冷氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)中顆粒的噴涂速度對(duì)沉積效果的模擬研究*

劉陳光，漆 波，楊 林

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001)

0 引言

冷氣體動(dòng)力噴涂是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的噴涂方法，受到的關(guān)注越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了很多研究。大連理工大學(xué)李剛等研究了冷噴涂中顆粒的入射角度對(duì)沉積效果的影響，研究表明:隨著入射角度的增加，顆粒的沉積深度減小，結(jié)合強(qiáng)度減弱［1］。西北工業(yè)大學(xué)李文亞等研究了顆粒與基板的碰撞行為，研究表明:顆粒的噴涂速度對(duì)顆粒與基板變形及接觸界面溫度升高影響很大［2］。重慶大學(xué)周新晶等研究了顆粒的材料性能對(duì)冷噴涂涂層的影響，研究表明:顆粒與基板的材料性質(zhì)是影響涂層質(zhì)量的重要因素［3］。Assadi H等研究了顆粒噴涂基板的過(guò)程中顆粒要滿(mǎn)足最小的臨界速度，否則無(wú)法完成沉積［4］。本文通過(guò)研究顆粒在不同的噴涂速度下，建立所需數(shù)學(xué)模型，對(duì)顆粒與基板的沉積過(guò)程利用ANSYS進(jìn)行了模擬分析，分析了噴涂速度對(duì)涂層形成的影響。

1 計(jì)算模型

同樣采用ANSYS/LS-DYNA對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬?；趧?dòng)量、質(zhì)量和能量三個(gè)守恒的基本方程之上，采用Lganarge算法進(jìn)行顯示離散求解。忽略重力的影響。為方便觀察，這次模擬采用整個(gè)二維模型進(jìn)行計(jì)算。采用ANSYS/LS-DYNA中自動(dòng)單面二維接觸來(lái)求解碰撞過(guò)程。采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型。取粒子直徑為20 um的球體，基體模型半徑為200 um，高度200 um。把基體底邊看為固壁，限制此邊界上所有節(jié)點(diǎn)Y方向上的位移。其他所有邊界看做自由邊界。有限元網(wǎng)格劃分采用二維4節(jié)點(diǎn)薄殼單元，面內(nèi)中心單點(diǎn)積分。劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

顆粒與基板材料都選用銅材料，所用Cu材料各項(xiàng)性能參數(shù)如下:密度值(DENS)為8 900 kg/m3，楊氏模量(EX)為117 GPa，泊松比(NUXY)為 0．35，屈服應(yīng)力值(Yield Stress)為100 MPa，切向模量(Tangent Modulus)為400 MPa，應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)B(beta)為0．5，應(yīng)變率強(qiáng)化系數(shù)C和P都為100。

2 模擬結(jié)果與分析

本文進(jìn)行了Cu粒子速度從300～800 m/s跨度以100 m/s為遞增單位的碰撞過(guò)程模擬，不同速度下碰撞的應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。

圖2 不同碰撞速度下粒子與基板的應(yīng)變

從圖2可看到在顆粒與基板的模擬噴涂速度的碰撞過(guò)程中，顆粒與基板的碰撞發(fā)生了很大的塑性變形，因此我們這里引入扁平率的概念進(jìn)行分析，顆粒的扁平率是顆粒在基板表面沉積變形后，其過(guò)程中產(chǎn)生的最大的直徑變形量與顆粒的開(kāi)始的直徑量的比值。從速度300～800 m/s的變化過(guò)程中，Cu顆粒的扁平率逐漸增加，在基板表面的坑深不斷遞進(jìn)，顆粒與基板的碰撞面積也在逐漸擴(kuò)大。在上圖中我們可以清楚的看到300 m/s和400 m/s的時(shí)候顆粒與基板的變形情況不是那么的劇烈，顆粒與基板接觸的底部可以發(fā)現(xiàn)有一些間隙，說(shuō)明兩者的結(jié)合強(qiáng)度不夠，但是在500～800 m/s期間變形情況逐漸增加，變得劇烈，顆粒與基板的四周開(kāi)始出去一些濺射情況，顆粒的扁平率能更好的滿(mǎn)足要求，因此顆粒的噴涂速度必須達(dá)到一定的速度要求，達(dá)到顆粒噴涂材料表面，材料所要達(dá)到的性能要求，滿(mǎn)足涂層制備的要求。

顆粒與基板碰撞后，基板表面會(huì)形成凹坑，可以用其深度來(lái)反應(yīng)碰撞過(guò)程中基體的變形行為，凹坑深度也是影響顆粒沉積效果的重要因素，利用后處理軟件對(duì)坑深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果匯總于表1。

為了方便后面的討論，現(xiàn)可以用坑深與原始粒子直徑的比值這樣一個(gè)無(wú)量綱量來(lái)描述碰撞過(guò)程中基體的塑性變形大小。即無(wú)量綱坑深=坑深/原始粒子直徑，圖3是粒子垂直碰撞基體條件下，無(wú)量綱坑深隨速度的變化關(guān)系圖。

表1 不同速度下凹坑深度

圖3 粒子垂直碰時(shí)無(wú)量綱坑深與速度的關(guān)系

從圖3中可以看出，隨著粒子入射速度的增加，無(wú)量綱坑深也增加，二者之間幾乎存在線(xiàn)性的變化關(guān)系。由此可見(jiàn)，粒子入射速度越大，在基體上形成的凹坑就越大，基體的塑性變形就越劇烈。

3 結(jié)論

(1)顆粒與基板碰撞過(guò)程中發(fā)生了劇烈的塑性變形，金屬顆粒由原來(lái)的球形變成橢圓形并呈扁平狀，顆粒與基板碰撞的四周有明顯的濺射現(xiàn)象，出現(xiàn)不規(guī)則狀。噴涂速度增加，界面接觸面積增加。

(2)顆粒的噴涂速度要達(dá)到一定的要求，否則顆粒與基板的結(jié)合存在間隙，導(dǎo)致結(jié)合不緊密。噴涂速度與無(wú)量綱深兩者之間幾乎存在線(xiàn)性關(guān)系，顆粒入射速度越大，基板上形成的凹坑越深。

［1］ 李 剛，王曉放．粒子入射角度對(duì)冷噴涂涂層形成的影響［J］．爆炸與擊，2007，27(5):478-480．

［2］ 李文亞，李長(zhǎng)久．冷噴涂Cu粒子參量對(duì)其碰撞變形行為的影響［J］．金屬學(xué)報(bào)，2005，41(3):282-286．

［3］ 周新晶，唐經(jīng)文．粒子的材料特性和入射角度對(duì)冷噴涂涂層形成的影響［J］．功能材料，2010(2):440-444．

［4］ Assadi H，Gartner F，Stoltenhoff T，et al．Bonding mechanism in cold gas sparying［J］．Surf Coat Technol，2003(51):379-394．