摘要针对镁合金表面防腐、耐磨的需要，利用冷喷涂技术在镁合金表面制备了耐磨和防腐涂层。
为了提高冷喷涂效率，本文根据流体力学和空气动力学的相关理论对超音速喷枪进行优化设计。
应用FLUENT软件对拉瓦尔喷枪内的气固两相流动过程进行数值模拟，并对喷枪内气相和固相颗粒的速度、温度和压强分布进行分析，跟据模拟结果改进喷枪结构，使强化材料流出速度达到最佳。
冷喷涂技术的关键是通过拉瓦尔喷枪加速气流提高粉末的喷出速度，实现在基体表面的沉积。
气体进口参数对出口气流速度有一定影响。
在相同的喷枪结构下，进口速度的变化对出口速度的影响较小，尤其是进口速度低于50m/s 时，其变化基本上不会使出口速度有大的改变。
并且让进口气流压强有大的提高不易实现。
提高出口速度的方式是以提高进口气体温度为主，适当提高进口压强。
通过对模拟数据的分析，适当延长喷枪渐扩段的长度既可以降低出口温度，又可以提高出口速度。
为了对喷枪内气体流动过程有更深入的分析，应用重整化群(RNG)k–ε模型对喷枪内流动过程进行数值模拟，对喷枪流道形状的变化，采用不均匀网格划分计算区域，并用二阶差分格式离散通用微分方程的对流相；然后用SIMPLE算法来求解气体的运动。
跟据上述原理应用FLUENT软件对喷枪内的压强、温度、速度的分布做分析后，设计出最优的喷枪结构为：入口直径D1=15.2mm，出口直径D2=14mm，喉部半径R cr=3.5mm；渐缩角α=30°，长度L1=20.9mm；渐扩角β=10°，渐扩段长度L2=55mm；总长L=75.9mm。
然后，对优化设计的喷枪进行数值模拟，得出最后的结果。
关键词：镁合金；拉瓦尔喷枪；(RNG)k–ε模型；SIMPLE算法IAbstractIn order to study the cold spray technology on Mg alloy surface, the designed supersonic nozzle is optimized according to the theory of hydrodynamics and aerodynamics. The FLUENT software is used to simulate the gas-solid flow. The velocity, temperature and pressure of gas and solid particles are analyzed in the Laval Nozzle. According to the simulation results, the nozzle structure is improved to make the velocity of gas and particle best.The key of Cold Spray technology is accelerating the velocity of materials to supersonic in the Laval nozzle, then the powder of materials is deposited on the surface effectively. The speed of outlet was impacted by inlet parameters. At the same Laval nozzle structure, the speed of inlet less impact on outlet speed, particularly inlet velocity blow 50m / s. And increasing air pressure of inlet deeply is difficult realization. The main method of raising the speed of outlet is getting up the gas temperature of inlet with suitable pressure. Through analysis the data of simulation, appropriately extending the length of expanding nozzle’s zone can obtain both lower temperature and higher speed at outlet. A k-ε (RNG) model was used in the simulation in order to understand the character of the flows in Laval-Nozzle. According to the shape variation of the Laval-Nozzle, a structured non-uniform grid system has been used to divide the computation domain. The second-order difference style was selected for the discrimination of the