（动力工程及工程热物理专业论文）冷喷涂中颗粒材料特性对碰撞结合过程影响的数值分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 冷喷涂由于其喷涂温度较低 可以有效避免热喷涂过程中的热影响 以及其 他的一系列优势 冷喷涂技术越来越受到国内外学者的重视 冷喷涂粒子与基板 的碰撞结合过程是冷喷涂中最重要的过程 粒子与基板的结合程度直接关系到喷 涂的成败 结合的强度是涂层质量的重要判断依据 由于粒子与基板的碰撞过程 中的时间极短 不容易观测 目前对冷喷涂的结合机理还没有统一的认识 有待 于研究 因此对冷喷涂碰撞结合过程的研究在学术上和工业应用上具有重要的意 义 本文利用非线性有限元分析软件a n s y s l s d y n a 模拟计算了不同金属材 料的碰撞过程 分析了材料特性对粒子和基体的变形影响 对铝粒子与镁基板的 碰撞过程进行模拟 模拟了不同入射速度 入射角度以及不同直径的铝颗粒对碰 撞结合过程的影响 以及多个铝颗粒同时碰撞镁基板对碰撞结合过程的影响 模拟结果表明 不同材料的颗粒的各种性能参数不同 在撞击同种材料的基板 时 会发生不同的变形行为和结合行为 对铝粒子与镁基板的碰撞过程进行的分 析表明 随着铝颗粒速度的增加颗粒的变形程度增大 即颗粒的压缩率增加 而 基板的变形程度比颗粒的变形程度更大 入射角度增加会削弱铝粒子与基板的结 合 因此在实际喷涂过程中 应该尽量控制粒子的入射角度 使之小于3 0 当 铝颗粒的直径较小 1 0 4 0 9 i n 时 可以通过提高铝颗粒的速度来促进其与镁基板 的结合 而当颗粒的直径大于4 0 9 m 提高速度对铝粒子的变形程度的影响并不大 后续粒子对己沉积粒子的夯实作用对碰撞结合过程具有重要的作用 关键词 冷喷涂 数值模拟 结合机理 变形行为 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t c o l ds p r a yt e c h n o l o g yi sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sb e c a u s ei th a st h e a d v a n t a g e so fl o ws p r a yt e m p e r a t u r ew h i c ha v o i d st h et h e r m a le f f e c t s t h ei m p a c ta n d a d h e s i o np r o c e s s e so fp a r t i c l e sa n ds u b s t r a t ea r et h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s s e si nt h e c o l ds p r a y i m p a c ta n dd e p o s i t i o nb e h a v i o r sd e t e r m i n e s u c c e s s e so rn o t b o n d i n g s t r e n g t hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e e so ft h ec o a t i n gq u a l i t y t h e r ei sn o u n i f i e du n d e r s t a n d i n ga b o u tt h eb o n g d i n gm e c h a n i s md u et ot h es h o r ti m p a c tt i m ea n d d i f f i c u l t yo fo b s e r v a t i o n t h e r e f o r ei th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h es t u d yo ft h e b o n d i n gp r o c e s st ot h ea p p l i c a t i o ni ni n d u s t r ya n da c a d e m y i nt h i sp a p e r n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s l s d y n ah a s b e e nu s e dt ot h es i m u l a t i o no ft h ec o l l i s i o no fd i f f e r e n tm e t a lm a t e r i a l sa n da n a l y s i so f t h em a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h ep a r t i