摘 要：針對(duì)噴射成形錠坯的孔隙較大問(wèn)題，研究了下級(jí)霧化器參數(shù)優(yōu)化策略。基于下級(jí)霧化器參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)的影響規(guī)律控制熔滴的狀態(tài)變化，以此來(lái)減小錠坯的孔隙。針對(duì)不同的下級(jí)霧化器的頂角、噴嘴直徑和霧化氣體壓力，分析氣流場(chǎng)的變化，得到這3個(gè)參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)的影響規(guī)律，進(jìn)行噴射成形實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：在下級(jí)霧化器參數(shù)優(yōu)化后，熔滴的霧化效果明顯提高，且采用優(yōu)化后的下級(jí)霧化器參數(shù)制備的鋁合金錠坯孔隙更小。

關(guān)鍵詞：噴射成形；孔隙；氣流場(chǎng)；下級(jí)霧化器參數(shù)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1671-5276（2024）04-0255-04

Atomizer Parameter Optimization in Spray Forming

LI Fang， MA Wantai， CHEN Jianzhou

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China ）

Abstract：The parameter optimization strategy of atomizer is studied regarding the large porosity of spray forming ingot blanks. Based on the influence of the atomizer parameters on the airflow field， the state change of the droplet is controlled to reduce the porosity of the ingot blank. According to different topangles， nozzle diameters and atomizing gas pressures of the atomizer， the changes of the airflow field are analyzed， the influence law of these three parameters on the airflow field is obtained， and injection molding experiments are carried out. The results show that after the optimization of the atomizer parameters， the atomization effect of the droplets is significantly improved， and the pores of the aluminum alloy ingot billet prepared by the optimized atomizer parameters are smaller.

Keywords：spray forming；void；airflow field；atomizer parameter optimization

0 引言

在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)錠坯的要求不同時(shí)，需要對(duì)下級(jí)霧化器參數(shù)做出合理的調(diào)整。目前，只能依靠技術(shù)人員的理論計(jì)算和重復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)調(diào)節(jié)下級(jí)霧化器參數(shù)。這種方式效率低、會(huì)浪費(fèi)較多的材料。因此為了降低噴射成形工藝優(yōu)化的成本，采用流體動(dòng)力學(xué)仿真的方法對(duì)霧化過(guò)程進(jìn)行模擬，從而對(duì)下級(jí)霧化器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化^[1]。

在噴射成形的仿真分析中，針對(duì)熔液霧化過(guò)程的研究較多。余雷等^[2]通過(guò)Fluent對(duì)霧化過(guò)程中的氣流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，證明了在某個(gè)氣壓值處導(dǎo)流管出口壓力達(dá)到極小值，此時(shí)對(duì)于導(dǎo)流管中熔液的抽吸作用最強(qiáng)，霧化效果也最佳。ODUM等^[3]通過(guò)CFD軟件計(jì)算了霧化室內(nèi)的氣流場(chǎng)分布，研究了拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)氣流場(chǎng)的影響。崔小杰等^[4]通過(guò)數(shù)值模擬的方式對(duì)霧化過(guò)程中的霧化壓力、噴射角度和噴射距離等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析，得出了各參數(shù)對(duì)霧化氣流場(chǎng)的影響規(guī)律。李世瑞等^[5]將水平集方法和VOF方法耦合形成了一種新的計(jì)算液體體積分?jǐn)?shù)的方法，并驗(yàn)證了新方法的合理性，然后使用該方法對(duì)液體射流的破碎過(guò)程進(jìn)行了模擬。在噴射成形階段的研究中，對(duì)霧化和沉積凝固相關(guān)的研究較多，而與噴射過(guò)程相關(guān)的研究成果較少，所以仍然難以通過(guò)現(xiàn)有的研究提高坯件的質(zhì)量。

本文首先根據(jù)7055鋁合金的噴射成形設(shè)備建立噴射成形氣流場(chǎng)的仿真模型，研究下級(jí)霧化器頂角、噴嘴直徑及霧化氣體壓力對(duì)氣流場(chǎng)分布的影響，基于仿真得到的規(guī)律優(yōu)化下級(jí)霧化器的頂角、噴嘴直徑及霧化氣體壓力，控制熔滴在沉積前處于一個(gè)較為理想的狀態(tài)。最后在產(chǎn)線上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基于仿真模型對(duì)下級(jí)霧化器參數(shù)優(yōu)化的可行性。

