高速气流下金属线材熔融液滴形成及脱落过程模拟

在等离子电弧喷涂(Plasma-arc wire spraying)工艺中，高速气流下金属线材的熔融与液滴的形成及脱离直接影响制备涂层的微观结构和质量。为了更好地理解熔滴形成及脱落的规律，本文建立了在高速气流驱动下金属线材熔融形成液滴及脱落过程的数学模型，对熔融金属的物理性质(表面张力、粘度、密度)以及入口流速对熔滴形成及脱落过程的影响分别进行了分析，结果表明表面张力与粘度越大，熔滴的脱落时间越长，主熔滴的脱落半径越大，其中表面张力占主导地位；密度与入口流速越大，熔滴的脱落时间越短，主熔滴的长度越长、脱落半径越大。

等离子电弧喷涂(Plasma-arc wire spraying)是一种新型的热喷涂工艺，其中电弧既用于熔化阳极金属线材料(自耗电极)，也用于加热等离子气体，等离子气体则用于雾化和加速喷涂材料撞击基体形成涂层。

该方法具有低成本、高产量、涂层性能优异等特点，广泛应用于航空航天、海洋工程及原子能工程等高科技领域[1]。

在等离子电弧喷涂过程中，金属线材的熔融与液滴的形成及脱落是影响涂层微观结构和质量的主要因素。而熔滴的脱落频率及脱落半径则主要取决于熔滴和等离子射流之间的相对速度、熔融金属的物性参数及入口流速[2]。到目前为止，诸多学者建立了带有外阳极金属线的等离子电弧发生器的数学模型， 对金属线材在等离子射流中的加热、熔化及尖端金属熔滴的形成与破碎过程进行了大量的研究[3]-[9]。

而在具体操作与应用中，只有了解各种物性及操作参数对熔滴形成过程的具体影响与主次关系，才能对金属熔融液滴的形成与脱落做到准确的调控。因此，有必要对各种物性及关键操作参数在熔形成及脱落过程中的影响规律及影响程度进行更加深入的研究。

本文建立了高速等离子气体驱动下金属熔滴形成与脱落过程的数学模型，对熔融金属的物理性质(表面张力、粘度、密度)以及入口流速对熔滴形成及脱落的影响进行了研究，并分别分析了各个参数影响熔滴形成及脱落的主次程度。所获结论可以为优化等离子电弧喷涂过程提供理论参考。

2. 物理过程与数学模型 2.1. 物理过程 等离子体电弧喷涂工作原理如图1 所示。在喷涂过程中，截面半径为wR 、速度为wv 的金属线材以垂直于等离子体流的方向向等离子体电弧给进，金属线材的前端连接着电源正极，等离子气流以速度extv且垂直于金属线材方向喷出。在靠近电弧中心时，线材前端被高温等离子体射流加热熔化。假设金属线材熔融前沿平行于等离子体流流动方向，并且金属线材熔化速度等于其给进速度。则在金属线材的端头就