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无气喷涂时颗粒与基体的相互作用模型

  无气喷涂时颗粒与基体的相互作用模型,主要是硏究单个或多个处于熔融状态的飞行颗粒以液滴形式与基体发生碰撞后,其形变的过程与机理。具体来说,主要是建立诸如液滴大小、速率以及材料特性这类参数与最后液滴散流大小、散流时间之间的关系。这类模型对于深入分析涂层的微观形成机理,从而进一步实现对涂层宏观性能的预测具有十分重要的意义。

  由于涉及瞬间发生的变形机制,喷涂时熔融粒子碰撞冷基体将发生凝固,且这两个过程同时进行,所以这是一类非常复杂的问题。根据硏究的重点和方向不同,国内外已提出了各种不同的模型。比较典型的有颗粒与基体的垂直相互作用和颗粒与基体的倾斜相互作用,其重点是从流体力学、热学及形态学的角度来研究熔融粒子在基体表面的变形机制及传热规律等。此外,研究颗粒与基体相互作用时瞬态压力的形成与发展规律,对于分析涂层的形成也具有极为重要的意义。

  1.颗粒与基体的垂直相互作用

  颗粒与基体的垂直相互作用模型是其他模型的基础,根据变形与变温处理方法的不同,可将其分为等温过程和变温过程。对于等温过程,在计算过程中只考虑了粒子变形流动的流动力学过程,主要文献均没有考虑粒子变形过程中的传热和粒子的冷却凝固过程,即利用先变形,后冷却凝固”的假设前提。对于变温过程,则将粒子的流变和冷却凝固过程结合起来,即同时考虑了颗粒与基体之间的热相互作用,这无疑是对喷涂粒子的沉积过程更为接近的模拟HarM等人凶最初于1967年采用标记单元法(Marker-and-celMAC)硏究了碰撞最初瞬间的熔滴变形过程,试图通过数值模拟结果解释髙速摄影所拍摄的实验现象。计算中忽略了表面张力和黏性的影响,因而没有得到最终的变形粒子的尺寸。

  Trapaga等人凵利用Fow-3D分析了等温条件下液滴在固体表面及已沉积颗粒上的冲击变形随时间的变化规律,该软件使用了在MAC基础上发展起来的 SOLA-VOF计算方法。

  Feng等人国对熔滴扁平模拟的计算采用了拉格朗日坐标下的有限元方法。在计算中采用自适应网格( Adaptive Grid),即自动重新划分网格的方法来处理自由表面由于要不断地进行网格的重新划分控制因素较多,计算过程比较复杂。

  较为成熟的颗粒与基体的相互作用模型是由 Pasandideh回等人提出来的。他们利用经过修改的 SOLA-VOF法对NS方程和能量方程进行了求解,研究了平面基体上锡液滴的撞击和凝固过程,成功模拟了液滴的变形、凝固以及与基体之间的热传导。

  2.颗粒与基体的倾斜相互作用

  无气喷涂过程中,许多参数,如喷枪的功率、几何设计、喷涂距离、喷涂角度等对沉积涂层的性能都将产生直接的影响。但在数值模拟过程中,常常被忽略的项就是喷涂角度。事实上,随着无气喷涂应用领域的日益广泛以及基体几何形状的日益复杂化,对于喷涂角度在无气喷涂工艺中的评价就显得尤为重要Fasching等人四的硏究表明,喷涂时的射流与颗粒的非对称性分布可以通过倾斜喷枪的方法进行矫正,从而得到厚度均匀的涂层,并改善涂层的结构与性能。lansky等人研究了喷涂角度对无气喷涂沉积层中孔洞及微裂纹的影响。

  研究结果表明,孔洞形成于经过散流并凝固后的液滴之间,或未完全熔化的颗粒周围。孔隙率随喷涂角度的减小而增大。液滴在散流变形和冷却凝固过程中,可能在其内部形成裂纹,裂纹的形成具有一定的择优取向,与喷涂角度有关。Leigh等人国就喷涂角度对沉积层表面粗糙度以及微观硬度、拉伸强度和淅裂韧性等性能的影响进行了研究和分析,结果表明,表面粗糙度与喷涂角度及喷涂材料有关,而微观硬度、拉伸强度和断裂韧性等性能随喷涂角度的减小而减小。

  3.颗粒与基体相互作用的瞬态压力

  无气喷涂时,熔融粒子的速度可以达到100~200ms,这将在粒子碰撞区产生高压。在接触处,压力和高温均是物理化学相互作用的推动力,这些作用促成粒子的牢固结合并形成涂层。关于颗粒与基体相互作用时瞬态压力的研究,过去一直是人们忽略的一个问题,近年来,虽已注意到这一问题的重要性,但仍有待深入研究。Montavon等人通过求解N-S方程计算了基本喷涂参数,如颗粒直径、密度、黏度、速度以及喷涂等对瞬态压力的影响;李京龙等人山在硏究熔滴碰撞基体表面的基础上对碰撞瞵态压力进行了计算。

  研究表明,碰撞压力集中于熔滴直径2.5倍以內的区域,存在集中、扩展和释放的过程。发现熔滴碰撞瞬间产生的碰撞压力最大,且集中在熔滴和基体表面的接触点上,随着熔潏的扁平变形,沿基体表面的最大压力和压力梯度先是集中在熔滴与基体接触区域的周边,造成熔滴沿基体表面产生髙速的横向铺展流动,随后随着扁平过程的进行,压力向熔滴内部和边绿迅速扩展并释放。