1 下級(jí)霧化器參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)影響的仿真分析

1.1 下級(jí)霧化器頂角對(duì)氣流場(chǎng)的影響

通過(guò)改變下級(jí)霧化器頂角得到霧化點(diǎn)氣體流速、回流區(qū)氣流平均速度和加速區(qū)氣流平均速度的變化情況。以下級(jí)霧化器右側(cè)壁面為基準(zhǔn)，將下級(jí)霧化器的其他部分設(shè)置為可移動(dòng)部分，同時(shí)將下級(jí)霧化器的相對(duì)位置參數(shù)化來(lái)保證相對(duì)位置不變，然后依次將下級(jí)霧化器的頂角分別設(shè)為7°、15°、20°、30°、40°、45°和60°，得到氣流場(chǎng)的分布。為了減小偶然性誤差，在其他參數(shù)相同的情況下，依次將下級(jí)霧化器噴嘴直徑設(shè)為2mm、4mm進(jìn)行仿真，氣流場(chǎng)中各個(gè)區(qū)域的流速分別如表1和表2所示。

從表2中可以看出，隨著下級(jí)霧化器頂角的增大，霧化點(diǎn)和回流區(qū)的氣體流速都會(huì)逐漸增大，而加速區(qū)的氣體流速基本不變。這是因?yàn)殡S著頂角增大，噴嘴出口到霧化點(diǎn)的距離縮短，而噴出氣流的初始速度是相同的，因此霧化氣流相遇時(shí)沿著徑向的速度分量增大。

1.2 下級(jí)霧化器噴嘴直徑對(duì)氣流場(chǎng)的影響

在其他參數(shù)相同時(shí)，設(shè)置下級(jí)霧化器頂角為7°，將下級(jí)霧化器的噴嘴直徑參數(shù)化，驅(qū)動(dòng)整個(gè)下級(jí)霧化器結(jié)構(gòu)變化，使得噴嘴的直徑從2mm開(kāi)始每次增大2mm，直到增大為8mm，分別對(duì)噴嘴直徑不同的下級(jí)霧化器作用下的氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬。以導(dǎo)流管上端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，得到在不同噴嘴直徑下霧化點(diǎn)的位置、加速氣流在較高速度下能夠到達(dá)的極限位置和加速區(qū)的氣體平均流速如表3所示。

從表3中可以看出，在噴嘴直徑較小時(shí)，霧化氣流從噴嘴中噴出后速度減小得很快，因此霧化效果較差，熔滴的冷卻速度較慢，沉積的效率較低。當(dāng)噴嘴直徑增大到一定程度時(shí)，整體的霧化效果較好，冷卻速度較快，沉積效率也較高。繼續(xù)增大噴嘴直徑時(shí)，氣流場(chǎng)氣流強(qiáng)度的變化減緩。

1.3 霧化氣體壓力對(duì)氣流場(chǎng)的影響

通過(guò)改變下級(jí)霧化器的氣體壓力，使得氣體壓力從0.3MPa開(kāi)始每次增大0.6MPa，直到氣體壓力達(dá)到3.3MPa，同時(shí)為了驗(yàn)證壓力較大時(shí)該關(guān)系是否成立，選擇了6MPa進(jìn)行了數(shù)值模擬，將得到的霧化區(qū)壓力寫(xiě)入Excel進(jìn)行擬合，得到的數(shù)據(jù)如表4所示；得到的霧化點(diǎn)氣體流速與下級(jí)霧化器氣體壓力的關(guān)系如圖1所示（本刊黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)咨詢(xún)作者）。

從圖1中可以看出，用直線可以較好地?cái)M合表4的數(shù)據(jù)，因此可以認(rèn)為霧化點(diǎn)的氣體流速與下級(jí)霧化器的氣體壓力呈線性關(guān)系。由伯努利定律可知，隨著氣體壓力的增大，下級(jí)霧化器噴嘴噴出的氣體流速增大，因此霧化點(diǎn)、加速區(qū)和回流區(qū)的氣體流速都會(huì)增大。而當(dāng)前下級(jí)霧化器的頂角較小，氣流的徑向速度較小，霧化氣流的撞擊并不劇烈，因此回流區(qū)的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)不是特別明顯，霧化點(diǎn)的氣體流速變化也較小，只有加速區(qū)的氣體流速明顯增大。

2 仿真模型驗(yàn)證

本文的實(shí)驗(yàn)都是在某公司完成的。該公司主要采用噴射成形技術(shù)生產(chǎn)鋁鋰合金、鋁硅合金等高性能合金。本次實(shí)驗(yàn)在7055鋁合金的生產(chǎn)線上進(jìn)行，該生產(chǎn)線用于生產(chǎn)尺寸較大的錠坯，最大直徑為900mm、高度為2 400mm。

本次實(shí)驗(yàn)噴射的7055鋁合金錠坯直徑為500mm，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表5所示。

噴射成形的最終成形質(zhì)量可以通過(guò)錠坯的形貌及孔隙進(jìn)行判定。形貌狀況可以由直接觀察或簡(jiǎn)單測(cè)量判斷，而孔隙則需要將錠坯切片，通過(guò)切片的孔隙大小和數(shù)量來(lái)判斷。

