高频感应热等离子体环境下溶液液滴及中空壳状颗粒的蒸发机理研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 22 4 19.95MB 77 页 15积分

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摘要

对于溶液注入热等离子体喷涂(Solution Precursor Plasma Spray, SPPS)进行改

进，利用高频感应热等离子炬来替代直流热等离子炬，将溶有涂层材料的前驱体

溶液替代材料粉末，且以喷雾液滴的形式，由内气携带，轴向地射入热等离子体

环境。溶液液滴在热等离子体中运动吸热，使得液滴温度升高，溶剂蒸发。随着液

滴溶质浓度的增大，到达临界过饱和浓度时，溶质析出，形成实心固体或中空壳

状等各种不同形态的颗粒。而中空壳状颗粒包裹溶液继续在热等离子体环境中运

动，环境热量通过固体壳层传递入颗粒内部，颗粒内部溶液受热蒸发，产生蒸汽

使得内部压力增大，导致颗粒破裂，影响最终到达基板时的形态。因此溶液液滴

的整个运动蒸发历程，对涂层的最终结构有着重要的影响。

本文首先对于高频感应热等离子体射流的温度场和速度场建立相应的模型，

分别考虑了输入功率、激励电流频率及工作气体流量对整个射流场的温度、速度分

布变化的影响，通过研究分析，选取能为后续数值模拟研究所采用的模型数据。

然后，建立单个液滴在高频感应热等离子体射流场中的运动蒸发模型。在基

于忽略了液滴内部温度梯度的情况下，通过数值计算的方法，模拟了液滴在高频

热等离子体射流中的传热和运动过程，考虑随着温度和组份变化的液滴表面气态

混合物、斯蒂芬流对薄膜理论的修正影响，分析研究了不同操作参数对液滴运动

蒸发过程的变化趋势的影响。

在此基础上，建立了单个液滴及中空壳状颗粒内部的热物理模型，包括液滴

及颗粒内溶液部分的球形环流模型，传热、传质模型及颗粒内压力模型，应用初

级均相成核假设和溶质平衡浓度，确定颗粒固体壳层成形情况，并考察环流对液

滴及颗粒内部传热传质的影响，分析比较在不同入射参数的情况下，液滴及颗粒

内部的温度场、浓度场和颗粒内压力的不同变化情况。

本文研究所获得的结果，不仅加深了对溶液液滴在高频感应热等离子体中运

动蒸发过程的认识，而且还有助于揭示热等离子体喷涂在制备纳米结构涂层中操

作参数的重要性，最终充实热等离子体条件下溶液液滴蒸发机理方面的研究理论。

本课题受到国家自然科学基金 (项目编号：50706027)、上海市教育委员会科

研创新基金(项目编号：09YZ206)、上海市重点学科建设项目 (项目编号：J50501)

和教育部留学回国人员科研启动基金的资助。

关键词: 溶液注入等离子喷涂高频感应热等离子炬液滴蒸发环流

破裂数值模拟

ABSTRACT

Use the RF plasma torch taking the place of the DC plasma torch to Improving the

Solution Precursor Plasma Spray (SPPS). In this process, the atomized precursor salt

solution droplets with the ceramic coatings are axially injected into the plasma

environment with carrier gas. The droplets are motioned and rapidly heated up and

result in the temperature of droplets increasing and the solvent evaporated. With the

solute concentration increasing and reaching the critical super-saturation (CSS), the

solute separated out which results in the formation of hollow shell or solid particles. The

process of the hollow shell particles containing the solution moving continuative in the

plasma spraying, the internal solution of particles heated up and evaporated results in

the vapor produced and internal pressure increasing and finally the particles ruptured.

Thus, the whole movement and evaporation process of the droplets has important effect

to the final substrate of the coating.

First of all, a model is established to simulate the temperature and velocity field of

RF-ICPS. The influence of input power and current frequency and gas flow are

considered. By analyzing, we take the data which the follow-up simulation model can

use.

And then, a movement and evaporation model is developed to simulate the

behavior of an individual precursor droplet in RF-ICPS plasma environment. It

simulates the motion and heat transfer of droplet in RF-ICPS field based on neglecting

the internal temperature gradient by numerical simulation. The variable physical

properties of solution and the influence of Stefan flow to the film modified theory are

considered. The influence of the different operation parameters to the evaporation and

motion of droplet are predicted.

