噴槍空間行進(jìn)速率對(duì)等離子噴涂Mo/8YSZ復(fù)合涂層溫度場(chǎng)的影響

龐 銘,張嘯寒,劉 光

（1.中國(guó)民航大學(xué) 機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院 寧波分院，浙江 寧波 315103）

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)因其總推力大、節(jié)流性能強(qiáng)、能量效率高以及持續(xù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為新型航天動(dòng)力的主流動(dòng)力源[1-2]。燃燒室殼體作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組成部件，除面臨著高溫高壓燃?xì)忾L(zhǎng)周期的燒蝕沖刷和熱沖擊磨損，還將承受動(dòng)力飛行作業(yè)時(shí)復(fù)雜多變的環(huán)境載荷，故要求發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室具備優(yōu)良的抗熱疲勞性能及機(jī)械性能。7A04輕質(zhì)超高強(qiáng)鋁合金因其塑性好、比強(qiáng)度高、耐蝕性能佳成為制備輕量化新型航天動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體的優(yōu)選材料[3-4]，但該材料熔點(diǎn)低，不耐高溫，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室長(zhǎng)周期的燒蝕沖刷作用下，易產(chǎn)生鼓包變形，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性，故需對(duì)鋁合金殼體采取有效的熱防護(hù)措施。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的熱防護(hù)，國(guó)外較早開(kāi)始了等離子噴涂熱防護(hù)技術(shù)的工程應(yīng)用研究，如美國(guó)已針對(duì)鋁基體、碳化硅纖維和部分氧化物陶瓷材料，采用等離子噴涂工藝研制了型號(hào)空射導(dǎo)彈專(zhuān)用的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其承壓能力和抗燒蝕性能均可滿足實(shí)際作業(yè)要求[5]；美、俄等國(guó)研究和應(yīng)用的熱噴涂難熔碳化物和氧化物陶瓷涂層提高了發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和噴管的抗燒蝕性能，如美國(guó)已經(jīng)商品化的Ultra-2000復(fù)合涂層[6]。國(guó)內(nèi)早期的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體熱防護(hù)手段主要以?xún)?nèi)襯熱性碳-酚醛為主，涂層厚度達(dá)5 mm，嚴(yán)重影響了殼體容積系數(shù)，近年來(lái)開(kāi)始重視等離子噴涂熱防護(hù)涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的應(yīng)用研究，如在我國(guó)某型號(hào)飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面制備的稀土氧化鋯-金屬?gòu)?fù)合涂層，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)殼體優(yōu)良的抗熱蝕沖刷等性能，取得了理想的熱防護(hù)效果[7-9]。

隨著新型輕質(zhì)航天動(dòng)力的發(fā)展，要求涂層具備更優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度、厚度均勻、隔熱、耐熱震和抗沖刷等綜合性能，這對(duì)稀土氧化鋯陶瓷-金屬?gòu)?fù)合熱防護(hù)涂層的等離子噴涂技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。采用梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層可實(shí)現(xiàn)熱物性參數(shù)在涂層厚度方向的連續(xù)平滑過(guò)渡，降低涂層的熱失配，進(jìn)而有效提升涂層的結(jié)合強(qiáng)度與熱震性能。在等離子噴涂過(guò)程中，噴槍的行進(jìn)速率對(duì)涂層溫度場(chǎng)的影響作用顯著，通過(guò)調(diào)控噴槍行進(jìn)速率，可減小噴涂構(gòu)件由溫度分布的不均勻性引起的熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力，從而降低裂紋萌生的概率，提升涂層質(zhì)量。目前已有噴槍行進(jìn)速率對(duì)涂層性能影響規(guī)律的文獻(xiàn)報(bào)道，但多是針對(duì)單一的涂層、單一的噴槍行進(jìn)速率，如林丹陽(yáng)等[10]研究了超音速火焰噴涂噴槍行進(jìn)速率對(duì)WC-CoCr涂層硬度及摩擦性能的影響規(guī)律；潘玉龍等[11]通過(guò)噴槍勻速運(yùn)動(dòng)條件下的圓形管道噴涂實(shí)驗(yàn)，研究管道內(nèi)壁涂層厚度與涂層涂著效率變化規(guī)律之間的關(guān)系，并提出機(jī)器人噴涂作業(yè)時(shí)噴槍運(yùn)動(dòng)速率的優(yōu)化方法；李晨希等[12]研究了等離子噴涂制備N(xiāo)iCoCrAlY/8YSZ熱障涂層時(shí)，不同噴槍行進(jìn)速率對(duì)陶瓷面層組織性能和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律；Forghani等[13]研究了大氣等離子噴涂噴槍行進(jìn)速率對(duì)TiO2涂層顯微硬度、厚度、沉積效率及孔隙度的影響規(guī)律。

