靜電霧化噴射成形裝置設(shè)計(jì)及流場(chǎng)模擬

曲迎東，王 輝，李榮德，白彥華

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110178）

靜電霧化噴射成形裝置設(shè)計(jì)及流場(chǎng)模擬

曲迎東，王 輝，李榮德，白彥華

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110178）

噴射成形是快速凝固技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，近年來(lái)，靜電霧化技術(shù)應(yīng)用到噴射成形過(guò)程中，使該技術(shù)更加完善，而靜電霧化噴射成形裝置是該技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了靜電霧化裝置，并對(duì)噴射成形工藝中靜電作用下氣體流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，靜電作用改善了霧化效果，提高了噴射成形產(chǎn)品的質(zhì)量。

靜電霧化；噴射成形；靜電霧化裝置；模擬

噴射成形（Spray Forming）技術(shù)，也稱為噴射鑄造（Spray casting）技術(shù)，是20世紀(jì)60年代以來(lái)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在傳統(tǒng)快速凝固/粉末冶金（RS/PM）工藝基礎(chǔ)上，發(fā)展起來(lái)的一種全新的先進(jìn)材料制備與成形技術(shù)[1]。噴射成形技術(shù)近年來(lái)獲得極其迅速的發(fā)展，這是由于噴射成形是一種快速凝固技術(shù)，快凝可使金屬的組織細(xì)化并消除宏觀偏析，從而大幅度地提高金屬和合金的性能。液體霧化是利用外界干擾引起的液體表面不穩(wěn)定，導(dǎo)致分裂、細(xì)化而形成霧滴。霧化過(guò)程實(shí)際是氣體-液滴的兩相流動(dòng)問(wèn)題[2]。靜電霧化（electrostatic spray）是電流體力克服液體表面張力，導(dǎo)致液體破碎成細(xì)小霧滴的過(guò)程[3]。液體靜電霧化現(xiàn)象最先由Bose于1745年在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中提出[4]，被廣泛應(yīng)用于靜電噴漆、靜電除塵、液體燃料靜電霧化、金屬均勻液滴束流技術(shù)等方面。靜電霧化技術(shù)具有使液滴細(xì)化、均勻，防止液滴飛濺等特點(diǎn)，能有效地改善霧化的質(zhì)量，提高噴射成形產(chǎn)品的質(zhì)量。近年來(lái)，靜電霧化技術(shù)應(yīng)用到了噴射成形技術(shù)中，而靜電霧化裝置的設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵技術(shù)。所以本文對(duì)靜電霧化噴射成形裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)靜電霧化技術(shù)在噴射成形過(guò)程中的應(yīng)用。

1 靜電霧化噴射成形裝置的整體設(shè)計(jì)

噴射成形技術(shù)最突出的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于，把液態(tài)金屬的霧化和霧化熔滴的沉積自然地結(jié)合起來(lái)，在一步冶金操作中完成。它以最少的工序，直接從液態(tài)金屬制取具有快速凝固組織特征、整體致密、接近零件實(shí)際形狀的高性能材料。通過(guò)改變?nèi)艿紊淞髋c沉積器的相對(duì)位置和沉積器的運(yùn)動(dòng)形式，可以得到盤（柱）、管（環(huán)）、板（帶）等不同形狀的半成品坯件。因而也是一種比較經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)制坯工藝技術(shù)[5]。其中霧化質(zhì)量是影響噴射成形產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)靜電霧化裝置，將靜電場(chǎng)引入到氣體霧化過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)靜電霧化，從而改善霧化的效果。圖1為金屬液霧化裝置的示意圖，圖中所采用的電源為直流電源，電壓范圍在0～300V之間可調(diào)。該實(shí)驗(yàn)裝置是在氣體霧化的基礎(chǔ)上，加入了直流電源，正極通過(guò)金屬棒與金屬液相連，負(fù)極直接與石墨墊片相連，形成一個(gè)電容，對(duì)該區(qū)域的金屬液進(jìn)行荷電，從而對(duì)金屬液進(jìn)行霧化。

2 靜電霧化噴射成形裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 加電裝置充電方式的選擇

在靜電噴霧中，一般通過(guò)三種方式使霧滴帶電，即電暈充電、感應(yīng)充電和接觸充電。本設(shè)計(jì)方案采用感應(yīng)充電為主、接觸充電為輔的充電方式，即電源的一極通過(guò)電極棒與金屬液接觸，使其帶負(fù)電，另一極與石墨墊片接觸，使其帶正電，從而形成一個(gè)電容，對(duì)內(nèi)部的液滴進(jìn)行感應(yīng)荷電。接觸充電的效果比較好，但是絕緣性不好處理。本文主要是采用絕緣陶瓷噴涂在坩堝和霧化器底面，從而形成一個(gè)絕緣層，起到絕緣的目的。

2.2 加電裝置電源的選擇

電源的選擇是加電裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面之一，如圖2為本文選擇的電源的原理圖。該電源裝置主要包括電壓范圍在0～300V的調(diào)壓器、整流橋、電解電容和電容、電流表、電壓表。整流橋的作用是將220V的交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，調(diào)壓器的作用是對(duì)直流電源的電壓范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以便在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到確定的直流電壓值，電解電容和電容的作用是濾波。