At last, a thermal physics model is developed to analyze the behavior of an

individual droplet and hollow shell particle which contains the internal circulation

model, mass and heat transfer model and internal pressure of particle model. With

employing the simple homogeneous nucleation hypothesis and equilibrium saturation of

solute, the microcosmic morphologies of the particles are confirmed. The influence of

the Hill’s spherical vortex to the mass and heat transfer of the internal solution are

considered. The variation of the temperature and concentration distribution and pressure

are presented by the different injection parameters compared.

A better comprehending of the process of precursor salt solution injection into RF-

ICPS plasma and the mechanism of droplet evaporation can be enriched finally by this

study.

The financial support of the National Natural Science Foundation of China (Project

50706027), the Scientific Innovation Foundation of Shanghai Education Commission

(Project 09YZ206), the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas

Chinese Scholars, and Shanghai Leading Academic Discipline Project (Project J50501)

is gratefully acknowledged.

Key Word: Solution Precursor Plasma Spray, Radio Frequency

Inductively Coupled Plasma Torch, droplet, evaporation, circulation,

fracture pressure, numerical simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

1.1 课题的研究背景及意义 ..........................................

1.2 课题的研究现状及发展 ..........................................

1.3 课题的研究内容 ................................................

第二章热等离子体射流场的数值模拟 ...................................

2.1 物理问题及数学模型 ............................................

2.1.1 等离子炬模型 ..............................................

2.2 计算结果及分析 ...............................................

2.2.1 输入功率对等离子炬内温度速度场的影响 .....................

2.2.2 激励电流频率对等离子炬内温度速度场的影响 .................

2.2.3 工作气体流量对等离子炬内温度速度场的影响 .................

2.3 本章小结 .....................................................

第三章液滴在热等离子体射流场中的运动和蒸发 ........................

3.1 物理问题及数学模型 ...........................................

3.1.1 液滴运动蒸发模型 .........................................

3.2 液滴表面混合物的物性计算 .....................................

3.3 计算结果及分析 ...............................................

3.3.1 计算参数选取 .............................................

3.3.2 初始入射尺寸对液滴蒸发过程的影响 .........................

3.3.3 初始入射速度对液滴蒸发过程的影响 .........................

3.3.4 初始入射浓度对液滴蒸发过程的影响 .........................

3.3.5 初始入射角度对液滴蒸发过程的影响 .........................

3.4 本章小结 .....................................................

第四章液滴及壳状颗粒内部传热传质的研究 ............................

4.1 物理问题及数学模型 ...........................................

4.1.1 液滴及颗粒内溶液部分的环流模型 ...........................

4.1.2 热量模型 .................................................

4.1.2.1 颗粒固体壳层的热量模型 ...............................

4.1.2.2 液滴及颗粒内溶液部分的热量模型 .......................

4.1.3 液滴及颗粒内溶液部分的组份扩散模型 .......................

4.1.4 颗粒内部的压力模型 .......................................

4.2 计算结果与分析 ...............................................

4.2.1 计算参数的选取 ...........................................

4.2.2 不同入射尺寸对液滴及颗粒内的传热传质及压力影响 ...........

4.2.2.1 不同入射尺寸下液滴内的传热传质 .......................

4.2.2.2 不同入射尺寸下颗粒内的传热传质及压力变化 .............

4.2.3 不同入射速度下对液滴及颗粒内的传热传质及压力影响 .........

4.2.3.1 不同入射速度下液滴内的传热传质 .......................

4.2.3.2 不同入射速度下颗粒内的传热传质及压力变化 .............

4.3 本章小结 .....................................................

第五章结论 .......................................................

主要符号表 .........................................................

参考文献 ...........................................................