相比于傳統(tǒng)的雙層熱障涂層，功能梯度熱障涂層結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，在整個(gè)噴涂作業(yè)過(guò)程中若采用單一的噴槍行進(jìn)速率，勢(shì)必在噴涂構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)大的溫度梯度。目前還沒(méi)有針對(duì)噴槍空間行進(jìn)速率對(duì)功能梯度熱障涂層溫度場(chǎng)影響規(guī)律的研究報(bào)道，本工作通過(guò)建立等離子噴涂功能梯度熱障涂層的有限元數(shù)值模型，研究噴槍空間行進(jìn)速率對(duì)等離子噴涂功能梯度熱障涂層溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 等離子噴涂模型

1.1 等離子噴涂物理模型

圖1為等離子噴涂的物理模型?；w尺寸為60 mm×60 mm×4 mm，涂層尺寸為60 mm×20 mm ×0.6 mm。各涂層的噴涂方向相同，均按照自左向右的方向進(jìn)行噴涂?；w材料選用7A04-T6鋁合金。功能梯度熱障涂層由黏結(jié)層、過(guò)渡層及陶瓷層構(gòu)成，其中黏結(jié)層（0.1 mm）選用熔點(diǎn)為2620 ℃的純鉬金屬（Mo），有利于與金屬底層實(shí)現(xiàn)良好的抗燒蝕性能，金屬鉬還具有彈性模量高、導(dǎo)電性能佳、自黏結(jié)性能強(qiáng)等諸多優(yōu)良性能[14]；過(guò)渡層材料（0.2 mm）選用金屬鉬與（8%）氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯（8YSZ），兩種材料按照1∶1的混合比復(fù)合而成；陶瓷層（0.3 mm）選用熔點(diǎn)為2680 ℃的（8%）氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷材料，具有高熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱、高硬度的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)涂層優(yōu)異的隔熱性、耐燒蝕性及抗沖刷性能[15]。

圖1 等離子噴涂物理模型Fig.1 Physical model of plasma spraying

1.2 等離子噴涂有限元模型

圖2為等離子噴涂的有限元模型。在ANSYS仿真模擬軟件中，選用三維實(shí)體SOLID70六面體八節(jié)點(diǎn)熱單元進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算，由于涂層厚度方向的溫度變化情況復(fù)雜，為了提升仿真計(jì)算的精度，將涂層厚度方向網(wǎng)格精細(xì)劃分，單元尺寸為0.05 mm，為了提升仿真計(jì)算的效率，將基體區(qū)域網(wǎng)格粗略劃分，單元尺寸為1 mm。將單層涂層的厚度設(shè)定為0.05 mm，將整個(gè)功能梯度熱障涂層分為12層進(jìn)行仿真計(jì)算，其中第1～2層噴涂Mo黏結(jié)層材料，第3～6層噴涂Mo/8YSZ過(guò)渡層材料，第7～12層噴涂8YSZ陶瓷層材料，基于ANSYS“生死單元”計(jì)算的方法，在等離子噴涂過(guò)程開(kāi)始前通過(guò)APDL命令將涂層單元全部“殺死”，伴隨噴涂過(guò)程的進(jìn)行，然后再逐步逐層激活各涂層單元，最終完成整個(gè)等離子噴涂過(guò)程。為了研究不同噴槍行進(jìn)速率下基體溫度變化情況，在基體右端面中心位置選取一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；由于涂層的溫度梯度與涂層的裂紋傾向存在著緊密聯(lián)系，為了分析噴涂作業(yè)結(jié)束時(shí)不同的噴槍行進(jìn)速率對(duì)噴涂構(gòu)件上表面溫度梯度的影響規(guī)律，經(jīng)噴涂結(jié)束時(shí)刻噴涂構(gòu)件峰值溫度點(diǎn)所在位置，垂直于噴槍行進(jìn)方向，選取一條監(jiān)測(cè)路徑，如圖2所示。

