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电弧喷涂过程的数值模拟 摘要 电弧喷涂是一种热喷涂技术。喷涂过程中熔滴颗粒的飞行速度和温度是影 响喷涂涂层成形质量的重要因素。 实验方法研究电弧喷涂过程存在着诸多困难， 而数值模拟方法是当前此课题的重要研究手段。 本研究基于双流体模型，并采用a n s y s / c f d多组分传输分析包分别对电 弧喷涂时熔滴颖粒的空间飞行速度和温度分布的基本规律进行较为详细的分 析:在此基础上再采用显式有限元分析软件l s _ d y n a分析熔滴颗粒的沉积变 形过程，沉积过程的分析全部采用a l e单元网格算法。 通过改变电弧喷涂丝材材质和压缩空气的压力，本研究对比分析 ai、z n 和不锈钢 ( 1 c r 1 8 n i 9 t i )三种不同丝材下熔滴行为的差异及压缩气流压力对熔 滴飞行速度、空间温度分布及沉积变形过程的影响。 数值模拟结果表明，喷涂同种丝材时，提高压缩空气压力有助于增大颗粒 拟流体速度与温度的空间分布以 及颗粒的沉积扁平度:双相流混合粘度 t m i: 是 影响不同丝材喷涂时空间速度分布差异的重要因素。 此外还通过试验验证了飞行区温度分布模拟结果的可靠性。 关键词:电弧喷涂，数值模拟，熔滴颗粒速度 t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f a r c s p r a y p r o c e s s ab s t r a c t t h e a r c s p r a y i s o n e o f t h e t h e r ma l s p r a y t e c h n o l o g i e s . i n t h e a r c s p r a y , t h e d r o p l e t v e l o c i t y a n d t e m p e r a t u r e a r e v e r y i m p o r t a n t f o r t h e c o a t q u a l i t y . t h e r e a r e s o m a n y d i f f i c u l t i e s w h e n u s i n g p h y s i c a l e x p e r i m e n t s , w h i l e c u r r e n t l y f o r t h i s p r o b l e m n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i s a n i m p o rt a n t m e t h o d . b a s e d o n t h e t w o - p h a s e fl o w m o d e l a n d b y u s i n g t h e a n s y s / c f d m u l t i p l e s p e c i e s t r a n s p o r t p r o g r a m , t h e d r o p l e t v e l o c i t y a n d t e m p e r a t u r e i n t h e a r c s p r a y w e r e i n v e s t i g a t e d d e t a i l e d , a n d t h e n b y u s i n g t h e e x p l i c i t f e a s o f t w a r e l s 夕y n a w e a n a l y z e d t h e d r o p l e t fl a t t e n i n g a f t e r i m p a c t i n g o n t h e fl a t s u b s t r a t e , a n d i n a l l t h e fl a t t e n i n g p r o c e s s , t h e a l e m e t h o d w a s e m p l o y e d a l w a y s . b y a l t e r i n g t h e ma t e r i a l a n d t h e a i r p r e s s u r e , t h e d i f f e r e n c e s o f t h e d r o p l e t b e h a v i o r o f t h e a l , z n a n d s t a i n l e s s s t e e l ( 1 c r l 8 n i 9 t i ) w e r e d i s c u s s e d , a n d t h e e f f e c t o f t h e a i r p r e s s u r e o n t h e d r o p l e t v e l o c i t y , t e m p e r a t u r e a n d fl a t t e n i n g p r o c e s s w e r e a l s o i n v e s t i g a t e d . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e d , f o r t h e s a m e m a t e r i a l , t h e d r o p l e t v e l o c i t y , t e m p e r a t u r e a n d t h e c o m p r e s s e d r a t e w o u l d b e i m p r o v e d b y i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e ; a n d t h e t w o - p h a s e fl o w v i s c o s i t y p.;, w a s a n i m p o rt a n t f a c t o r f o r t h e d r o p l e t v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n . t h e p h y s i c a l e x p e r i m e n t w a s a l s o e m p l o y e d i n t h i s a r t i c l e t o v a l i d a t e t h e r e s u l t o f t h e t e mp e r a t u r e s i mu l a t i o n . k e y w o r d s : a r c s p r a y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , d r o p l e t v e l o c i t y 插图清单 图1 - 1电 弧喷涂工艺示意图 。 ， ， ， 。 . . . . . . . . . 3 图2 - 1喷涂雾化示意图 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 图2 - 2颗粒尾部的卡门涡旋 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 图2 - 3 f l u i d l 4 1 单元构成图， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 图2 - 4 l a v a l 管示意图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 图2 - 5喷 涂飞 行区 示意图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 图2 - 6喷涂飞 行区网 格划分 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 图2 - 7压缩气流出口压力与速度的关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 图2 - 8压缩气流场边界条件 。 . ， . . . ， . . 1 1 图2 - 9 0 . 4 m p a 速度分布云图， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 图2 - 1 0 0 . 5 m p a 速度分布云图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 图2 - 1 1 0 . 7 m p a 速度分布云图 ， ， ， 。 ， ， ， ， ， . 1 1 图2 - 1 2 0 . 4 m p a 时轴向 速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一 ， . . . 1 2 图2 - 1 3 0 . 4 m p a 时不同截面处轴向速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 图2 - 1 4 0 . 5 m p a 时轴向速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 图2 - 1 5 0 . 5 m p a时不同截面处轴向速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 图2 - 1 6 0 . 7 m p a 时轴向速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 图2 - 1 7 0 . 7 m p a 时不同截面处轴向速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 图2 - 1 8不同压力下的轴向速度比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 图2 - 1 9 不同压力下轴向喷涂距离0 . 2 m 处径向方向上速度比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 图2 - 2 0 0 . 4 m p a 下a l 颗粒拟流体速度分布 。 ， ， ， 1 6 图2 - 2 1 0 . 5 m p a 下a l 颗粒拟流体速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 图2 - 2 2 0 . 7 m p a 下a i 颗粒拟流体速度分布 、 ， ， ， 。 1 6 图2 - 2 3 不同压力下轴线处速度分布比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 图2 - 2 4 0 . 4 m p a 下z n 颗粒拟流体速度分布 。 1 8 图2 - 2 5 0 . 5 m p a 下z n 颗粒拟流体速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 图2 - 2 6 0 . 7 m p a 下z n 颗粒拟流体速度分布 。 。 ， 4 一 1 8 图2 - 2 7不同压力下轴线处速度分布比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 图2 - 2 8 0 . 4 m p a 不锈钢拟流体速度分布 ， ， ， ， ， 1 8 图2 - 2 9 0 . 5 m p a 不锈钢拟流体速度分布 ， 4 、 ， ， ， 1 8 图2 - 3 0 0 . 7 m p a 不锈钢拟流体速度分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 图2 - 3 1不同压力下轴线处速度分布比较。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 图2 - 3 2不同材料的轴向速度分布 . . . . . . . . . . . 