隨著(zhù)金屬注射成型、 金屬 3D 打印、 粉末冶金等增材制造技術(shù)的發(fā)展和應用， 高質(zhì)量粉末的需求量越來(lái)越大。用氣霧化方法制備金屬粉末是目前使用最廣泛的手段之一， 采用氣霧化法制備的金屬粉末具有球形度好、 粒徑較小、 粒徑分布較集中、 方便控制等優(yōu)點(diǎn)。氣霧化制粉的基本原理是：熔融的金屬液通過(guò)導管落下后受到高速氣流的沖擊作用， 熔體表面出現擾動(dòng)， 繼而發(fā)展為波狀并破碎， 形成條帶， 隨后條帶再次受到氣體的作用， 發(fā)生二次破碎形成細小的液滴， 由于表面張力， 液滴保持球形， 凝固形成粉末。氣霧化法首次使用至今已有 90 余年， 但人們對于霧化過(guò)程中的破碎機理尚不十分明確， 其主要原因是氣霧化過(guò)程的流場(chǎng)速度快、 溫度高、 氣相與液相相互耦合， 且缺乏有效的觀(guān)測手段， 導致研究起來(lái)相對復雜、 困難。目前多常采用計算機模擬的方法研究氣霧化過(guò)程中與流場(chǎng)相關(guān)的問(wèn)題。計算機可以模擬計算出流場(chǎng)中的速度場(chǎng)、 溫度場(chǎng)、粒度分布等信息， 對流場(chǎng)分析和工藝參數優(yōu)化具有指導意義。近年來(lái)， 一些光學(xué)測量手段的發(fā)展、 應用， 為氣霧化過(guò)程中流場(chǎng)的測量提供了可能。高速攝影、 粒子成像技術(shù)、 相位多普勒粒子分析儀 (PDPA) 等手段可以測量高速狀態(tài)下的流場(chǎng)數據， 使得直接測量氣霧化過(guò)程中的流場(chǎng)得以實(shí)現。顧小民等較早采用高速攝影的方法拍攝了氣霧化和水霧化的過(guò)程， 分析了霧化過(guò)程中的不同階段?？禒N等使用 PDPA 方法研究了一種扇形水射流的流場(chǎng)， 其流場(chǎng)具有與霧化流場(chǎng)相似的多相耦合、 速度快等特點(diǎn)。王偉東等曾使用一套 PIV 測量系統研究了一個(gè)超聲速自由射流的流場(chǎng)， 得到了詳細的流場(chǎng)速度場(chǎng)數據。劉靜等用紋影法研究了一個(gè)在超聲速氣流中的橫向射流霧化流場(chǎng)， 并對流場(chǎng)進(jìn)行了定性分析。這些方法對于霧化流場(chǎng)的研究能起到很大的幫助作用。A.M.Mullis曾利用高速攝影的手段研究了噴嘴的幾何形狀對金屬熔體的影響， 找到了一種較好的噴嘴形狀。Stevano Wahono 等曾利用高速攝影的方法研究了一種特殊結構的霧化噴嘴的霧化過(guò)程， 分析了液流的振動(dòng)情況及其影響因素。近年來(lái)的研究常用 ANSYS Fluent 流體動(dòng)力學(xué)軟件對霧化噴嘴的流場(chǎng)結構進(jìn)行計算模擬， 通過(guò)求解控制方程和湍流模型來(lái)獲得霧化流場(chǎng)的結構等信息。Aydin 和 Unal 等人利用計算機模擬研究了氣霧化壓力和噴嘴幾何形狀對氣體出口速度的影響，發(fā)現氣體速度與壓力之間并非正比例關(guān)系， 相同壓力差下氣體速度的增幅并不相同。在 2.7 MPa的氣體壓力下， 氣體速度最大值為663m/s， 氣壓1.0MPa 得到氣體速度最小值為 631 m/s。合理的幾何形狀可以在相同的氣體質(zhì)量流量比下得到最大的氣體速度， 從而提高霧化效率。由此， Fluent 軟件經(jīng)常用來(lái)指導新型霧化噴嘴的結構設計， 以節約成本， 縮短研發(fā)周期。目前國內外的研究較多只注重計算機模擬或實(shí)驗， 而未把兩者有效地結合。故本文在以獲得一些計算機模擬結果的前提下， 用常溫液體代替高溫金屬熔體， 在常溫條件下模擬實(shí)際氣霧化過(guò)程， 并采用一些流場(chǎng)測量技術(shù)研究氣霧化過(guò)程中的流場(chǎng)情況， 比如破碎過(guò)程、液滴分布等。這樣可以比較直觀(guān)地觀(guān)測氣霧化過(guò)程中的流場(chǎng)且可以對計算機模擬的結果加以驗證。
