張素芝,高燕青,林新美,趙紫玉

(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州362021)

低速大熔滴扁平化過程的溫度變化

張素芝,高燕青,林新美,趙紫玉

(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州362021)

為了便于研究噴涂過程中熔滴粒子的碰撞扁平行為,根據(jù)雷諾數(shù)力學相似性準則,采用低速大熔滴撞擊基體來模擬粒子的碰撞扁平行為.設(shè)計一個基于快速熱電偶的溫度采集裝置,分別對Sn-Pb,Zn和Zn-A l熔滴與基體碰撞扁平,以及冷卻凝固過程的溫度變化進行檢測與分析.研究表明,一定速度的熔滴粒子撞擊基體后,會以粒子軸為中心,在基體表面向四周任意方向發(fā)生橫向鋪散流動.其溫度曲線是先急劇升高到峰值,然后快速下降,并且隨著時間的增加,下降速率開始慢慢減小;由于Zn-Al熔滴的潛熱值最大,其冷卻凝固的時間相對于Sn-Pb,Zn熔滴的冷卻凝固時間更長.

低速;大熔滴;扁平化;溫度

研究熔滴扁平沉積過程中的溫度變化規(guī)律并加以控制,可以有效改善涂層質(zhì)量.文[1-3]對噴涂熔滴的測量進行研究,但有的是誤差較大,有的是測量系統(tǒng)復雜而昂貴或是系統(tǒng)調(diào)試困難.文[4-7]采用模擬實驗研究低速大熔滴測量、熔滴的扁平過程、熔滴扁平形貌和基體粗糙度對形貌的影響規(guī)律,以及熔滴碰撞后的形態(tài)與基體的結(jié)合特性.噴涂或熔射成形過程的熔滴粒子極其微小(直徑為10～120μm),且是高速(速度為50～300 m·s-1)撞擊基體,其單個熔滴的扁平變形與冷卻凝固一般發(fā)生在10～20 μs之內(nèi).因此,對熔滴扁平過程的溫度變化的檢測難以進行.本文采用低速大熔滴撞擊基體來模擬粒子的碰撞扁平行為,同時,利用快速熱電偶檢測與分析熔滴與基體碰撞后的溫度變化.

圖1 實驗裝置Fig.1 Device of experiment

1 實驗部分

熔滴與基體碰撞扁平的實驗裝置圖,如圖1所示.金屬材料在功率為15 kW的高頻感應(yīng)加熱器中受熱熔化后,在自身的重力與N2氣的保護下形成熔滴并自由下落.碰撞發(fā)生在室溫(25℃)下光滑平坦的不銹鋼基體表面,進而發(fā)生扁平變形,并最終在基體上凝固冷卻.

裝置中,熱電偶與不銹鋼基體垂直裝配在一起,熱電偶頭與基體表面平齊并被放置在熔滴粒子自由下落的正下方處,熔滴粒子與熱電偶相接觸的瞬間開始進行測溫.基體放置在升降臺上,通過調(diào)整高度來實現(xiàn)熔滴粒子與基體的不同碰撞速度.熔滴粒子的下落、碰撞、扁平和冷卻過程,都在N2氣氛圍保護下進行.

測溫熱電偶采用E12自更新型快速響應(yīng)熱電偶(美國Nanmac公司),探針外徑尺寸Φ為6.35 mm,位于探針內(nèi)部多功能傳感器內(nèi)的熱電偶結(jié)材料是鎢錸5%-鎢錸26%(分度號:W 5%Re-W 26% Re).該熱電偶結(jié)定位精度為±0.025 mm,測溫誤差為±1℃,響應(yīng)時間為0～10μs.

采用Sn-Pb(Sn質(zhì)量分數(shù)為30%,Pb質(zhì)量分數(shù)為70%),Zn和Zn-A l(A l質(zhì)量分數(shù)為12.5%～13.5%,其余為Zn)材料作為研究對象.熔滴材料的物性參數(shù),如表1所示.表1中:材料的熱物理性均是指在其熔點時的值;ρ為密度;θm為熔點;C為比熱容;a為熱擴散率;Hf為潛熱.

表1 熔滴材料的物性參數(shù)Tab.1 Physical parameters of drop letsmaterial

金屬材料經(jīng)過高頻感應(yīng)加熱器與石墨容器后,可生成直徑為3.60～5.29 mm的熔滴.當熔滴與基體及熱電偶頭碰撞扁平時,其冷卻凝固過程的溫度變化通過熱電偶、信號調(diào)理器和虛擬儀器瞬態(tài)溫度采集系統(tǒng)進行實時采集與處理.熔融的高溫粒子與熱電偶頭直接接觸,多次實驗后會降低熱電偶的響應(yīng)時間.為了盡可能地保證熔滴粒子扁平冷卻過程溫度測量的準確性,每次實驗完要對熱電偶頭用氧化鋁砂紙進行打磨.通過測量熱電偶結(jié)(包括補償導線)的電阻,可以確保其響應(yīng)時間再次達到微秒級.

