郭快快， 商 碩， 陳 進(jìn)， 劉常升

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819; 2.遼寧增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 遼寧 沈陽 110200)

VIGA制備金屬粉末的霧化過程的影響因素復(fù)雜[1-2]，超音速氣流將金屬熔體霧化破碎成大量細(xì)小的熔融金屬液滴在表面張力的作用下成球并凝固，霧化介質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為破碎金屬液滴的表面能[3]，金屬熔體的破碎過程是一個(gè)多相流相互耦合的過程，包括一次霧化和二次霧化，難以用常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行表征[4-5].另外，合理的噴嘴結(jié)構(gòu)和良好的霧化工藝是確保霧化過程穩(wěn)定并獲得高產(chǎn)率和高質(zhì)量粉末的必須條件.

計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)可以更好地解決復(fù)雜流動(dòng)問題，越來越受到重視[6-8].國內(nèi)外學(xué)者采用CFD對(duì)氣霧化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬.趙新明等[9]利用CFD軟件Fluent模擬了超音速氣霧化噴嘴氣體單相流場，研究霧化氣壓對(duì)氣體單相流場及霧化室中心線上靜壓強(qiáng)、速度等的影響，結(jié)果表明，隨霧化氣壓(1.5～5.0 MPa)的逐漸增大，中心線上氣流的最大速度逐漸增加，抽吸壓力先減小后增大，導(dǎo)流管底端徑向分布的壓強(qiáng)梯度逐漸增大.Aydin等[10]使用CFD軟件Fluent 6.3模擬研究了緊耦合氣霧化中霧化氣壓對(duì)熔體導(dǎo)流管出口壓力狀態(tài)和氣流分離過程的影響.使用1.0，1.3，1.7，2.2和2.7 MPa的霧化氣壓初始化進(jìn)氣口中壓力，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，CFD模型可以用于估算噴嘴的導(dǎo)流管熔體出口處的壓力，氣流分離的形成在很大程度上取決于霧化氣體的壓力.目前，較高氣壓對(duì)霧化過程和顆粒尺寸的影響尚不明朗，為了減少實(shí)驗(yàn)量和對(duì)工藝優(yōu)化提供支持，本文模擬VIGA 制備GH4169高溫合金的一次霧化和二次霧化過程，以及霧化氣壓對(duì)流場結(jié)構(gòu)和霧化粉末粒度分布的影響，對(duì)氣霧化實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo).

1 研究方法及過程

采用ANSYS Fluent商用軟件CFD數(shù)值計(jì)算方法，模擬霧化壓力3～7 MPa條件下兩相流破碎過程，采用不可壓縮狀態(tài)模擬.一次霧化過程采用的物理模型為VOF多相流模型和大渦模型.二次霧化過程采用的物理模型為DPM離散相模型.破碎過程采用TAB破碎模型.求解器采用壓力基的瞬態(tài)法模擬計(jì)算真空感應(yīng)氣霧化制粉熔體霧化過程.

選取霧化室二維軸對(duì)稱幾何體的1/2模型為計(jì)算域，利用Gambit軟件對(duì)噴嘴及其后端的流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖1所示.將幾何模型的對(duì)稱軸邊界作為X軸，設(shè)置為旋轉(zhuǎn)軸邊界；實(shí)驗(yàn)所使用霧化氣體為氬氣，選擇壓力入口邊界作為氣體入口，速度入口作為合金高溫熔體入口；選用噴嘴下方138 mm×50 mm為計(jì)算域，其上邊界和左邊界設(shè)置為壓力出口；將氣室周圍和霧化室頂部的金屬壁面設(shè)置為壁面.氬氣物性參數(shù)如表1所示.GH4169鎳基合金的物性參數(shù)如表2所示.