使用 Fluent 軟件， 載入霧化噴嘴的模型并劃分網(wǎng)格， 設置能量方程、 金屬溶體的各項參數、霧化氣體的相關(guān)參數、 霧化氣氛、 邊界條件和計算步長(cháng)等參數后， 進(jìn)行計算。計算結果可以顯示霧化過(guò)程中的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等。
本文設計了一種結構簡(jiǎn)單的霧化噴嘴， 噴嘴輪廓采用典型的拉瓦爾曲線(xiàn)， 可以在氣體壓力較低的情況下獲得超音速氣流。通過(guò)計算模擬 ，調節至最佳的結構參數， 采用有機玻璃作為主體材料， 考慮到經(jīng)濟性和加工方便， 采用環(huán)縫型的拉瓦爾噴嘴， 噴嘴的結構如圖 1 所示。采用水代替金屬熔體， 氮氣作為霧化氣體， 在常溫條件下模擬真實(shí)情況下的氣霧化過(guò)程。通過(guò) Fluent 軟件的計算模擬， 可以得到最佳結構參數下， 霧化過(guò)程中流場(chǎng)、 溫度場(chǎng)等的分布情況，如圖2 所示。通過(guò)模擬實(shí)驗的方法， 可以驗證模擬結果的合理性。
圖 1 霧化器剖面圖
圖 2 Fluent 計算模擬的霧化流場(chǎng)結果（速度場(chǎng)）
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，霧化噴嘴結構確定之后，可控制的變量一般包括金屬熔體的過(guò)熱度、霧化氣體壓力和溫度、霧化氣體的種類(lèi)等參數。在本文中，出于簡(jiǎn)化和貼近實(shí)際生產(chǎn)的原則，將液體流量和溫度固定，流量采用 60L/h，溫度采用20℃，氣體壓力通過(guò)減壓閥控制， 根據計算機模擬的結果，如圖 3 所示，在其他條件不變的情況下，僅改變霧化壓力的大小，在 1.7MPa、2.2MPa和 2.7MPa 三個(gè)不同的壓力下制得的粉末平均粒徑更小且粒徑分布較窄；故設置實(shí)驗壓力為 1.7MPa、2.2MPa 和 2.7MPa。同時(shí)， 在壓力為 2.2MPa 時(shí)，添加一組液體流量為 120L/h 的實(shí)驗， 對比分析液體流量對霧化過(guò)程的影響。
Lubanska研究了一種低熔點(diǎn)鐵合金的霧化工藝參數與粉末粒度之間的關(guān)系后總結出一個(gè)經(jīng)驗公式：
圖 3 不同霧化壓力下粉末的粒徑分布和標準差分布
其中，dm 為粉末平均粒度，kd 為常數，一般為 40-50，d0 導流管直徑，Jm 為液態(tài)金屬流量，Jg為氣體流量，μm 和μg 分別為液態(tài)金屬和氣體的動(dòng)力黏性系數，Vgi 為霧化氣流場(chǎng)的初始流速，σm 為液態(tài)金屬表面張力，ρm和ρg分別為液態(tài)金屬的流體密度和氣體的密度。
由公式可以看出，在霧化器結構和工藝參數確定地情況下，粉末的粒度只與金屬熔體的動(dòng)力黏性系數 μm、金屬熔體的表面張力σm 以及金屬熔體的密度 ρm 有關(guān)。
由于金屬熔體和常溫下水的性質(zhì)比較接近，采用水在常溫下模擬氣霧化過(guò)程中的流場(chǎng)，能在一定程度上反應真實(shí)流場(chǎng)的情況。在之前的一些研究中，也有用水代替金屬熔體的模擬實(shí)驗。I. N.McCarthy 在研究中添加了一組用水代替金屬熔體的實(shí)驗，作為普通實(shí)驗的對照和補充， 在兩組實(shí)驗中觀(guān)察到了相同的流體不規則脈動(dòng)， 兩者可能具有相同的破碎機理。
本文以一種激光熔覆涂層用 FeNiCrSiMoMnC合金為對象， 采用水代替該種金屬熔體后進(jìn)行模擬實(shí)驗勢必會(huì )產(chǎn)生一定的誤差。與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相比， 計算機模擬和實(shí)驗模擬都有一定的差別。在計算機模擬中， 主要過(guò)程為：(1) 建立物理模型，劃分網(wǎng)格；(2) 選擇合適的湍流模型， 設置邊界條件；(3) 選擇合適的求解器， 計算結果并分析。誤差主要出現在湍流模型和計算求解的過(guò)程中， 通過(guò)設置合理的模型和步長(cháng)， 可以提高計算的精度，使結果更貼近實(shí)際。