1 9 图3 - 1 电弧喷涂热传输系统包含子系统一、子系统二 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 图3 - 2 喷涂飞行区示意图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 图3 - 3 a t 颗粒拟流体0 a mp a 轴向温度 ， ， 一 2 4 图3 - 4 a t 颗粒拟流体 0 a mp a 径向上温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 图3 - 5 a t 颗粒拟流体 0 . 5 mp a 轴向温度。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 图3 - 6 a t 颗粒拟流体0 . 5 mp a 径向上温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 图3 - 7 a 1 颗粒拟流体 0 . 7 mp a 轴向温度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 图3 - 8 a t 颗粒拟流体 0 . 7 mp a 径向上温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 图3 - 9 a t 拟流体温度分布云图， ， ， ， ， 二 . . . . . . . . . . . . 2 5 图3 - 1 0 不同压力下轴线上a t 颗粒拟流体温度分布比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 图3 - 1 1不同压力下喷涂距离0 . 2 m处截面上的温度分布比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 图3 - 1 2 z n 颗粒拟流体0 a mp a 轴向温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 图3 - 1 3 z n 颗粒拟流体0 a mp a 径向上温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 图 3 - 1 4 z n 颗粒拟流体 0 . 5 mp a 轴向温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 图3 - 1 5 z n 颗粒拟流体 0 . 5 mp a 径向上温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 图3 - 1 6 z n 颗粒拟流体0 .7 mp a 轴向温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 图3 - 1 7 z n 颗粒拟流体0 . 7 mp a 径向上温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 图3 - 1 8 不同压力下轴线处z n 颗粒拟流体温度分布比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 图3 - 1 9 不同压力下喷涂距离0 . 2 m处径向上温度分布比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 图3 - 2 0 不锈钢拟流体 0 a mp a 轴向温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一 ，. . . . . . . . . . 2 7 图3 - 2 1不锈钢拟流体0 a mp a 径向上温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 图3 - 2 2不锈钢拟流体0 . 5 m p a 轴向温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 图3 - 2 3 不锈钢拟流体0 . 5 mp a 径向上温度 ， 。 一 2 8 图3 - 2 4 不锈钢拟流体0 . 7 m p a 轴向温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 图3 - 2 5 不锈钢拟流体 0 . 7 mp a 径向上温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 图3 - 2 6 不同压力下不锈钢拟流体轴线处温度分布比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 图3 - 2 7不同压力下喷涂距离0 . 2 m处径向上温度分布比较 ， 一 2 8 图4 - 1 熔滴颗粒模型 ， 3 2 图4 - 2 所用六面体单元几何结构简图 ， ， 。 ， 。 。 一 3 2 图4 - 3 颗粒有限 元模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ” 二 3 3 图4 - 4 喷涂压力为0 . 4 m p a 、初始速度为3 3 . 8 m / s 时a 1 颗粒的沉积变形 . . . . 3 6 图4 - 5 喷涂压力为0 . 7 m p a 、初始速度为5 6 . 5 m / s 时a 1 颗粒的沉积变形 . . . . 3 6 图4 - 6 0 . 4 m p a 下颗粒能量转化关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 图4 - 7 0 . 