convection in the differential equation, and the SIMPLE method is used to solve the gas phase flow. According to the application of this principle, the pressure, temperature and velocity's distribution are analyzed with FLUENT software. Optimal designing structure of the nozzle is: Inlet diameter: D1 =15.2mm; Outlet diameter: D2= 14mm; Throat radius: R cr = 3.5mm; Diverging angle: α= 30 °; L1 = 20.9mm; Expanding angle: β= 10 °; L2 = 55mm; Total length: L = 75.9mm. Then, the optimized nozzle properties were simulated and get a reasonable result.Keywords: Mg alloy; Laval Nozzle; SIMPLE method; k-ε (RNG) modelII目录摘要 (I)ABSTRACT .......................................................... I I 第1章绪论 .. (1)1.1 镁合金防腐技术研究现状 (1)1.1.1 化学转化处理 (2)1.1.2 阳极氧化和等离子微弧阳极氧化 (3)1.1.3 扩散涂层 (4)1.1.4 金属镀层 (4)1.1.5 激光表面处理 (5)1.1.6 离子注入 (5)1.1.7 其它处理方法 (6)1.2冷喷涂技术的现状分析 (6)1.2.1 冷喷涂原理 (6)1.2.2 冷喷涂工艺特点 (7)1.2.3 冷喷涂技术的应用 (8)1.3冷喷涂射流过程数值模拟研究进展 (9)1.4 课题研究意义及内容 (10)第2章冷喷涂Laval管的设计 (11)2.1 引言 (11)2.2 超音速喷枪气体动力学计算 (11)2.3 气体热力参数计算 (13)2.4 设计过程 (14)第3章喷枪内超音速气流的数值模拟 (18)3.1引言 (18)3.2模型的建立 (18)III3.2.1 物理模型 (18)5.2.2数学模型 (18)3.3计算机的模拟过程 (20)3.3.1网格的化分 (20)3.3.2求解器 (20)3.3.3 FLUENT计算过程 (22)3.4结果与讨论 (23)每4章喷枪的优化设计 (25)4.1为减小粘性附层面影响的优化 (25)4.1.1喷枪模拟的优化 (25)4.1.2气相模拟结果 (26)4.2 对Laval喷枪渐扩段的优化 (28)4.2.1结构优化计算 (28)4.2.2气相模拟与讨论 (28)4.3 对Laval喷枪渐缩段的优化 (36)4.3.1结构优化计算 (36)4.3.2气相模拟与讨论 (37)第5章结论 (41)参考文献 (42)致谢 (45)IV第1章绪论镁合金具有很高的比强度、比刚度、比弹性模量，还具有良好的导热、导电性、尺寸稳定性、电磁屏蔽性、可加工性等优点，广泛地应用于航空航天、汽车制造和电子工业等领域[1]。
但镁合金的耐蚀性、耐磨性和耐高温性能差，因此，如何解决镁合金腐蚀和磨损问题是提高镁合金铸件使用寿命，拓宽镁合金应用范围的关键之一。
进行表面强化是一种行之有效的方法[2]。
镁合金表面防护方法主要有等离子体微弧阳极氧化、电镀、化学镀、气相沉积、激光改性等。
但是，等离子体微弧阳极氧化得到的氧化膜较薄，防护效果有限；电镀和化学镀工序复杂，且污染环境；气相沉积和激光改性的成本太高[3]。
因此，考虑到经济和效率因素，应用喷涂的方法在镁合金表面覆盖上一层致密的保护膜[4]，将是一种提高镁合金耐腐蚀性和耐磨性的有效途径。
但传统工艺上采用的热喷涂方法会对其产生一些有害影响，出现如高温氧化、蒸发、溶解、结晶、残余应力、剥落、气体释放等问题[5]。
冷喷涂工艺克服了热喷涂技术上述弱点，在冷喷涂中喷涂粉末粒子在热的非氧化性气流中加速，喷涂加热温度较低，涂层基本无氧化现象，适用于纳米、非金属等对温度敏感材料，可以获得低氧化物含量、低内应力、高硬度、大厚度涂层[6]。
本课题组已经对镁合金表面冷喷涂铝合金技术进行了研究。
对镁合金表面涂层性能的研究表明，镁合金表面冷喷涂层可以大大提高基体的耐磨性和耐腐蚀性。
1.1 镁合金防腐技术研究现状如何解决镁合金腐蚀和磨损问题是提高镁合金构件使用寿命，拓宽镁合金应用范围的关键之一。
目前，提高镁合金耐蚀性的途径之一是添加合金元素，另一条途径就是进行表面改性。
当今世界各国研究最多，应用最多的是表面改性技术。
目前，国内外镁合金的表面防护方法如下。
11.1.1 化学转化处理化学转化处理就是通过发生化学或电化学反应，使基体金属的离子与溶液中的阴离子或原子结合，从而在金属表面形成一层薄膜，起到保护基体材料的作用[7]。