圖1 氣霧化設(shè)備二維軸對(duì)稱模型

表1 氬氣物性參數(shù)

表2 GH4169鎳基合金物性參數(shù)

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 霧化氣壓對(duì)一次霧化的影響

不同霧化氣壓下，同一時(shí)刻，一次霧化高溫熔體云圖如圖2所示，圖中紅色部分代表高溫合金熔體.由圖2a～2c可以看出，霧化氣壓從3 MPa增加到4，5 MPa時(shí)，高溫熔體流入霧化室內(nèi)的量逐漸減少，熔體向兩側(cè)延展得更寬，熔體液柱被剝離后呈現(xiàn)的帶狀液膜厚度逐漸減小，破碎的金屬液滴面積也逐漸減??；這是因?yàn)殪F化氣壓從3 MPa增加到4，5 MPa時(shí)，導(dǎo)流管底端抽吸壓力值逐漸增大，氣體對(duì)熔體的抽吸作用逐漸減小，相同時(shí)間內(nèi)高溫熔體流入霧化室內(nèi)的量逐漸減小，又因回流區(qū)內(nèi)氣流量和氣流速度逐漸增大，故氣液質(zhì)量流率比和氣液相對(duì)速度增大，氣體對(duì)熔體的霧化作用增強(qiáng)，霧化后呈現(xiàn)的液膜厚度和破碎液滴減小.

由圖2c～2e可以看出，隨霧化氣壓從5 MPa增加到6，7 MPa時(shí)，流入霧化室內(nèi)的高溫合金熔體的量沒有明顯變化，這與霧化氣壓為5，6，7 MPa 時(shí)抽吸壓力變化不明顯有關(guān)；由圖2c～2e還可以看出，一次霧化過程帶狀液膜的厚度和破碎的液滴面積逐漸減小.隨霧化氣壓的增大，一方面，回流區(qū)內(nèi)氣流速度逐漸減小，使氣體對(duì)液體的破碎作用強(qiáng)度減弱；另一方面，滯止壓強(qiáng)的增大會(huì)使進(jìn)入回流區(qū)的氣體流量增加，氣液質(zhì)量比的增大會(huì)使氣體對(duì)熔體的破碎作用增強(qiáng).

圖2 不同霧化氣壓條件下一次霧化高溫熔體云圖

2.2 霧化氣壓對(duì)二次霧化粉末粒徑分布的影響

保持幾何模型、熔體屬性、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不變，采取3個(gè)注射液流構(gòu)成的組注射的模式，每組3個(gè)初始液滴的直徑分別設(shè)置為0.7，0.6，0.5 mm，溫度均設(shè)置為1 863 K.利用Fluent軟件中的粒子示蹤功能，得到二次霧化液滴破碎及流動(dòng)軌跡圖；通過捕捉模型出口邊界處逃逸粒子，統(tǒng)計(jì)得到二次霧化后粉末粒徑分布情況.

通過統(tǒng)計(jì)霧化室出口邊界處逃逸粒子信息，得到了不同霧化氣壓條件下液滴二次霧化后粉末粒度分布，如圖3所示.隨霧化氣壓的增大，粉末粒徑分布范圍逐漸變窄，粉末粒徑分布柱狀圖最高峰粒徑逐漸向左移動(dòng)，即粉末平均粒徑逐漸減小.霧化氣壓為3 MPa時(shí)，粉末粒徑分布范圍較寬，分布在50～80 μm范圍的最多，但有少量粒徑為100～180 μm的粉末存在，如圖3a所示.當(dāng)霧化氣壓為4 MPa時(shí)，粉末粒徑分布范圍與氣壓為3 MPa時(shí)相同，但粒徑為100～180 μm的粉末含量明顯減少，粉末粒徑主要分布在30～80 μm之間，如圖3b所示.當(dāng)霧化氣體壓力為5 MPa時(shí)，粉末粒徑分布范圍較氣壓為4 MPa時(shí)明顯變窄，主要分布在40～60 μm之間，如圖3c所示.當(dāng)霧化氣體壓力從5 MPa逐漸增加到6，7 MPa時(shí)，粉末粒徑分布柱狀圖最高峰粒徑從50 μm左右向左移動(dòng)到約40，30 μm，這意味著隨霧化氣體壓力的逐漸增加，二次霧化粉末平均粒徑逐漸減小，如圖3d，3e所示.