1.3 等離子噴涂的熱源模型及熱邊界條件

噴涂構(gòu)件的初始溫度與室溫相同，均為25 ℃，由于高溫等離子射流的熱流分布近似為三維高斯分布，故可將等離子噴涂熱源簡(jiǎn)化為高斯熱源，其中高斯熱源函數(shù)的數(shù)學(xué)方程為[16]：

式中：q為等離子射流的熱流密度值；r為任意點(diǎn)至等離子射流高溫光斑圓心的距離；rN為等離子射流的加熱半徑；qm為等離子射流中心的大熱流密度，其表達(dá)式為[16]：

圖2 等離子噴涂有限元模型Fig.2 Finite element model of plasma spraying

式中：P為噴涂功率，在仿真計(jì)算中將等離子噴涂的功率值保持50 kW不變；I為噴涂電流；U為噴涂電壓；η為噴涂材料對(duì)熱源能量的吸收率。

在噴涂構(gòu)件表面，等離子高溫射流直接作用的區(qū)域，考慮噴涂熱源熱流密度的直接輸入，該區(qū)域的傳熱方程為[17]：

式中：Sx、Sy、Sz分別為x、y、z方向上的方向余弦。

在噴涂構(gòu)件表面，等離子高溫射流非直接作用的區(qū)域，考慮噴涂構(gòu)件與外界環(huán)境的對(duì)流換熱，該區(qū)域的傳熱方程為[17]：

式中：Ts為噴涂構(gòu)件所處環(huán)境溫度；T0為噴涂構(gòu)件已知邊界上的溫度；μ為對(duì)流換熱系數(shù)，包括熱對(duì)流及熱輻射。

1.4 等離子噴涂相變潛熱的處理

在ANSYS仿真模擬軟件中，當(dāng)材料溫度超過(guò)其的相變點(diǎn)時(shí)，需通過(guò)焓值的變化考慮材料的相變潛熱，其中焓值的計(jì)算方程為[18]：

式中：H為焓值；ρ為材料密度；c為材料比熱容。

1.5 材料的熱物性參數(shù)

材料的熱物性參數(shù)是溫度的函數(shù)，在仿真計(jì)算中，若未考慮材料熱物性參數(shù)隨溫度的變化情況，將造成較大的計(jì)算誤差。本工作的模擬計(jì)算考慮材料的熱物性參數(shù)隨溫度的變化，其中7A04鋁合金的熱物性參數(shù)見(jiàn)表1，Mo的熱物性參數(shù)見(jiàn)表2，8YSZ的熱物性參數(shù)見(jiàn)表3，通過(guò)差值及外推的方法獲取基體及涂層材料未知溫度下的熱物性參數(shù)。其中過(guò)渡層梯度材料的熱物性參數(shù)，采用混合定律進(jìn)行計(jì)算[16]：

表1 7A04鋁合金的熱物性參數(shù)[19]Table 1 Thermal property parameters of 7A04 aluminum alloy[19]

表2 Mo的熱物性參數(shù)[20]Table 2 Thermal property parameters of Mo[20]

表3 8YSZ的熱物性參數(shù)[21-22]Table 3 Thermal property parameters of 8YSZ[21-22]

式中：i為材料編號(hào)；n為材料的個(gè)數(shù)；Xa為按照混合定律計(jì)算獲得的熱物性參數(shù)；Xb為按照對(duì)數(shù)定律計(jì)算獲得的熱物性參數(shù)；X為性能的有效值；K為材料在混合材料中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