7 m p a 下颗粒能量转化关系 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 图4 - 8颗粒分 析参数示意图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一 “ 一3 7 图4 - 9 s : 随时间的变化关系图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 37383838383939393939394040434444 图4 - 1 0 d 随时间的变化关系图 图4 - 1 1 喷涂压力为 0 . 4 m p a 、初始速度为 2 6 m / s 时z n 颗粒沉积变形 图4 - 1 2 喷涂压力为 0 . 7 m p a 、初始速度为 7 0 . 5 m / s 时 z n 颗粒沉积变形 图4 - 1 3 喷涂压力 0 . 4 m p a 、初始速度3 1 图4 - 1 4 喷涂压力 0 . 7 m p a 、初始速度 4 2 2 m / s 时的不锈钢颗粒沉积变形 5 m / s 时的不锈钢颗粒沉积变形 图4 - 1 5 0 . 4 m p a 下z n 颗粒能量转化图 图4 - 1 6 0 . 7 m p a 下z n 颗粒能量转化图 图4 - 1 7 0 . 4 m p a 下不锈钢颗粒能量转化图 图4 - 1 8 0 . 7 m p a 下不锈钢颗粒能量转化图 图4 - 1 9 z n 颗粒s , 随时间的变化关系二 图 4 - 2 0 图 4 - 2 1 图 4 - 2 2 图 5 一 1 图 5 一 2 图 5 - 3 z n 颗粒 d 、 随时间的变化关系 不锈钢颗粒 s 。 随时间的变化关系 不锈钢颗粒 d 、 随时间的变化关系 温度测量设备示意图一 0 . 7 m p a 喷涂距离0 . 2 m 处温度分布 0 . 7 m p a 喷涂距离0 . 4 m 处温度分布 插表清单 表 1 - 1 电弧喷涂涂层与基体的结合强度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 表1 - 2 电弧喷涂涂层显微硬度 ， ， ， ， ， ， ， ， 】 ， 。 ， ， . . . . . . . . . . . . . - 2 表 2 - 1不同压力下回旋涡流的状态参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 表 3 - 1 不同丝材的初始雾化温度与熔点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 表3 - 2不同丝材喷涂时的边界条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 表3 - 3各 组 分 密 度和 热 物 性 参 数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 表4 - 1 * m a t _ e l a s t 工 c _ f l u i d 本构方程输入参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 表4 - 2 a 1 . z n 和不锈钢 ( 1 c r 1 8 n i 9 t i )计算所需参数 ， ， ， . . . . . . 3 6 表4 - 3 z n 和不锈钢 ( 1 c r 1 8 n i 9 t i )颗粒沉积模拟初始条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 表5 - 1 z p g - 4 0 0 b 型电弧喷涂机主要规格和技术参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 表5 - 2 z p g - 4 0 0 b 型电弧喷涂机的工作参数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 表5 - 3 人 1 . z n 丝材的化学成分 ( w t %) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 表5 - 4 不锈钢 ( h l c r 1 9 n i 9 t i )丝材的化学成分 ， “ ， ， ， . . . . . . . . . . . . 4 3 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得一 一*m e t红 笑 一一或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意. 学 位 论 文 作 者 签 名 : 1 1 、 沙 签 字 日 期 秘碑 ” 卯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解二 合 a 区 迪 口 色有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权遗逮 sr达 崖 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 “ : 杯众 动 签 字 日 期 :孙石 年4 月 口 日 导 师 签 名 : 香0i1 t- 签 字 日 期 : .) - 6 ir 月/1 1 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位 通讯地址: ,.: :/m 场 电话 邮编 ; 1 3 )4 s 6 9 2 9 1 s 致谢 本论文是在导师李萌盛副教授的精心指导和亲切关怀下完成的。导师渊博 的专业知识、严谨的治学态度、积极的创新精神和宽厚的待人胸怀，常常令我 钦佩不已。在攻读硕士期间，李老师经常在我的生活、学习和科研工作中给予 悉心指导和热情鼓励，不断促使我克服种种困难。同时导师也为我创造了良好 的学习环境，使我的研究工作能够顺利进行。在此论文完成之际，谨向我的导 师李老师致以诚挚的敬意和感谢。 论文工作期间，作者要特别感谢焊接教研室徐道荣副教授，在研究工作中 遇到困难时，他给予了我热情的指导并提出了很多宝贵的建议。同时我也要真 诚的感谢合肥工业大学焊接实验室胡小健老师，以及胡志田、 何前进、 胡技军、 李茹娟等同学，感谢他们对我的支持和帮助! 