2 結(jié)果與討論

2.1 Sn-Pb熔滴扁平過程的溫度變化

在碰撞速度為3.28 m·s-1時,熔滴在不銹鋼基體上扁平過程前200 m s的溫度曲線,如圖2所示.由圖2可看出,溫度曲線是先急劇升高到峰值,然后快速下降;隨著時間的增加,下降速率慢慢減小,最后趨近于室溫.在3.865 m s時,熔滴的溫度峰值為210℃,要高于其熔點值190℃.溫度曲線在達到峰值后開始快速下降,表明熔滴在扁平鋪散過程的冷卻凝固速度是非?？斓?

文[8-9]的研究表明,當直徑約為2 mm的鉛錫熔滴以1.6～3.3 m·s-1的速度碰撞在冷的(20～25℃)平坦光滑的不銹鋼基體表面時,其扁平變形發(fā)生在5～20 m s內(nèi).因此,熱電偶在3.865 m s時,熔滴還處于扁平流動未完成狀態(tài).

Sn-Pb材料屬于二元共晶體(即在液態(tài)無限互溶,在固態(tài)有限互熔),其液相線與固相線分別是254.4,187.8℃.在210℃時,熔滴的結(jié)晶組織為L+α相(L相為液相,α相是以Pb為熔劑,Sn為熔質(zhì)的有限固熔體).此時,Sn-Pb熔滴為不完全凝固狀態(tài).隨著熔滴粒子在基體表面進一步扁平,與基體的接觸面積進一步增大,熔滴粒子與基體的熱傳導更加充分,使得Sb-Pb熔滴的冷卻速率變得非常高.

在8.205 m s時,熔滴溫度下降到187.82℃,達到了Sn-Pb合金熔滴的固相線.此時,Sn-Pb熔滴已完全凝固,說明熔滴的扁平變形運動(包括橫向鋪散流動,反彈或飛濺等)已經(jīng)結(jié)束.當熔滴完全凝固后,主要是已成形的扁平粒子與基體進行熱傳導,并逐漸冷卻到與基體溫度相等.從圖2中可知,Sn-Pb熔滴在200 m s時溫度已經(jīng)接近60℃.

圖3 Zn熔滴的溫度曲線Fig.3 Temperature curve of Zn drop let

圖2 Sn-Pb熔滴的溫度曲線Fig.2 Temperature curve of Sn-Pb drop let

2.2 Zn熔滴扁平過程的溫度變化

在碰撞速度為3.28 m·s-1時,Zn熔滴在不銹鋼基體上扁平過程前200 m s的溫度曲線,如圖3所示.從圖3中可知,在4.54 m s時,Zn熔滴粒子的溫度峰值為441℃,熔滴溫度達到峰值后開始下降;但是,其下降曲線與Sn-Pb熔滴的下降曲線有所不同.Zn熔滴粒子的冷卻曲線在峰值后開始快速下降,在下降到約24.015 m s,熔滴溫度為356.2℃時,冷卻曲線開始出現(xiàn)一個平穩(wěn)階段.這一平穩(wěn)階段持續(xù)到42.15 m s,溫度為348.6℃,而溫度保持在平均352.4℃左右的持續(xù)時間約為18.135 m s.等平穩(wěn)期結(jié)束后,冷卻曲線開始再次下降,下降速度要比平穩(wěn)階段之前的速度慢一些;隨著時間的增加,曲線的下降變得越來越平緩.

圖2中曲線的平穩(wěn)段屬于Zn熔滴冷卻過程中出現(xiàn)的固-液共存期.在這段共存期中,熔滴溫度基本保持不變.這是因為Zn材料在凝固過程中,由于潛熱的存在會釋放熱量,而釋放的熱量被自身吸收后補償了熔滴由于熱傳遞而造成的溫度下降.在Sn-Pb熔滴的冷卻曲線上沒有觀察到明顯的平穩(wěn)段,主要是因為Sn-Pb熔滴的潛熱很小(潛熱值為34.2 J·g-1),而其冷卻率又很大.所以,在圖2的時間比例下,并不能像Zn熔滴(潛熱值為111.4 J·g-1)一樣能觀察到明顯的溫度平穩(wěn)期.