優(yōu)化前下級(jí)霧化器頂角為7°，噴嘴直徑為4mm，霧化氣體壓力為0.9MPa。采用優(yōu)化前的下級(jí)霧化器參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，制備的錠坯如圖2所示。從圖2中可以看出，錠坯大部分位置的直徑都在501mm左右，制備錠坯的形貌特征較好，與仿真結(jié)果中對(duì)形貌的預(yù)測(cè)情況比較符合。

錠坯的孔隙是影響錠坯力學(xué)性能的主要因素。產(chǎn)生孔隙的機(jī)制主要包括兩種，一種是由于熔滴液相體積分?jǐn)?shù)較高，氣體滯留時(shí)被卷入固相間的空隙中形成的間隙性孔隙，另一種是由于溶解在熔滴中的氣體在凝固過(guò)程中析出形成的析出性孔隙^[6]。微熔滴的體積較小，溶解的氣體也較少，形成的析出性孔隙一般小而密。

將錠坯切片，得到由普通相機(jī)拍攝的切片表面與試樣在金相顯微鏡下的金相組織分別如圖3、圖4所示。

在圖3和圖4中，錠坯的切片表面能夠明顯看到孔隙，這些孔隙較大，屬于間隙性孔隙，這說(shuō)明微熔滴在沉積時(shí)的液相體積分?jǐn)?shù)較高。液相體積分?jǐn)?shù)與微熔滴直徑和速度有關(guān)，而下級(jí)霧化器的氣體壓力較小，微熔滴噴射速度也較小，因此可以判斷微熔滴的直徑較大。

3 霧化效果改進(jìn)

下級(jí)霧化器參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)各個(gè)區(qū)域的影響程度如表6所示。

下級(jí)霧化器的頂角主要影響霧化區(qū)的氣體流速，對(duì)加速區(qū)的氣體流速影響較小。下級(jí)霧化器的直徑對(duì)霧化區(qū)和加速區(qū)都會(huì)產(chǎn)生影響，但對(duì)于整個(gè)氣流場(chǎng)的影響不是特別大。下級(jí)霧化器的氣體壓力主要影響加速區(qū)的氣體流速，對(duì)霧化區(qū)影響一般。

微熔滴的大小能反映霧化的效果，霧化效果較好時(shí)，微熔滴直徑較小，在氣流場(chǎng)中加速快，對(duì)噴射和沉積過(guò)程的影響都較大，因此首先對(duì)霧化效果進(jìn)行分析。

下級(jí)霧化器頂角為15°、氣體壓力為0.9MPa、噴嘴直徑為6mm時(shí)，仿真得到在基底收得的微熔滴直徑分布如圖5所示，微熔滴的溫度分布如圖6所示。

總體來(lái)說(shuō)，在下級(jí)霧化器頂角為15°、噴嘴直徑為6mm、霧化氣體壓力0.9MPa時(shí)，霧化效果較好，但整體微熔滴的固相體積分?jǐn)?shù)過(guò)大，需要在保持霧化效果不會(huì)變差的情況下加快在噴射過(guò)程中的速度。

4 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

由于噴嘴直徑較小時(shí)會(huì)導(dǎo)致霧化不充分，經(jīng)過(guò)研究對(duì)于當(dāng)前鋁合金的質(zhì)量流率，下級(jí)霧化器的噴嘴直徑最小為5mm，所以將下級(jí)霧化器噴嘴直徑減小為5mm，同時(shí)將霧化氣體壓力增大為2.1MPa。優(yōu)化后下級(jí)霧化器頂角為15°，噴嘴直徑為5mm，霧化氣體壓力為2.1MPa，采用優(yōu)化后的下級(jí)霧化器參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，制備的錠坯如圖7所示。

從圖7中可以看出，錠坯大部分位置的直徑都在500mm左右，形貌特征好。

將錠坯切片，得到優(yōu)化后由普通相機(jī)拍攝的切片表面與試樣在金相顯微鏡下的金相組織分別如圖8、圖9所示。

在圖8中，在錠坯的切片表面能夠直接看到的孔隙很少。由圖9可以看出在試樣的金相組織中存在一些小而密的孔隙，這些孔隙屬于析出性孔隙，對(duì)錠坯性能的影響遠(yuǎn)小于間隙性孔隙。這說(shuō)明大部分微熔滴在沉積前的凝固狀態(tài)較為合適，下級(jí)霧化器參數(shù)優(yōu)化后能夠明顯減小錠坯的孔隙，證明對(duì)下級(jí)霧化器參數(shù)的優(yōu)化是有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真得到噴射成形中下級(jí)霧化器參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)的影響規(guī)律并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型預(yù)測(cè)效果，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)霧化效果進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)下級(jí)霧化器參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明基于仿真的優(yōu)化方法能有效地制備出低孔隙率的優(yōu)質(zhì)錠坯。

本文主要針對(duì)的是雙噴嘴噴射成形技術(shù)，對(duì)于是否適用其他多噴嘴噴射成形技術(shù)還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

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收稿日期：2022-12-12