在多年的求学生涯中，特别要感谢我的父母，正是由于他们多年默默无私 的奉献和全力的支持，才使得我能够顺利的完成学业。 最后，作者衷心感谢所有多年来在学习和生活中关心与帮助过我的老师、 同学和朋友们。 作者:杨庆功 2 0 0 6年 4月 1 0日 第一章绪 论 1 . 1 引言 电弧喷涂技术是以两根金属丝材为电极， 并以二者在喷枪端口部位相交短 路产生的电弧为热源，使金属丝材熔化，然后用压缩空气将熔化金属雾化成熔 滴颗粒，并将熔滴颗粒加速喷射到工件表面，继而沉积，冷却而形成涂层的一 种工艺 ， 。它也是一种非常有效的金属表面防护和强化技术，通过喷涂不同的 材料，可以有效的提高工件或设备表面的耐蚀性、抗氧化性等。同时这种技术 高效、节能、节材，因此受到了人们广泛的重视。 电弧喷涂技术的产生始于 1 9 1 3 年， 瑞士工学博士m . u . s c h o o p 首次提出电 弧喷涂的设计方案并于 1 9 1 6 年成功研制了实用型的电弧喷枪。上世纪3 0 年代 电弧喷涂技术有了初步的发展，当时主要用于设备旧件的修复和钢铁构件的防 腐. 5 0 年代初电弧喷涂技术在很多国家的工业上得到了应用，并传入我国. 6 0 年代初我国成功研制了封闭喷嘴固定式喷枪， 主要用于旧件修复。 6 0 年代中期 至7 0 年代，由于技术水平及其他历史原因的限制，电弧喷涂技术在不同国家、 不同地区的发展极为不平衡，甚至在一些国家和地区这种技术曾被看成是一种 落后的技术而放置起来。但在欧洲一些国家，电弧喷涂技术的应用却一直没有 停止过。随着科学技术的发展，电弧喷涂设备也不断得到了改进，加上电弧喷 涂效率高、 成本低等优点， 从上世纪8 0 年代开始， 世界各国都开始密切关注着 电弧喷涂技术及工艺的新进展，并争相投入极大的力量以促进对这种技术的研 制开发，电弧喷涂技术的研究和应用才有了长足的进步，并成为热喷涂技术领 域中非常活跃且倍受重视的技术之一。 从上世纪9 0 年代开始， 高能高速喷涂技术成为热喷涂技术领域中发展的新 趋势。基于改善涂层性能的需要，人们采用了各种技术和方法来提高喷涂粒子 的速度和温度。在我国，从事电弧喷涂技术的科技人员通过采用l a v a l 管喷枪 结构，成功研制了超音速电弧喷涂技术，实践证明这种喷涂技术使得成型涂层 的质量得到了 极大的提高 2 , 7 ) 除了超音速电弧喷涂技术之外，等离子喷涂技术也是当前热喷涂领域中研 究的热门技术。等离子喷涂技术是一种精密喷涂方法，它以电弧等离子体为热 源，能量较为集中，且几乎任何一种材料都可以用于等离子喷涂习 。与普通热 喷涂技术相比， 超音速电弧喷涂和等离子喷涂所成型的涂层质量都是比较好的， 可以说它们就是当今喷涂技术发展水平的最高代表. 1 . 2 电弧喷涂技术的优点及存在的问题 电弧喷涂技术的优点主要表面在这样几个方面: a . 与火焰喷涂技术相比，电弧喷涂技术成型的涂层性能较好， 层与基体的结合强度较高，一般为火焰喷涂的2 . 5 倍。表 1 - 1 和 种材料电弧喷涂成型涂层与基体的结合强度以及涂层的显微硬度。 且形成的涂 1 - 2显示 了三 表 1 - 1电弧喷涂涂层与基体的结合强度表 1 - 2电弧喷涂涂层显微硬度 .c 而 zn一 z 垫 “.舔 .,n/a1 % 0n a1 jtz p. 1 zn zn/a1 q alm l. m u m 11 14 20 * r brj (hv) 22.9 38.5 41.2 注:基体为4 5 #钢，喷砂表面处理 b . 电弧喷涂涂层使用寿命较长。例如经过封孔处理后的电弧喷涂涂层其使 用寿命可达 1 5 年以上。 c . 电弧喷涂技术经济节能。与其他热喷涂方法相比，电弧喷涂能源费用能 够降低 5 0 % 以上，通常仅为火焰喷涂的1 / 1 0 。而设备投资方面一般为等离子喷 涂的 1 / 3以下。 d . 电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体，因此 安全性较高、操作方便。其次电弧喷涂可现场作业，这也是等离子喷涂无法比 拟的。 e . 电弧喷涂生产效率较高。电弧喷涂的生产率一般正比于电弧电流。使用 这种技术一般比火焰喷涂生产率提高2 6 倍。 f .使用电弧喷涂技术可以非常方便的获得 “ 伪合金” 涂层。当使用两种不 同材料的丝材时，获得的涂层是这两种材料的粒子紧密相互结合的 “ 伪合金” 涂层，涂层中粒子之间还会存在少量两种材料的合金或金属间化合物。 电弧喷涂技术虽然具有不少独特的优点，但与其他材料加工方法相比，这 种技术成型的涂层与基体的结合强度还是相对较低，且涂层内部的孔隙率也很 高，所有这些不利因素都严重影响了电弧喷涂技术在工程领域中的应用。现有 资料表明( 4 ，普通电弧喷涂涂层表面孔隙率高达 1 0 % 以上，所形成的涂层与基 体的结合强度最高达 4 0 m p a ，即使是高速电弧喷涂或超音速电弧喷涂技术，其 表面涂层孔隙率也在5 % 左右，而所形成的涂层与基体的结合强度也只有6 0 m p a 左右。因此如何降低电弧喷涂涂层的孔隙率以及增大基体与涂层间的结合强度 一直是人们在电弧喷涂乃至热喷涂技术中研究的首要课题。 1 . 3 电弧喷涂技术的研究内容及其研究方法 图 1 - 1 是一个典型的双丝电弧喷涂示意图。 一般认为一个电弧喷涂过程包 含这样三个基本阶段:( 1 )喷涂丝材熔融并雾化成熔滴颗粒阶段;( 2 )压缩 气流推动熔滴颗粒在喷涂飞行区内飞行阶段; ( 3) 熔滴颗粒在基体表面沉积阶 段。 其中第二和第三阶段一直是人们研究的重点， 因为现有很多资料都表明5 - 7 7 处于飞行过程中的熔滴颗粒速度v 、温度 t等参数会对最终成型的涂层组织结 构产生较为深远的影响:其次熔滴颗粒在沉积完成后，熔滴颗粒的高度、熔滴 颗粒的扁平度等参数也是影响涂层质量 的重要因素。因此深入探讨电弧喷涂技 术中这两个阶段的熔滴颗粒变化行为将 有助于人们更加深入地理解电弧喷涂技 术，从而为获得良好的涂层质量奠定基 础。 现今对于这两个过程的研究主要有 直接物理实验观测方法和数值模拟方法图1 - 1 电弧喷涂工艺示意图 两种。在物理实验观测方面，近年来采用实验方法研究熔滴颗粒在喷涂飞行区 的飞行状态取得了很多成果，在国内，