在42.15 m s時,Zn熔滴完全凝固,其溫度值348.6℃比熔點420℃要低.這是因為Zn熔滴在結(jié)晶過程中出現(xiàn)了“過冷現(xiàn)象”(液態(tài)金屬實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象).當Zn熔滴完全凝固時,熔滴在基體表面的扁平變形運動結(jié)束,主要是與基體進行熱傳導并緩慢冷卻到室溫.所以,此后的溫度下降曲線會變得越來越平緩.Sn-Pb熔滴完全凝固所用的時間8.2 m s,而Zn熔滴的完全凝固發(fā)生的時間很長.這就使得在相同的碰撞速度條件下,Zn熔滴粒子的扁平流動會更加充分,最終的扁平形貌越復雜,即越容易發(fā)生濺射.

2.3 Zn-Al熔滴扁平過程的溫度變化

當碰撞速度為3.28 m·s-1時,Zn-A l熔滴在不銹鋼基體上扁平過程前200 m s的溫度曲線,如圖4所示.Zn-A l材料也是二元共晶體,但在443℃時,它有包晶反應(yīng)(一個液相與一個固相互相作用而生成另一個固相的恒溫轉(zhuǎn)變).這使得Zn-A l熔滴的冷卻凝固過程中,其所發(fā)生的結(jié)晶反應(yīng)要比Sn-Pb熔滴更復雜.

圖4 Zn-A l熔滴的溫度曲線Fig.4 Temperature curve of Zn-A l drop let

2.4 熔滴扁平形貌的分析復雜的多.從圖4可知,Zn-A l熔滴在不銹鋼基體上的測溫響應(yīng)時間要比前面的Sn-Pb和Zn熔滴快.在2.61 m s時,Zn-A l熔滴的溫度峰值為381℃.

與Zn熔滴的冷卻曲線類似,Zn-A l熔滴的冷卻曲線也會出現(xiàn)一段明顯的平穩(wěn)期,并且存在“過冷現(xiàn)象”.平穩(wěn)期從10.008 m s開始,到31.114 m s結(jié)束,持續(xù)時間約21.106 m s,溫度平均保持在330℃.由此可見,Zn-A l熔滴的平穩(wěn)期比Zn熔熵的平穩(wěn)期(約18.135 m s)要長一些.說明,前者在冷卻凝固過程中出現(xiàn)的固-液共存期要比后者更長.這主要是因為Zn-A l熔滴的潛熱值(207.9 J·g-1)比Zn熔滴的潛熱值(111.4 J·g-1)大很多.當熔滴粒子由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時,對于Zn-A l熔滴來說,由潛熱釋放的熱量就會更多,這就使得它的固-液共存時間比Zn的要更長久,扁平流動過程也更充分,最終會導致其扁平粒子的邊緣形貌變得

熔滴粒子與基體碰撞后,其扁平形貌可通過CCD照相獲得.對粒子扁平形貌分析是在圖像二值化處理后進行的.熔滴與基體碰撞前的速度是根據(jù)圖1實驗裝置中石墨容器底端出口距離基體的高度確定的,熔滴直徑由扁平粒子的質(zhì)量、密度及平均厚度來確定.不同實驗材料在不同碰撞速度(v)下的扁平形貌二值化圖,如表2所示.表2中,熔滴圖形下方數(shù)據(jù)為粒子直徑.

由表2可看出,不同材料的金屬熔滴以不同的速度正面碰撞在基體上,其最終的扁平形貌是不同的.熔滴的扁平化過程是以接觸點開始,以熔滴中軸線為基準,在基體表面向四周任意方向鋪散流動,并最終凝固成形;隨著粒子碰撞前速度的增加,扁平形貌發(fā)生飛濺的趨向愈大.

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

3 結(jié)束語

高溫、高速的微細粒子在極短的時間內(nèi)扁平,而現(xiàn)有條件是很難獲取熔滴粒子與基體的瞬時特性的實驗數(shù)據(jù).根據(jù)雷諾數(shù)力學相似性準則,采用低速大熔滴粒子的扁平化實驗,可獲取類似實際熔射過程的粒子扁平化實驗數(shù)據(jù),方案可行,成本低廉.熔滴扁平化過程的結(jié)果,為研究粒子動態(tài)生長特性及涂層結(jié)合機理提供了必要的實驗依據(jù).

[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] 皮濤,李京龍,李長久.低速大熔滴模擬熱噴涂熔滴扁平化過程的研究[J].甘肅工業(yè)大學學報,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

(責任編輯:陳志賢 英文審校:鄭亞青)

1000-5013(2010)05-0483-04

2009-09-27

趙紫玉(1968-),男,副教授,主要從事表面工程技術(shù)的研究.E-mail:zyzhao@hqu.edu.cn.

福建省自然科學基金資助項目(2009J01254);福建省發(fā)改委小發(fā)明專項基金資助項目(20061095);華僑大學實驗教學改革與建設(shè)項目(20090120)