熔射成形驟冷熔滴生長(zhǎng)特性基礎(chǔ)研究.pdf

1、熔射成形在高熔點(diǎn)材料的零件和模具快速制造方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì),且工藝簡(jiǎn)單、成本低、制造周期短,因而越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。但是在熔射成形過(guò)程中,高溫熔滴在等離子射流的作用下,以極高的速度撞擊熔射模,又在極短的時(shí)間內(nèi)急速扁平、驟冷凝固,以不規(guī)則堆積和動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的方式構(gòu)筑型殼,常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法很難觀測(cè)。同時(shí)由于周?chē)諝獾木砣牒完?yáng)極斑點(diǎn)的跳動(dòng)等復(fù)雜因素的影響導(dǎo)致了超高溫射流的快速波動(dòng),直接影響著熔滴飛行特性、熔融狀態(tài)、氧化行為及著陸點(diǎn),造

2、成堆積和生長(zhǎng)過(guò)程的瞬態(tài)變化。熔射過(guò)程中熔滴的上述特點(diǎn)常常導(dǎo)致了熔射層的起翹、開(kāi)裂和剝落等缺陷,嚴(yán)重地影響了零件或模具的成形質(zhì)量和成形精度,甚至使熔射工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn),造成了能源、材料和人力的極大浪費(fèi)。然而,國(guó)內(nèi)外在熔射成形技術(shù)中對(duì)驟冷熔滴動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)特性的研究幾乎空白。因此,深入而系統(tǒng)地研究驟冷熔滴的扁平特性和動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)特性,建立熔射工藝參數(shù)與涂層性能之間的內(nèi)在耦合關(guān)系具有重要的科學(xué)意義。
　　 本文針對(duì)熔滴扁平、凝固、不規(guī)則堆積生長(zhǎng)的特

3、點(diǎn),提出了熔射成形驟冷熔滴扁平行為與生長(zhǎng)過(guò)程模擬的構(gòu)想。重點(diǎn)研究熔滴直徑、溫度、速度和基體溫度、界面熱阻對(duì)熔滴扁平過(guò)程的影響規(guī)律；建立基于熔滴多維統(tǒng)計(jì)特征的涂層生長(zhǎng)模型；分析熔滴凝固冷卻時(shí)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力；構(gòu)建基于涂層金相照片的增層模型,探索含孔隙涂層的溫度場(chǎng)分布；采用支持向量機(jī)方法預(yù)測(cè)熔射工藝參數(shù)、熔滴溫度和速度、涂層顯微硬度和孔隙率之間的內(nèi)在關(guān)系。
　　 采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)方法,以流體動(dòng)力學(xué)模型和包括基體的流固耦合傳熱

4、模型,可視化模擬了不銹鋼熔滴的扁平行為,為熔滴動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)和涂層形成機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。模擬結(jié)果顯示,熔滴在撞擊扁平過(guò)程中,界面接觸壓力隨時(shí)間逐漸衰減,最大接觸壓力位于熔滴橫向流動(dòng)的前沿,在1/4扁平時(shí)間后熔滴的扁平過(guò)程呈現(xiàn)出完全的橫向流動(dòng)；熔滴直徑、溫度、速度和基體溫度、界面熱阻是影響熔滴扁平時(shí)間和扁平率的重要因素,扁平時(shí)間和扁平率隨著熔滴直徑、基體溫度、界面熱阻的增大而增大,但扁平時(shí)間隨著熔滴撞擊速度的增大而減小,扁平率則相反。

5、>　　 建立熔滴多維統(tǒng)計(jì)特征模型,依據(jù)照片反映的形狀特點(diǎn)生成數(shù)字化熔滴薄片,在對(duì)其截面進(jìn)行離散的基礎(chǔ)上,模擬研究了熔滴不規(guī)則堆積所形成的涂層微觀結(jié)構(gòu),分析了熔滴直徑和速度、噴槍移動(dòng)速度對(duì)涂層孔隙率和表面粗糙度的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明,保持熔滴速度和噴槍移動(dòng)速度不變時(shí),適當(dāng)增大熔滴直徑將使涂層孔隙率減小,但涂層的表面粗糙度卻增大；保持熔滴直徑和噴槍移動(dòng)速度不變時(shí),適當(dāng)增大熔滴速度將降低涂層孔隙率和表面粗糙度。該研究對(duì)分析涂層微觀結(jié)構(gòu)具有

6、重要的意義。
　　 以數(shù)值模擬得到的熔滴薄片為原型,采用有限單元法模擬了3Crl3熔滴薄片凝固冷卻時(shí)的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果顯示,由于薄片本身具有邊緣厚、中心薄的圓盤(pán)形狀特點(diǎn),在凝固冷卻的初始階段薄片邊緣的溫度高于薄片中心的溫度,隨著冷卻的進(jìn)行薄片中的最高溫度位置將逐漸移至薄片中心；薄片中的最大應(yīng)力出現(xiàn)在薄片邊緣與基體的接觸面處,最小應(yīng)力則位于薄片邊緣的上表面；第一主應(yīng)力在熔滴上表面沿徑向逐漸減小,沿軸向在接觸面處發(fā)生急劇變化

7、；薄片中的第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力,基體中的第一主應(yīng)力為壓應(yīng)力；適當(dāng)提高基體初始溫度可降低熔滴薄片中的最大熱應(yīng)力,對(duì)解決沉積過(guò)程中熔滴的卷曲、龜裂等缺陷十分有利。
　　 針對(duì)現(xiàn)有增層模型無(wú)法考慮涂層孔隙率的缺陷,在對(duì)熔滴動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)所形成的涂層金相照片進(jìn)行圖像處理和比對(duì)的基礎(chǔ)上,首次提出了一種能夠處理涂層孔隙率的增層模型,并用該模型對(duì)涂層溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明,孔隙對(duì)涂層沉積和冷卻過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布具有顯著的影響,靠近孔隙處的溫度

8、下降比遠(yuǎn)離孔隙處的更慢,而且孔隙越大,這種溫度差異越大,且孔隙對(duì)基體中的溫度場(chǎng)分布也有影響,可為含孔隙涂層殘余應(yīng)力的研究,解決涂層起翹、開(kāi)裂和剝落等失效提供基礎(chǔ)。
　　 以WC-12％Co材料為例,通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究了熔射工藝參數(shù)、熔滴溫度和速度、涂層顯微硬度和孔隙率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,引入支持向量機(jī)方法預(yù)測(cè)了熔射工藝參數(shù)對(duì)熔滴溫度和速度、涂層顯微硬度和孔隙率的影響規(guī)律。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,適當(dāng)增大氬氣流量可提高熔滴速度而熔滴溫度卻降低了,對(duì)涂