[發明專利]一種內送粉等離子噴涂噴槍及其設計方法

無效

• 申請號: 201310743225.1
• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN103745051A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 魏正英;胡福勝;譚超;杜軍;韓志海
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及噴槍及其設計方法，具體為一種內送粉等離子噴涂噴槍及其設計方法。

背景技術

等離子噴涂是通過高溫壓縮電弧時產生電離而形成電中性的等離子弧，等離子弧的能量集中且溫度很高，其焰流溫度在萬度以上，可以將所有固態工程材料熔化，將金屬或非金屬等粉末粒子材料加熱至熔化或半熔化狀態，并將其加速到一定的速度，然后撞擊至基底上形成涂層。這一方法得到的涂層質量致密和粘接強度高，而且噴涂的效率高。但在理論上，許多等離子噴涂的基本機理仍然不是很清楚；這包括等離子工作氣體的狀態特性，包括溫度和速度等，另外等離子工作氣體與電極固體的相互作用也不清楚。

因此在相應的設備研制上，很多都是靠傳統經驗，而沒有完善的理論基礎和設計前的模擬預測。這種方法費時費力，無法保證設計的設備的性能和質量，只有設計完成后對設備進行工藝實驗，然后再根據實際實驗的結果來優化設計噴槍。這種設計方法的盲目性比較大，而且成本高，耗時長，不能精確對所需求的噴槍結構完成既定目標的一次實現，多次的經驗設計對后續噴槍的設計也缺乏實際的指導意義。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于多物理場計算，利用數值計算分析方法進行設計，能夠從原理上指導噴槍的設計，人力和時間成本低的內送粉等離子噴涂噴槍設計方法。

為達到上述目的，本發明一種內送粉等離子噴涂噴槍設計方法，其特征在于，包括如下步驟，

第一步，建立幾何模型；

根據等離子噴槍的設計要求初步確定內送粉等離子噴槍的結構參數，利用計算機輔助設計軟件建立內送粉噴槍的三維結構的幾何模型；幾何模型包括電極和流道，電極包括陰極固體和陽極固體，流道包括主氣流道、冷卻水流道和內送粉流道；

第二步，設置幾何模型的初始條件；

將建立的幾何模型通過網格劃分為不同的計算域，并根據實際工作參數設置幾何模型的初始條件，初始條件包括計算條件和邊界條件；

第三步，對模型結構和多物理場分布分別進行數值計算分析；

對模型結構的數值計算分析是，根據工作氣體的電離狀態和流動狀態，計算分析幾何模型對氣體流動的影響；

對多物理場的數值計算分析是，在三維結構的幾何模型下，能夠得到內部多物理場分布，根據其對工作氣體運動的影響，從而得出高溫區的分布和運動產生的影響，進而分別計算分析得出其對陰極固體壽命的影響；多物理場分布包括電場的分布和磁場的分布以及電流密度的分布；

第四步，優化修改幾何模型的結構和初始條件；

在前一步驟中所述噴槍結構的基礎上，結合前一步驟中對模型結構和多物理場分布的數值計算分析結果，分別對影響內部高溫區工作電離氣體運動的結構和條件進行優化修改；

第五步，再次進行數值計算分析；

在優化修改后的結構模型和初始條件的基礎上，再一次對模型結構和多物理場分布分別進行如第三步中所述的數值計算分析；

第六步，完成設計；

再次進行數值計算分析后，根據其與實際應用和設計要求的對比，符合設計要求的，完成噴槍設計；不符合設計要求的，重復第四步到第五步，直到得出符合設計要求的結構后，完成噴槍設計。

優選的，所述的三維結構根據內部電弧運用的不確定性采用三維非對稱結構。

優選的，所述的計算域包括氣體計算域、陰極固體計算域、陽極固體計算域和外部環境計算域。

優選的，所述的對模型結構的數值計算分析包括，根據雙溫計算模型分別對工作電離氣體與電極表面和冷氣流的交界面的溫度變化進行計算分析；根據Arrhenius和Cross-section定律計算內部電離反應速率，分析氣體電離度，得到氣體的組分；根據Sutherland定律對工作氣體的粘度進行計算分析。

優選的，所述的計算條件包括陰極固體和陽極固體的材料及參數，設置在陰極固體尖點處的偏置電壓，陽極固體的電勢為零，以及在初始氣體中電離氣體的含量。

優選的，所述的陰極固體和陽極固體材料分別為鎢和紫銅，其中鎢的密度為19254kg/m³，銅的密度為8930kg/m³，電阻率分別為53nΩ/m和16.73nΩ/m，熱導率分別為190W/(m·K)和198W/(m·K)。

優選的，所述的邊界條件包括設置在遠離陰極固體尖點的端面處的電流邊界。