLE M,VARDELLE A,et al.Visualization of the impact of drops on a substrate in plasma sp raying:Deposition and sp lashing modes[C]∥Proc International Thermal Sp ray Conference.Singapore:[s.n.], 2001:28-30.

[4] FUKUMOTO M,N ISH IYAMA T,N ISH IOKA E.Effectof surface mo rphology of substrate on flattening behavior of freely fallen metal drop let[C]∥Proc Int Thermal Sp ray Conference.Essen:[s.n.],2002:37-41.

[5] AMADA S,OHYAGI T,HARUYAMA M.Evaluation of sp lat p rofile for droplet impingement[J].Surface and Coatings Technology,1999,115(2/3):184-192.

[6] AMADA S,IMAGAWA K,AOKI S.Splat p rofile of impinging drop lets on rough substrates:Influence of suface roughness[J].Surface and Coatings Technology,2002,154(1):27-33.

[7] 皮涛,李京龙,李长久.低速大熔滴模拟热喷涂熔滴扁平化过程的研究[J].甘肃工业大学学报,1998,24(4):14-18.

[8] GHAFOURI-AZA IR,SHA KREIS,CHANDRA S,et al.Interactions between molten metal drop lets impinging on a solid surface[J].International Journal of Heat and Mass Trans,2003,46(8):1395-1407.

[9] GHAFOURI-AZA IR,YANG Z,CHANDRA S,et al.Impact of molten metal drop letson the tip of a pin p rojecting from a flat surface[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,2005,26(2):334-347.

Temperature Variation During the Splatting Process with Low-Speed Big Droplet

ZHANG Su-zhi,GAO Yan-qing, L IN Xin-mei,ZHAO Zi-yu
(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

In order to investigate the splatting p rocess of thermal sp rayed drop lets,this paper adop ts the low-speed big droplets impinged on the substrate to simulate collision and flattening p rocess of particles,based on the rule of Reynolds number similarity criteria.A temperature acquisition device w ith fast thermocoup le is designed for the detection and analysisof temperature variation in the sp latting and solidification p rocess with Sn-Pb,Zn and Zn-A l drop lets.The results have show n that after the drop let is impinged on the substrate w ith a certain velocity,the drop let transversely flow s and sp reads in random direction centering on the particle axis;the temperature curve first rises to the peak and then declines rapidly,as time increases,the decline rate is slow ly reduced;compared to Sn-Pb and Zn drop lets,Zn-A l drop let has longer time in solidification and cooling because of the largest latent heat.

low-speed;big droplet;sp latting;temperature

TG 664;TG 122

A

(责任编辑:陈志贤 英文审校:郑亚青)

1000-5013(2010)05-0483-04

2009-09-27

赵紫玉(1968-),男,副教授,主要从事表面工程技术的研究.E-mail:zyzhao@hqu.edu.cn.

福建省自然科学基金资助项目(2009J01254);福建省发改委小发明专项基金资助项目(20061095);华侨大学实验教学改革与建设项目(20090120)