[发明专利]一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法

说明书

本发明涉及一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，首先确定喉部直径，然后确定出口直径，采用建模软件建立喷嘴初始尺寸模型及尺寸修改优化后的简化模型，对原始出口直径D_e和扩张段长度L_d进行优化。本发明基于材料条件及气体条件，通过分析材料及气体特点选择初始尺寸，之后通过CFD计算得到优化尺寸，可实现冷喷嘴的快速优化设计，同时针对不同喷涂材料及工艺条件完成各类喷嘴的专用设计。

技术领域

本发明属于冷喷涂技术领域，具体涉及一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法。

背景技术

冷喷涂过程中，金属颗粒被超音速气流加速，以较高的速度(300-1000m/s)和远低于金属材料熔点的温度撞击基体发生剧烈塑性变形而形成涂层。该过程中，金属颗粒只有达到临界速度才能在基体上沉积形成涂层。冷喷涂系统中，喷枪是核心装置，而喷嘴又是喷枪的核心部件，主要用来实现气体由亚声速加速到超声速，同时为颗粒提供加速通道。因此，合理的喷嘴结构是保证颗粒加速效果、涂层质量和喷涂过程稳定性的关键因素。

目前冷喷涂喷嘴广泛采用收缩-扩张结构的Laval喷嘴，该喷嘴通常有锥形和钟形两种形式，其中钟形喷管需要采用空气动力学特征线原理设计，设计较为复杂。另外，喷嘴截面可采用圆形、矩形和椭圆形等三种形状，其中圆形截面喷嘴可以使气体和金属颗粒加速平稳，同时易于加工，考虑设计方法及加工因素多采用锥形形式和圆形形状。

喷嘴设计方法通常采用一维等熵定常流动的基本解析给出大体的经验设计尺寸，同时借鉴火箭发动喷管设计思路得到喷嘴最终尺寸，但是冷喷涂喷嘴设计目标是优化最大粒子速度，发动机喷管设计目标是优化最大推力，设计目标的差异性使该方法得到的喷嘴结构并不合理，使粒子加速效果较差。

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法可以实现冷喷涂过程中气固两相流加速行为的精确模拟，因此结合CFD方法对喷嘴进行结构设计成为可靠的喷嘴设计手段。结合CFD设计出的喷嘴可以完成喷涂工作，但是该方法同样缺少冷喷嘴的相关设计原则，需反复更改喷嘴各部分尺寸，优化过程需要较长时间的建模以及计算，因此采用该方法设计出的冷喷嘴缺乏材料专用性，同时设计时间长。

因此，开发出一种有效、便捷的冷喷涂喷嘴设计方法将非常有工程意义。不仅可以缩短喷嘴的设计周期，还可以得到对喷涂材料具有专用性设计的喷嘴从而提高喷涂质量。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，通过对喷嘴尺寸影响因素(气体种类、压力、粉末种类等)的分析快速设计出最优化的喷嘴。

技术方案

一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，其特征在于：冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，包括收缩段和扩张段，喷嘴尺寸包括：入口直径D_i、收缩段长度L_u、喉部直径D_t、扩张段长度L_d和出口直径D_e，设计步骤如下：

步骤1、原始尺寸：

首先确定喉部直径：依据气体种类限定气体质量流量后通过如下公式确定喷嘴喉部直径D_t：

其中：q_m为气流质量流量，γ为气体的比热比，P_i为气体压力，T_i为气体温度，R为理想气体常数；

出口直径为：

其中：为扩张比，L_d为扩张段长度，根据预设压力和粉末选择；