高速攝影拍攝的結果可保存為視頻文件，利用 Adobe Premiere Pro 軟件，可將視頻中每一幀圖像提取出來(lái)，選擇其中典型的霧化圖像可以對霧化過(guò)程進(jìn)行分析。以氣體壓力為1.7MPa， 液體流量為 60L/h 為例， 提取出一系列圖片， 如圖 4所示。
(1) 使用水代替金屬熔體， 根據霧化破碎相關(guān)理論， 水的液滴粒徑將小于金屬熔體的液滴， 且水的液滴在霧化流場(chǎng)中的飛行中， 其加速度也與金屬熔體的液滴不同， 但兩者的破碎機理是相似的。
(2) 實(shí)際生產(chǎn)中， 霧化過(guò)程是在一個(gè)限制體積，且霧化區域的氣氛與霧化氣體相同的環(huán)境中。模擬實(shí)驗是在開(kāi)放的環(huán)境下， 且霧化區域的氣氛是空氣。這可能會(huì )導致氣流場(chǎng)的速度和方向產(chǎn)生一定的差別。
(3) 實(shí)際生產(chǎn)中的金屬熔體是塊體材料熔煉后， 從坩堝中自由落下， 由于坩堝中液體液面高度降低， 液體流量并不是定值， 本實(shí)驗采用其平均流量并加以控制， 模擬霧化過(guò)程中比較穩定的階段。
(4) 由于霧化過(guò)程在一封閉環(huán)境中，霧化后的氣體通過(guò)容器底部反彈，會(huì )對霧化流場(chǎng)產(chǎn)生影響。噴嘴與底面距離不同，其影響不同。但本實(shí)驗主要關(guān)注距離噴嘴較近距離內的霧化情況，故將此差別忽略不計。
在霧化氣體壓力達到預定值并穩定后， 形成的霧化流場(chǎng)也會(huì )變得穩定， 液體破碎的機理和程度都不隨時(shí)間改變。如圖 5 所示， 為不同霧化氣體壓力下， 霧化流場(chǎng)穩定后的圖像。圖 5 中的 (a)、(b)、 (c) 分別為霧化氣體壓力為 1.7MPa、 2.2MPa、2.7MPa 時(shí)的霧化流場(chǎng)圖像。
圖 4 1.7MPa 霧化圖像：(a) t=0ms; (b) t=273ms;
(c) t=373ms; (d) t=473ms
圖 5 不同壓力時(shí)的霧化流場(chǎng)圖像：(a) P=1.7MPa; (b) P=2.2MPa; (c) P=2.7MPa
通過(guò)分析不同霧化氣體壓力下流場(chǎng)圖像， 穩定的霧化流場(chǎng)大致為兩個(gè)錐形相接的形狀；在導液管出口下方都存在一塊收束區域， 收束區之下，流場(chǎng)繼續擴大變得分散；在最接近導液管出口處，液滴存在的區域直徑大于導液管的直徑；隨著(zhù)霧化氣體壓力增大， 流場(chǎng)的膨脹程度減小， 壓力增大到一定程度后， 膨脹程度幾乎不變。
對比計算機模擬結果， 可以很好得解釋上述現象的產(chǎn)生。圖 6 是計算機模擬的流場(chǎng)回流區速度矢量圖。在導流管出口附近存在一個(gè)錐形的回流區， 其中氣體的速度方向與整體的氣體速度方向相反， 且速度最大處高達 250m/s， 在實(shí)際生產(chǎn)中可能產(chǎn)生負壓， 導致反冒現象。由于回流區的存在， 部分液滴也會(huì )在回流區運動(dòng)， 使液滴存在的區域直徑大于導液管的直徑。在回流區尖端存在一個(gè)滯點(diǎn)， 該點(diǎn)霧化氣體的速度為零。降低回流區的氣體壓力將有利于生產(chǎn)過(guò)程中液體順利流下。經(jīng)過(guò)滯點(diǎn)后， 高速氣流相互碰撞、 反彈，流場(chǎng)逐漸擴大， 又形成與回流區相反的錐形結構，與模擬實(shí)驗的結果一致。
圖 6 回流區速度矢量圖
圖 7 不同液體流量時(shí)的霧化流場(chǎng)圖像：(a) Q=60L/h; (b)Q=120L/h
圖 8 不同 GMR 條件下液滴的平均粒度分布和標準差分布
本文通過(guò)模擬實(shí)驗的方法， 獲得了與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程類(lèi)似的氣霧化流場(chǎng)， 使用高速攝影拍攝了流場(chǎng)的典型圖像， 分析可得到以下結論：