c l e sa n dm a t r i xd e f o r m a t i o n t h ec o l l i s i o np r o c e s so f t h ea l u m i n u mp a r t i c l e so nm a g n e s i u ms u b s t r a t eh a sb e e ni n v e s t i g a t e db yc o n s i d e r i n g d i f f e r e n ti m p a c tv e l o c i t i e s i n c i d e n ta n g l e sa n dd i a m e t e r so fa l u m i n u mp a r t i c l e so nt h e c o l l i s i o np r o c e s s a sw e l la sm u l t i p a r t i c l e so fa l u m i n u m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t t h ev a r i o u sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ep a r t i c l e so fd i f f e r e n tm a t e r i a l s h a v e d i f f e r e n td e f o r m a t i o nb e h a v i o r si nt h ei m p a c to ft h ep a r t i c l e so n t ot h es u b s t r a t e s a n a l y s i ss h o w st h a tt h ec o l l i s i o np r o c e s so ft h ea l u m i n u mp a r t i c l e so nt h em a g n e s i u m s u b s t r a t ep r e s e n t st h ef o l l o w i n gb e h a v i o r w i t ht h ei n c r e a s eo fa l u m i n u mp a r t i c l e v e l o c i t y t h ed e g r e eo fp a r t i c l ed e f o r m a t i o n i n c r e s e s a n dt h ec o m p r e s s i o nr a t eo ft h e p a r t i c l e si n c r e a s e st o o t h ed e g r e eo fs u b s t r a t ed e f o r m a t i o ni sg r e a t e rt h a nt h ed e g r e eo f p a r t i c l e d e f o r m a t i o n i n c r e a s eo fi n c i d e n ta n g l ew i l lw e a k e nt h ec o m b i n a t i o no f a l u m i n u mp a r t i c l e st ot h es u b s t r a t e s oi n t h ea c t u a ls p r a y i n gp r o c e s s t h ep a r t i c l e i n c i d e n ta n g l es h o u l db ec o n t r o l e dn om o r et h a n3 0o a st ot h es m a l l e rd i a m e t e r so ft h e a l u m i n u mp a r t i c l e 10 4 0 9 m i t sv e l o c i t ys h o u l db ep r o m o t e di no r d e rt oe n h a n c ei t s c o m b i n a t i o nw i t ht h em a g n e s i u ms u b s t r a t e h o w e v e r w h e np a r t i c l ed i a m e t e ri sg r e a t e r t h a n4 0 阻 t h ei n c r e a s eo ft h es p e e do nd e f o r m a t i o no ft h ea l u m i n u mp a r t i c l e si sn o t o b v i o u s t h e r e f o r e r e i n f o r c eb yt h es u b s e q u e n