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喷涂颗粒与基体的垂直相互作用

  颗粒与基体的相互作用模型

  喷涂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。

  由于无气喷涂机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。根据研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。

  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,则将粒子的流变和泠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。arlo等人最初于1967年采用标记单元法(Marker-and-CellMAC)研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。

  rapala等人利用FM-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等人四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-√OF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。