由于該設(shè)計(jì)包括氣體霧化和靜電霧化兩個(gè)方面，所以選擇電壓在0～300V的可調(diào)直流電源。在200～300V的電壓作用下，金屬液滴下落過(guò)程中就形成電場(chǎng)，帶有負(fù)電荷的金屬液流受到氣霧化的作用，打散成一系列的小液滴，在通常情況下，小液滴有快速的打散—碰撞—聚合—打散—碰撞—聚合等一系列的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)，霧化后的小液滴全部帶有負(fù)電荷，在電場(chǎng)作用下，由于電荷的表面效應(yīng)，使得傳統(tǒng)的霧化后聚合速度要高于細(xì)化速度的趨勢(shì)得以改變，均勻的電荷僅分布于球體的外表面，獨(dú)特的電場(chǎng)效果，使得各個(gè)金屬液滴之間互相排斥，避免了液滴在下落過(guò)程中的聚合，液滴在下落過(guò)程中以異質(zhì)成核方式成核并凝固[7]。

3 靜電霧化噴射成形裝置的氣體流場(chǎng)模擬

圖 3（a）、（b）兩圖分別為壓強(qiáng)為 1MPa、電壓為0V和壓強(qiáng)為1MPa、電壓為200V時(shí)氣體流場(chǎng)的速度分布圖。由（a）、（b）兩圖可以看出，當(dāng)沒(méi)有加入電場(chǎng)時(shí)，霧化區(qū)域的速度為300m/s；當(dāng)加入200V電壓時(shí)，霧化區(qū)域的速度為700m/s。霧化區(qū)域的速度得到了明顯的提高，而且加電后的速度場(chǎng)更加穩(wěn)定，集中。

圖 4（a）、（b）兩條曲線分別為電壓為 200V、距離噴嘴為15mm和電壓為200V、距離噴嘴為30mm的徑向速度分布曲線圖。從整個(gè)曲線來(lái)看，基本呈現(xiàn)一個(gè)近似于M的形狀。這主要是因?yàn)樵谕ㄈ?MPa氣壓以后，由于氣體的作用，形成一個(gè)較快的速度。從a、b兩圖中對(duì)比可以看出，距離噴嘴越近，速度越快。這主要是噴嘴附近電壓比較大造成的。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了靜電霧化噴射成形裝置的設(shè)計(jì)，并對(duì)加電和不加電的情況下的氣體流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。得到如下結(jié)論：

（1）選取了適用于靜電霧化裝置的充電方式，該充電方式以感應(yīng)充電為主，接觸充電為輔。該充電方式能使金屬液更好的荷電，達(dá)到更好的霧化效果。

（2）設(shè)計(jì)了適用于靜電霧化裝置的可調(diào)電源，該電源主要包括電壓范圍在0～300V的調(diào)壓器、整流橋、電解電容和電容、電流表、電壓表，為靜電霧化設(shè)備提供0～300V的可調(diào)直流電源。

（3）通過(guò)對(duì)氣體流場(chǎng)的模擬可知，加入電場(chǎng)以后，霧化區(qū)域的速度由300m/s提高到了700m/s，軸向的壓強(qiáng)分布更加均勻、集中，有利于減少了液滴的飛濺，有效地改善霧化效果，可提高霧化質(zhì)量。

[1]高娃，孫廷富.噴射成形技術(shù)的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)[J].兵器材料科學(xué)與工程，2002，25（3）:67-69.

[2]王貞濤，聞建龍，陳燕，等.靜電霧化理論及應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展[J].排灌機(jī)械，2004，22（6）：41-44.

[3]吳有金，吳亞雷，許曉慧，等.PZT溶膠液靜電霧化霧場(chǎng)模擬[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36（7）:755-760.

[4]Bose G.M.Philos.Trans.R.Soc.London，1748;45:187.

[5]王軍，嚴(yán)彪，徐政.噴射成形技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[J].上海有色金屬，2002，23（3）：133-138.

[6]金晗輝，王軍鋒，王澤，等.靜電噴霧研究與應(yīng)用綜述[J].江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，25（3）：16-19.

[7]梁榮，黨新安.一種新型的微細(xì)金屬粉末氣霧化噴嘴的設(shè)計(jì)[J].硬質(zhì)合金，2006，23（3）：172-174.

Design of Spray Forming Device of Electrostatic Atomization and Gas flow Field Simulation

QU YingDong，WANG Hui，LI RongDe，BAI YanHua
（Dept.of Material Science and Engineering Shenyang University of Technology，Shenyang 110178，Liaoning China）

Spray forming technology is one of the major development directions of rapid prototyping technology.In recent years，the application of electrostatic atomization in spray forming makes the technology more perfect.Spray forming device of electrostatic atomization is a key technology of spray forming technology.One has been designed and electrostatic interaction on gas flow field in spray forming been simulated resulting in that the effect of atomization improved by electrostatic interaction hence the quality of atomization increased.

Electrostatic Atomization；Spray Forming；Device of electrostatic atomization；Simulation

TG249.9;

A；

1006－9658（2010）02－3

國(guó)家自然科學(xué)基金（50605045），遼寧省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2007T131），沈陽(yáng)市科技項(xiàng)目（1081229-1-00）

2009－10－22

2009－139

曲迎東（1975－），男，副教授，博士，主要從事計(jì)算機(jī)視覺(jué)、智能控制等方面的研究