tp a r t i c l e st a k ea ni m p o r t a n tr o l ei nt h e c o l l i s i o np r o c e s s k e y w o r d s c o l ds p r a y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n b o n d i n gm e c h a n i s m d e f o r m a t i o n b e h a v i o r i i 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 符号 么 c d e j 竹 p p 尺 丁 矿 希腊字母 v p b z 盯 下角标 o p s 单位 m m g p a k g s p a 主要符号表 j 埏 k k m s k g m 3 m 田a 说明 喷嘴横截面积 应变强化系数 粒子直径 杨氏模量 相对体积系数 质量流量 气体压力 应变强化系数 气体常数 温度 速度 比热比 密度 应变强化系数 喷嘴扩张段长度 屈服强度 泊松比 滞止参数 粒子属性 基板属性 v 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 冷喷涂技术简介 1 1 1 冷喷涂技术的产生及发展 2 0 世纪8 0 年代中期 前苏联科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所 i n s t i t u t eo ft h e o r e t i c a la n da p p l i e dm e c h a n i c s o ft h er u s s i a na c a d e m yo fs c i e n c e si n n o v o s i b i r i s k 的p a p y r ma 等人在风洞中模拟微小颗粒对宇宙飞船的碰撞实验时发 现 当颗粒的速度超过一定值时 颗粒不会反弹而是会附着在飞船表面并与飞船 表面进行紧密结合 在随后的实验中 他们成功的将金属 合金以及复合物沉积 于不同材料的基体表面而形成涂层 并证明了其在实际应用中的可行性 根据这 一实验现象 他们提出了一种全新的材料喷涂处理方法 即冷喷涂又称冷空气动 力学喷涂 c o l dg a sd y n a m i cs p r a y i n g 1 实际上在前苏联科学家p a p y r i n a 提出冷喷涂之前很多年就有人提交过类似专 利 在1 9 0 0 年s h t h u r s t o n 在美国提交了一份专利 这份专利提出用加压气体加 速金属粒子使之沉积于另一金属板的表面 图1 1 为s h t h u r s t o n 发明装置的原理 图 由于当时条件的限制 金属粒子的速度小于3 5 0 m s 不能实现粒子与基板的 结合 在19 5 8 年c f r o c h e v i l l e 在美国也提交了一份类似于s h t h u r s t o n 的专利 只不过在这份专利中引入了d e l a v a l 喷嘴 虽然提高了速度 但还是不能实现粒 子与基板的结合 2 j 图1 1s h t h u r s t o n 的发明专利的示意图 f i g1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et h u r s t o n si n v e n t i o n 重庆大学硕士学位论文1 绪论 由于p a p y r i na 等人成功实现了多种金属及合金颗粒与不同材料基板的结合 以及后来发现冷喷涂相比于传统的热喷涂有许多优势 冷喷涂迅速引起了学术界 和工业界的关注 有关冷喷涂的第一篇论文由p a p y r i n a 等人于1 9 9 0 年发表 在这 篇文章中讨论了c u a 1 等几种金属颗粒的沉积行为 3 1 9 9 4 年p a p y r i na 等人来 到美国 获得了企业界的支持并建立了冷喷涂实验室 对冷喷涂的设备 机理及 应用展开了进一步研究 于同年取得美国发明专利 1 9 9 5 年取得欧洲发明专利 随后5 年 冷喷涂作为一种新的喷涂处理方法受到了热喷涂界的关注 但是相应 的论文发表还是较少 直到2 0 0 0 年在加拿大蒙特利尔召开的国际热喷涂会议上组 织了关于冷喷涂的首场讨论会后 有关冷喷涂的论文才开始大量出现 目前美国 德国 日本 中国 韩国等国家都成立了相关的科研团队 对冷喷涂的设备 沉 积机理和应用等进行了深入的研究 而且德国 美国 韩国等已有冷喷涂设备制 造公司出售商用冷喷涂设备 世界范围内第一台商用冷喷涂设备由美国的k t e c h 公司于2 0 0 1 年推出 其他的商用冷喷涂设备还有德国c g t 公司的k i n e t i c 3 0 0 0 系 列 韩国t a e k w a n g 公司的d p d 2 0 0 4 系统等 4 1 1 2 冷喷涂技术的原理 