圖3為等離子噴涂不同時(shí)刻構(gòu)件瞬態(tài)溫度場(chǎng)云圖。圖3給出了兩種噴涂方式，其一為在噴涂黏結(jié)層、過(guò)渡層和陶瓷層的過(guò)程中，噴槍均保持500 mm/s的行進(jìn)速率不變，其二為在噴涂不同種類(lèi)涂層材料時(shí)，噴槍行進(jìn)速率均不同，即噴涂黏結(jié)層的噴槍行進(jìn)速率為500 mm/s、噴涂過(guò)渡層的噴槍行進(jìn)速率為1000 mm/s、噴涂陶瓷層的噴槍行進(jìn)速率為1500 mm/s。從圖3可以觀察到：在等離子噴涂過(guò)程中，噴涂構(gòu)件各部分呈現(xiàn)了不同的溫度分布情況，涂層中間區(qū)域及與涂層相鄰的基體中間區(qū)域溫度較構(gòu)件其他區(qū)域高，這是由于粉末經(jīng)高溫等離子射流加熱至熔融或半熔融態(tài)后，加速撞擊到基體上表面，粉末熔滴發(fā)生塑性變形，鋪展形成層片，這一過(guò)程伴隨著熔滴與基體間的導(dǎo)熱及基體各部分間的導(dǎo)熱，再加上構(gòu)件各部分與外界環(huán)境的對(duì)流換熱，兩者共同作用使得噴涂構(gòu)件各部分呈現(xiàn)出了不同的溫度分布情況；伴隨著涂層厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大溫度值增大，一方面是由于先沉積的涂層對(duì)后沉積的涂層存在一個(gè)預(yù)熱作用，另一方面是由于陶瓷材料的熱導(dǎo)率小，陶瓷層熱量散失速率慢，兩者共同作用使得噴涂構(gòu)件的最大溫度值增大；在等離子噴涂過(guò)程的同一時(shí)刻，噴槍的行進(jìn)速率越大，噴涂構(gòu)件的最大溫度值越小，這是由于噴槍的行進(jìn)速率越大，單位長(zhǎng)度內(nèi)噴槍與構(gòu)件相互作用的時(shí)間越少，高溫粉末熔滴與構(gòu)件交換的熱量越少，噴涂構(gòu)件的最大溫度值越小。

圖3 等離子噴涂不同時(shí)刻構(gòu)件瞬態(tài)溫度場(chǎng)云圖（單位：℃）Fig.3 Transient temperature field cloud diagrams of components at different time points of plasma spraying（Unit：℃）（a）t=0.28 s，500 mm/s；（b）t=0.28 s，500 mm/s；（c）t=0.47 s，500 mm/s；（d）t=0.47 s，1000 mm/s；（e）t=0.75 s，500 mm/s；（f）t=0.75 s，1500 mm/s.

圖4 等離子噴涂不同時(shí)刻構(gòu)件瞬態(tài)溫度梯度云圖（單位：℃/m）Fig.4 Transient temperature gradient cloud diagrams of components at different time points of plasma spraying（Unit：℃/m）（a）t=0.28 s，500 mm/s；（b）t=0.28 s，500 mm/s；（c）t=0.47 s，500 mm/s；（d）t=0.47 s，1000 mm/s；（e）t=0.75 s，500 mm/s；（f）t=0.75 s，1500 mm/s

圖4為等離子噴涂不同時(shí)刻構(gòu)件瞬態(tài)溫度梯度云圖，各分圖中的噴槍行進(jìn)速率與圖3一致。從圖4可以觀察到：等離子噴涂過(guò)程中，噴涂構(gòu)件各部分呈現(xiàn)了不同的溫度梯度分布情況，這是由于涂層與涂層、涂層與基體及基體自身各部分的熱傳導(dǎo)及構(gòu)件各部分與外界環(huán)境的對(duì)流換熱作用的共同結(jié)果；隨著涂層厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大溫度梯度值增大，這是由于黏結(jié)層材料金屬鉬的熱導(dǎo)率與鋁合金基體接近，在噴涂黏結(jié)層材料時(shí)，如圖4（a）和圖4（b）所示，隨著金屬鉬粉末熔滴在基體上表面的沉積附著，在溫差作用下，熱量由粉末熔滴傳入基體后迅速散失；當(dāng)噴涂過(guò)渡層材料時(shí)，如圖4（c）和圖4（d）所示，過(guò)渡層材料添加了50%的陶瓷粉末，因8YSZ的熱導(dǎo)率較Mo小，在過(guò)渡層與黏結(jié)層界面處存在著較大的溫度梯度；當(dāng)噴涂陶瓷層材料時(shí)，如圖4（e）和圖4（f）所示，隨著陶瓷層厚度的增加，構(gòu)件的溫度增大，熱量散失速率減小，造成構(gòu)件溫度梯度的增大；在等離子噴涂過(guò)程的同一時(shí)刻，噴槍行進(jìn)速率越大，構(gòu)件的最大溫度梯度值越小，構(gòu)件表面能在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度的均勻分布，避免了噴槍行進(jìn)速率過(guò)慢造成粉末熔滴對(duì)構(gòu)件局部加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、局部溫度過(guò)高、溫度梯度較大的情況。圖4對(duì)比圖3發(fā)現(xiàn)，選取不同的噴槍行進(jìn)速率進(jìn)行噴涂可提升構(gòu)件溫度分布的均勻性，減小噴涂構(gòu)件溫度梯度。