不同霧化氣壓條件下二次霧化統(tǒng)計(jì)所得粉末粒徑累積分布曲線如圖4所示.當(dāng)霧化氣體壓力由3 MPa逐漸增加到4，5 MPa時(shí)，不同霧化氣壓下的粒徑累積分布曲線逐漸向左移動(dòng)，同時(shí)粒徑分布寬度變小，由此可知，二次霧化所得合金粉末粒徑的中位徑逐漸變小，粒徑分布范圍隨著霧化氣壓的增大逐漸減小.當(dāng)霧化氣體壓力從5 MPa增加到6，7 MPa時(shí)，粉末粒徑累積分布曲線相對(duì)于5 MPa時(shí)的粒徑累積分布曲線逐漸向左移動(dòng)，粒徑分布寬度變化不大，由此可得二次霧化所得合金粉末粒徑的中位徑逐漸減小，但減小的幅度不如氣壓從4 MPa增大到5 MPa時(shí)粉末粒徑中位徑減小的幅度大.

圖3 不同霧化壓力條件下粉末粒徑分布圖

圖4 不同霧化氣壓條件下粉末粒徑累積分布曲線

不同霧化氣壓條件下，初始液滴二次霧化數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)所得粉末粒徑數(shù)據(jù)如表3所示.可知，當(dāng)霧化氣壓由3 MPa逐漸增加到4，5，6，7 MPa時(shí)，粉末平均粒徑從106.54 μm減小到73.69，61.83，52.11，44.67 μm，粉末中位徑D50從81.10 μm 減小到69.80，64.77，52.30，41.80 μm.隨霧化氣壓由3 MPa逐漸增大到7 MPa，氣霧化粉末越來越細(xì)，小于53 μm的細(xì)粉收得率由1.72%逐漸提高到12.62%，18.89%，56.50%，71.54%.

由圖3、圖4及表3可知，隨霧化氣壓的增大，二次霧化數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)所得的合金粉末平均粒徑逐漸減小，中位徑D50逐漸減小，細(xì)粉收得率逐漸增加.當(dāng)霧化氣壓為7 MPa時(shí)，二次霧化金屬液滴破碎最充分，統(tǒng)計(jì)所得粉末平均粒徑最小為44.67 μm，D50最小為41.80 μm，粒徑≤53 μm的細(xì)粉收得率最大.這主要是因?yàn)樵趪娮旖Y(jié)構(gòu)保持一定的情況下，增大氣體入口處霧化氣體壓力，會(huì)使噴管噴射而出的超音速氣流速度增大，氣體對(duì)熔體的沖擊破碎作用強(qiáng)度增加，故在一次霧化后得到的初始液滴的數(shù)量和尺寸相同的情況下，二次霧化后所得粉末粒徑逐漸減小.

表3 不同霧化氣壓條件下二次霧化統(tǒng)計(jì)粉末粒徑

氣霧化數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)霧化氣壓為7 MPa時(shí)，所得粉末非常細(xì)小，粉末平均粒徑從6 MPa 時(shí)的52.11 μm減小到44.67 μm，中位徑從6 MPa時(shí)的52.30 μm減小到41.80 μm，粒徑減小的幅度為20%.因此，VIGA氣霧化制粉時(shí)，若想獲得超細(xì)粉末，提高細(xì)粉收得率，在設(shè)備安全性和生產(chǎn)成本允許的情況下，可以考慮增大霧化氣體壓力.

3 結(jié) 論

隨霧化氣壓的增加，一次霧化過程帶狀液膜的厚度和破碎的液滴面積逐漸減?。欢戊F化對(duì)熔體的破碎作用逐漸增強(qiáng)，霧化所得粉末粒徑越來越細(xì)小，中位徑從81.10 μm減小到69.80，64.77，52.30，41.80 μm；細(xì)粉收得率逐漸提高，由1.72%提高到12.62%，18.89%，56.50%，71.54%.