第一章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

随着近年航空航天、原子能以及电力、化工机械等各个领域的工程技术对其工

件的使用寿命的要求逐渐提高，使得主要用于对缺损部件的修复、制备功能涂层

以及强化部件表面性能的热喷涂技术[1]，越来越受到研究人员的重视。热喷涂技术

制备的纳米结构涂层性能优异，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电

绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能，具有良好的应用前景[2]。其中，热等离子

喷涂技术是热喷涂技术中最重要的组成部分之一。

热等离子喷涂是将被喷涂的材料（非金属或金属粉末），送入能量集中的等

离子体中加热成熔融或半熔融状态，然后其以熔融雾状细粒状态冲击并在基体上

凝固，最终形成一种层叠堆积式结构涂层的技术。由于热等离子喷涂的中心火焰

温度可高达 15000K 以上，并呈高速射流喷出，因此几乎可以熔化绝大多数金属、

陶瓷及金属陶瓷材料，并可对射入的粉末迅速加热加速，使其形成致密的涂层

[3~5]。由于形成涂层的孔隙率低，结合度高，表面性能好，热等离子喷涂得到了广

泛的应用和发展[6]。

在传统的送粉热等离子喷涂技术中，由于纳米结构粉体质量轻、比表面积大，

颗粒细小难以集中形成束流，而热等离子体喷涂的温度均达到上千甚至上万度，

在喷涂过程中材料粉末的烧损、气化的现象严重，会影响所制备涂层的均匀性和

致密性[7]。

针对以上问题，溶液注入热等离子喷涂(Solution precursor Plasma Spray, SPPS)

对传统送粉热等离子喷涂技术进行改进[8]。其工作原理是，将选用的固体材料，按

照化学计量配比成盐溶液的前驱体溶液，经过雾化喷口，以喷雾形式射入热等离

子体环境。液滴在热等离子体中受热蒸发，溶质结晶形成颗粒，最终在基板表面

形成纳米结构涂层。其中前驱体溶液具有化学组份可控性及材料选用的灵活性等

优势[9]，能从一定程度上避免传统喷涂技术中纳米尺寸颗粒的制备过程[8, 10, 11]。

目前，溶液注入等离子喷涂技术中较多使用直流(DC)热等离子炬做为等离子

体的发生器。直流热等离子炬是靠正负极电位差产生电弧使气体电离而产生等离

子体，虽然采取特殊结构和措施后温度可达到 3-5WK，具有装置简单，功率大，

价格便宜，能量转化效率高等优点，但其使用寿命却受到电极腐蚀和烧损的限制

[3]。图1-1 所示为利用直流热等离子炬的溶液注入等离子喷涂示意图[12]。

高频感应热等离子体环境下溶液液滴及中空壳状颗粒的蒸发机理研究

图1-1 所示为利用直流热等离子炬的 SPPS 喷涂过程

而高频(RF)感应热等离子炬是利用高频电磁场的感应作用对各种气体进行加

热，产生等离子体。虽然高频感应热等离子炬热效率较低，仅为 50%，总能量利

用效率也由于射频发生器、线圈和负载耦合的存在，比直流热等离子炬低，但由

于具有无电极消耗，环保无污染，等离子炬使用寿命长，温度均匀，不受气体限

制等优点[3]，使得高频感应热等离子炬能替代直流热等离子炬，成为溶液注入热

等离子喷涂的主要发生部件。

图1-2 利用高频感应热等离子炬的SPPS喷涂过程

图1-2为利用高频感应热等离子炬的溶液注入等离子喷涂过程示意图[13]。高频

感应热等离子炬是由内气（用于携带溶液液滴进入加热环境）、中气（主要喷射

等离子气体）以及管壁面处的边气（起到保护壁面不被高温烧损的作用）三股工

作气体及感应线圈组成。其工作原理是：将溶有喷涂材料的前驱体溶液，由具有

一定速度的内气轴向地携带进入热等离子体环境，溶液液滴经历一系列的物理化

学过程，最终在基板上沉积，形成纳米涂层。

图1-3为分别利用DC与RF热等离子炬的喷涂技术所制备的热障涂层微观结构

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摘要：

摘要对于溶液注入热等离子体喷涂(SolutionPrecursorPlasmaSpray,SPPS)进行改进，利用高频感应热等离子炬来替代直流热等离子炬，将溶有涂层材料的前驱体溶液替代材料粉末，且以喷雾液滴的形式，由内气携带，轴向地射入热等离子体环境。溶液液滴在热等离子体中运动吸热，使得液滴温度升高，溶剂蒸发。随着液滴溶质浓度的增大，到达临界过饱和浓度时，溶质析出，形成实心固体或中空壳状等各种不同形态的颗粒。而中空壳状颗粒包裹溶液继续在热等离子体环境中运动，环境热量通过固体壳层传递入颗粒内部，颗粒内部溶液受热蒸发，产生蒸汽使得内部压力增大，导致颗粒破裂，影响最终到达基板时的形态。因此溶液液滴的...

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