圖5為不同噴槍行進(jìn)速率下構(gòu)件的最大溫度值。從圖5可以觀察到：在噴涂陶瓷層時(shí)，改變噴槍行進(jìn)速率對(duì)噴涂構(gòu)件最大溫度值的影響較過(guò)渡層更高，這是由于陶瓷層材料的熱導(dǎo)率較基體和其他涂層材料小，熱量散失速率慢，改變噴槍的行進(jìn)速率對(duì)其影響作用更為明顯。當(dāng)噴涂黏結(jié)層噴槍行進(jìn)速率為500 mm/s，噴涂陶瓷層噴槍行進(jìn)速率為1500 mm/s時(shí)，若改變噴涂過(guò)渡層的噴槍行進(jìn)速率，分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，t=0.75 s構(gòu)件的最大溫度值分別為2265 ℃、2220 ℃、2204 ℃，隨著噴槍行進(jìn)速率的增大，構(gòu)件的最大溫度值減?。划?dāng)噴涂黏結(jié)層和過(guò)渡層的噴槍行進(jìn)速率均為500 mm/s時(shí)，若改變噴涂陶瓷層的噴槍行進(jìn)速率，分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，t=0.75 s構(gòu)件的最大溫度值分別為2912 ℃、2481 ℃、2265 ℃，隨著噴槍行進(jìn)速率的增大，構(gòu)件的最大溫度值減??；當(dāng)噴涂黏結(jié)層的噴槍行進(jìn)速率為500 mm/s時(shí)，若同時(shí)改變噴涂過(guò)渡層和陶瓷層的噴槍行進(jìn)速率，即噴涂過(guò)渡層和陶瓷層的噴槍行進(jìn)速率分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，t=0.75 s構(gòu)件的最大溫度值分別為2912 ℃、2441 ℃、2204 ℃，隨著噴涂過(guò)渡層與粘結(jié)層時(shí)噴槍行進(jìn)速率的增大，噴涂構(gòu)件的最大溫度值減小。

在等離子噴涂過(guò)程中，采用僅改變噴涂過(guò)渡層噴槍行進(jìn)速率、僅改變噴涂陶瓷層噴槍行進(jìn)速率或同時(shí)改變噴涂過(guò)渡層和陶瓷層噴槍行進(jìn)速率的三種噴涂工藝方式，隨著噴槍行進(jìn)速率的增大，構(gòu)件的最大溫度值均會(huì)降低，這是由于隨著噴槍行進(jìn)速率的增大，使得單位長(zhǎng)度內(nèi)噴槍與構(gòu)件相互作用的時(shí)間縮短，經(jīng)粉末熔滴傳遞到構(gòu)件內(nèi)的熱量減小，故構(gòu)件的最大溫度值減小。

圖5 不同噴槍行進(jìn)速率下噴涂構(gòu)件的最大溫度值Fig.5 Maximum temperature of components at differenttravel speeds of spray gun

圖6 不同噴槍行進(jìn)速率下構(gòu)件的最大溫度梯度值Fig.6 Maximum temperature gradient of components atdifferent travel speeds of spray gun