冷喷涂技术的原理为利用经过一定低温预热的高压气体携带粉末颗粒进入缩 放喷管 l a v a ln o z z l e 产生超音速两相流 粉末颗粒经过加速后以固体状态撞击基 体 颗粒产生剧烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层 冷喷涂工艺的工作气 体多使用n 2 h e 或压缩空气 气体预热温度一般为1 0 0 8 0 0 c 气体压力一般为 1 5 3 5 m p a 粉末颗粒尺寸为5 5 0 l t m 加速范围为2 0 0 1 2 0 0 m s 喷涂距离为 5 5 0 m m 图1 2 为冷喷涂技术的原理图 5 气体 气体加热器 图1 2 冷喷涂的原理示意图 f i g1 2t h ep r i n c i p l ei l l u s t r a t i o no f c o l ds p r a y 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 冷喷涂技术的特点 传统的热喷涂 包括电弧喷涂 火焰喷涂 等离子喷涂 高速氧燃料喷涂 爆炸喷涂等 都是将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态 不可避免发生一定程度 的氧化 相变 分解 蒸发 晶粒长大等现象 同时高温对基体也会造成一定损 害 6 对于氧化敏感材料如铝 铜 钛等 热喷涂只能在真空的环境下进行 但是 这样花费昂贵 而对于热敏感材料 热喷涂根本无法解决 而在冷喷涂中 粉末 颗粒在较低的温度下加速 在撞击基板前不会出现氧化 相变 分解等现象 粒 子与基板的结合主要依靠粒子的动能实现 因此冷喷涂正好弥补了热喷涂的这些 局限 由于冷喷涂可以实现粒子在低温下的沉积 由于这个显著的差别 决定了 冷喷涂的特削7 引 喷涂工作温度低 对喷涂粒子和基体的热影响小 冷喷涂是一种全固体状 态喷涂 所以氧化敏感材料如铝 铜 钛等活性金属以及对温度敏感的材料如纳 米结构材料和非结晶材料等都可以用于冷喷涂 而对基体的热影响小的优势使基 体有更广泛的选择空间 同时也避免了热喷涂凝固过程中产生的宏观和微观偏聚 保留了喷涂材料粒子本来的特性 可制备复合涂层 不同物理化学性质的混合粉末可以制备复合材料涂层 例如 a 1 p b 合金在常温下不相溶 采用常规方法难以获得均匀的涂层 而采用冷 喷涂的方法可使a l 与p b 均匀地混合在一起 涂层氧化物含量低 冷喷涂涂层氧化物含量 质量分数 仅为o 2 粉末 火焰喷涂的氧化物含量 高速火焰喷涂氧化物含量 质量分数 分别为1 1 和o 5 喷涂粒子沉积率高 粉末可以回收利用 可制备纳米涂层 复合涂层和非 晶涂层 相比电镀 焊接和涂漆来说 冷喷涂是一种经济 环保的选择 喷涂的轨迹很小 一般为1 2 5 m m 2 所以能够精确的控制冷喷涂的喷涂 路径 特别适用于材料的成形和修复 形成涂层的孔隙率低且和基体有较高的结合强度 由于冷喷涂的颗粒以高 速撞击而产生强烈塑性变形而形成涂层 而后续粒子的冲击又对前期涂层产生夯 实作用 且涂层没有因熔融状态冷却的体积收缩过程 因而孔隙率较低 设备相对比较简单 无需等离子体 电弧 起爆 燃烧及用于加热喷射气 体的复杂设备 当然冷喷涂也有一些不足之处 当喷涂铁基 钢基 镍基或者高温合金时必 须使用氦气 致使成本升高 而且颗粒有效沉积及稳定的高质量涂层的制备很大 程度上依赖于颗粒与基板材料本身的性质 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 国内外研究现状 由于冷喷涂的上述优点 因此在短时间内受到了许多国家的广泛重视 图1 3 为主要的研究方向和研究方法的说明i n l 9 1 下面根据冷喷涂的研究方向展开说明 图1 3 冷喷涂的研究方向示意图 f i g1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec o l ds p r a yr e s e a r c ht r e n d 1 3 1 对气流加速粒子过程的研究 在冷喷涂过程中 粒子与基板的结合主要依靠粒子的动能得以实现 因此粒 子碰撞基体前的速度是最重要的一个参数 对于特定的喷涂粒子和基体 存在相 应的临界速度 只有粒子的速度超过临界速度才能沉积形成涂层 否则将对基体 产生冲蚀作用 1 0 而气体的温度 气体的种类 气体的压力 喷枪的结构 喷涂 的距离等都会对粒子撞击基板时的速度产生影响 这部分的研究就是考虑这些因 素对粒子速度的影响 得出最优的喷涂条件 优化喷枪的结构 研究的方法包括 理论分析 实验研究和数值模拟 分析气体温度对粒子的碰撞速度的影响时 常将喷嘴内实际气体的流动视为 一维定常等熵流 并作以下假定 气体是理想气体 气体定压比热和定容比热是定值 气流是定常的 气流是一维等熵的 绝热无摩擦 根据参考文献1 1 的结论 d e l a v a l 喷嘴产生的超音速射流的临界质量流率m 为 