圖6為不同噴槍行進(jìn)速率下構(gòu)件的最大溫度梯度值。從圖6可以觀察到：噴涂黏結(jié)層結(jié)束時(shí)與噴涂過(guò)渡層結(jié)束時(shí)，構(gòu)件的溫度梯度差距甚小，但當(dāng)噴涂陶瓷層結(jié)束時(shí)，構(gòu)件的峰值溫度梯度出現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的增加，這是由于金屬鉬與鋁合金材料的熱導(dǎo)率接近，過(guò)渡層材料中添加了陶瓷組元，使過(guò)渡層的復(fù)合熱導(dǎo)率減小，造成構(gòu)件溫度分布的均勻性降低，故在過(guò)渡層噴涂結(jié)束時(shí)相比于黏結(jié)層噴涂結(jié)束時(shí)，構(gòu)件的最大溫度梯度值有小幅度的升高；當(dāng)噴涂陶瓷層時(shí)，由于陶瓷材料的熱導(dǎo)率較其他涂層材料小，熱量散失速率慢，隨陶瓷層厚度的增加，構(gòu)件的最大溫度梯度值逐漸增大；在噴涂黏結(jié)層和過(guò)渡層的過(guò)程中，改變噴槍的行進(jìn)速率，對(duì)構(gòu)件溫度梯度的影響作用較小，而在噴涂陶瓷層的過(guò)程中，改變噴槍的行進(jìn)速率，對(duì)構(gòu)件溫度梯度的影響作用較大，這是由于黏結(jié)層與基體的熱物性參數(shù)相近，而過(guò)度層中的梯度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了熱物性參數(shù)在涂層厚度方向的平滑過(guò)渡，熱量在涂層厚度方向的傳遞速率快，使得過(guò)渡層、黏結(jié)層和基體三者溫度分布較陶瓷層均勻，故改變噴槍行進(jìn)速率對(duì)構(gòu)件的最大溫度梯度值影響較小，在噴涂陶瓷層材料時(shí)，當(dāng)噴槍的行進(jìn)速率較小時(shí)，陶瓷粉末熔滴與構(gòu)件表面局部的換熱作用增強(qiáng)，構(gòu)件的溫度分布的均勻性較小，當(dāng)噴槍的行進(jìn)速率較大時(shí)，構(gòu)件上表面的溫度分布更加均勻，構(gòu)件的最大溫度梯度值較小。觀察圖6發(fā)現(xiàn)，在噴涂黏結(jié)層、過(guò)渡層、陶瓷層時(shí)，當(dāng)噴槍的行進(jìn)速率分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，構(gòu)件的最大溫度梯度值最小。若想進(jìn)一步減小構(gòu)件厚度方向的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件溫度分布的均勻性，則需在噴涂熱導(dǎo)率小的涂層材料時(shí)，采用較大的噴槍行進(jìn)速率，噴涂熱導(dǎo)率大的涂層材料時(shí)，采用較小的噴槍行進(jìn)速率。

圖7 不同噴槍行進(jìn)速率下監(jiān)測(cè)路徑的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of the monitored path atdifferent travel speeds of spray gun

圖7為不同噴槍行進(jìn)速率下監(jiān)測(cè)路徑的溫度分布。從圖7可以觀察到：改變噴槍的行進(jìn)速率并沒(méi)有改變監(jiān)測(cè)路徑的溫度分布趨勢(shì)，在不同的噴槍行進(jìn)速率下，構(gòu)件表面監(jiān)測(cè)路徑溫度分布情況相似，均呈現(xiàn)了中間高、兩端低的分布情況，這是由于在噴涂過(guò)程中，高溫等離子射流中心熱流密度較四周大，噴涂粉末經(jīng)送粉氣體送入噴槍槍室時(shí)，與高溫等離子射流中心相互作用的粉末粒子吸收的熱量多，熔融效果好，而與射流周邊相互作用的粉末粒子吸收的熱量少，熔融效果差，甚至并未達(dá)至熔融態(tài)，粉末粒子經(jīng)高溫等離子射流加熱后，以極高的速率撞擊在基體上表面，在基體上表面形成了噴涂區(qū)域中心溫度高、四周溫度低的溫度場(chǎng)分布。若以監(jiān)測(cè)路徑溫度變化曲線的斜率大小表征監(jiān)測(cè)路徑的溫度梯度大小，可知中心區(qū)域的溫度梯度較四周大，在距離監(jiān)測(cè)路徑兩端點(diǎn)0.005 m處的達(dá)到溫度梯度最大值。當(dāng)噴涂粘結(jié)層噴槍行進(jìn)速率為500 mm/s，噴涂陶瓷層噴槍行進(jìn)速率為1500 mm/s時(shí)，若改變噴涂過(guò)渡層的噴槍行進(jìn)速率，分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，隨著噴涂過(guò)渡層噴槍行進(jìn)速率的增大，監(jiān)測(cè)路徑同一位置的溫度梯度減??；當(dāng)噴涂黏結(jié)層和過(guò)渡層噴槍行進(jìn)速率均為500 mm/s時(shí)，若改變噴涂陶瓷層的噴槍行進(jìn)速率，分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，隨著噴涂陶瓷層噴槍行進(jìn)速率的增大，監(jiān)測(cè)路徑同一位置的溫度梯度減??；當(dāng)噴涂黏結(jié)層噴槍行進(jìn)速率為500 mm/s時(shí)，若同時(shí)改變噴涂過(guò)渡層和陶瓷層的噴槍行進(jìn)速率，分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，隨著噴涂過(guò)渡層與粘結(jié)層噴槍行進(jìn)速率的增大，監(jiān)測(cè)路徑同一位置的溫度梯度減小。

圖8 不同噴槍行進(jìn)速率下監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.8 Temperature change curves of monitoring points atdifferent travel speeds of spray gun

圖8為不同噴槍行進(jìn)速率下監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線。從圖8可以觀察到：在等離子噴涂過(guò)程中，基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)出了“臺(tái)階式”升高的變化趨勢(shì)，當(dāng)噴槍行進(jìn)至基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)上方時(shí)，由于高溫粉末熔滴的直接作用，使得基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度快速升高，當(dāng)噴槍離開(kāi)基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)上方時(shí)，基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)了小幅度的下降，再加上先沉積的涂層對(duì)后沉積的涂層存在一個(gè)預(yù)熱作用，這就使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)出了“臺(tái)階式”的溫度變化趨勢(shì)；在0～0.28 s的時(shí)間范圍內(nèi)，基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度較其他時(shí)間范圍大，在0.28～0.47 s的時(shí)間范圍內(nèi)，基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度次之，在0.47～0.75 s的時(shí)間范圍內(nèi)，基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度最??；當(dāng)噴涂黏結(jié)層噴槍行進(jìn)速率為500 mm/s，噴涂陶瓷層噴槍行進(jìn)速率為1500 mm/s時(shí)，若改變噴涂過(guò)渡層的噴槍行進(jìn)速率，分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，隨著噴涂過(guò)渡層材料噴槍行進(jìn)速率的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在噴涂結(jié)束時(shí)刻的溫度值減小，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度降低；當(dāng)噴涂黏結(jié)層和過(guò)渡層噴槍行進(jìn)速率均為500 mm/s時(shí)，若改變噴涂陶瓷層的噴槍行進(jìn)速率，分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，隨著噴涂陶瓷層時(shí)的噴槍行進(jìn)速率的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在噴涂結(jié)束時(shí)刻的溫度值減小，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度降低；當(dāng)噴涂黏結(jié)層噴槍行進(jìn)速率為500 mm/s時(shí)，若同時(shí)改變噴涂過(guò)渡層和陶瓷層噴槍的行進(jìn)速率，分別為500 mm/s、1000 mm/s、1500 mm/s時(shí)，隨著噴涂過(guò)渡層與粘結(jié)層噴槍行進(jìn)速率的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在噴涂結(jié)束時(shí)刻的溫度值減小，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度降低。這是由于黏結(jié)層材料的熱導(dǎo)率較其他涂層材料大，且與基體相似，故在噴涂黏結(jié)層材料時(shí)，噴涂構(gòu)件熱量散失速率快，基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度大，在噴涂過(guò)渡層材料時(shí)，由于增加了陶瓷組元，使得涂層材料的散熱速率減慢，熱量經(jīng)涂層向基體傳遞減少，故相比于噴涂黏結(jié)層材料時(shí)，噴涂過(guò)渡層材料時(shí)基體的溫度波動(dòng)幅度較小，在噴涂陶瓷層材料時(shí)，隨著陶瓷層厚度的增加，涂層的熱阻增加，涂層的整體散熱效果變差，對(duì)構(gòu)件起到了良好的保溫效果，使基體內(nèi)部溫度分布的均勻性增加，基體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度減小。

3 結(jié)論

（1）在等離子噴涂過(guò)程的同一時(shí)刻，隨著噴槍行進(jìn)速率的增大，單位長(zhǎng)度內(nèi)噴槍與構(gòu)件相互作用的時(shí)間減少，涂層與構(gòu)件交換的熱量減少，構(gòu)件的最大溫度值減小。

（2）在等離子噴涂過(guò)程的同一時(shí)刻，隨著噴槍行進(jìn)速率的增大，噴涂構(gòu)件上表面溫度分布的均勻性升高，構(gòu)件的最大溫度梯度值減小。

（3）先沉積的涂層對(duì)后沉積的涂層存在預(yù)熱作用，使基體溫度呈現(xiàn)了“臺(tái)階式”升高的變化趨勢(shì)，隨著涂層厚度的增加，涂層的熱阻增加，基體溫度的波動(dòng)幅度逐漸減小。

（4）按照黏結(jié)層最大、過(guò)渡層次之、陶瓷層最小的噴槍行進(jìn)速率進(jìn)行噴涂，構(gòu)件的溫度梯度最小。