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 一意叫 加1 等 葡 1 1 式中 p o 为气体滞止压力 孔为气体滞止温度 么 为喷嘴喉部横截面积 y 为 气体比热比 r 为气体常数 式 1 1 中 气体质量流率只与气体种类 滞止压力和滞止温度有关 是因变量 可作为判断一维等熵模型准确性的参量 气体速度由矿由下式确定 矿 m 而喷嘴出口处粒子的速度为 0 二 0 8 5 y 1 2 1 3 式中 讳为粒子直径 p p 为粒子密度 z 为喷嘴扩张段长度 考虑基板表面激波的影响 得到粒子碰撞速度与粒子出e l 速度的函数关系 式为 聪 圪 p 3 成工s 4 乃d 1 4 式中 p 为基板滞止区域的平均气体密度 三 为基板滞止区域的厚度 根据式 1 1 1 4 参考文献1 1 计算得到4 种不同粒径n i 粒子的碰撞速度随气 体温度的变化关系 如图4 所示 图1 4 不同粒径n i 粒子的碰撞速度计算值随气体温度的变化关系 f i g1 4c a l c u l a t e di m p a c tv e l o c i t yv sg a st e m p e r a t u r ef o rn ip a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r s 可见 随着气体温度的升高 粒子的碰撞速度增加 但随着气体温度的升高 重庆大学硕士学位论文1 绪论 气体的密度和粘度也会相应的降低 导致了气体对颗粒的拖曳力减小 从而对颗 粒的加速效果降低 且小粒子的碰撞速度受温度的影响更为明显 r c d y k h u i z e n 和m f s m i t h n 2 1 从理论上对气体压力对粒子速度的影响进行了 分析 得出了相应的公式 g i l m o r edl 等人 则给出了相应的实验数据 并与理 论值进行了对比 图1 5 为g i l m o r edl 等人的分析结果 鼍 窑 罢 鼍 受 季 芝 g a sp r e s s u r e p s i g a sp r e s s u r e m p a 图1 5 气体压力对粒子速度的影响 f i g1 5m e a np a r t i c l ev e l o c i t yv e r s u sg a sp r e s s u r e 从图中可以看出粒子速度随气体压力的增高而增大 气体的压力增加导致气 体的滞止压力增大 气体的密度随之增大 虽然对气体的速度影响不大 但是可 以使颗粒的拖曳系数增大 从而导致颗粒的速度增加 由于气体压力的增高会对 设备的要求增高并且带来成本的上升 所以一般采取的压力为1 5 3 5 m p a 我国 研究人员王佳杰 王吉孝等人 1 4 j 运用芬兰o s e i r 公司的激光辅助测速系统也得出了 以上述类似的结论 各国的科研人员也对喷涂的距离以及喷枪结构等展开了分析 并得出了相应 的结论 1 3 2 对碰撞结合过程的研究 由于冷喷涂过程中颗粒与基板的撞击时间短 几十纳秒 颗粒的尺寸小且有大 量的粒子同时撞击基板 粒子撞击基体的过程不易观察 不同的颗粒与基板的变 形过程不一致 研究者们根据各自的研究结果提出了不同的结合机制 l5 l 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 v a ns t e e n k i s t e 等人 1 6 j 通过研究认为 冷喷涂中粒子与基板的碰撞结合主要分 为四个阶段 基体凹陷 基底层形成 颗粒的变形以及重新排列 颗粒间金属键形成 孔隙率降低 总体变形 图1 6 为v a ns t e e n k i s t e 等人的研究结果 v a ns t e e n k i s t e 等人对涂层形成过程 的划分十分细致 但是各个阶段的区别并不明显 目前更为普遍的划分方法将涂 层的形成分为两个阶段 首先是颗粒与基板的碰撞结合 然后是颗粒之间的碰撞 结合 现阶段对颗粒与基板的结合机制研究较多 而颗粒与已喷涂涂层之间的结 合研究较少 基板 圄孔隙 颗粒轻动及重排 q 颗粒 图1 6 冷喷涂涂层成形过程示意图 f i g1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec o a t i n gf o r m a t i o ni nc o l ds p r a y 目前研究涂层结合机理的方法是运用数值模拟与实验相结合 数值模拟的方 法研究粒子的碰撞过程 所用的软件主要是a b a q u s k e x p l i c i t 和l s d y n a 1 7 2 3 1 采用数值模拟的方法 研究者能获得粒子与基板接触界面的接触面积 温度 应 力 应变等参数的信息 从而为确定不同材料和工艺条件下的粒子变形特点和结 合情况提供理论依据 有些研究人员采用理论计算的方法得出不同工艺下界面上 温度 能量的变化进而研究结合机理 2 4 2 5 1 少数研究者 2 6 1 采用分子动力学的方法 模拟了碰撞中粒子和基体的碰撞过程 并计算了粒子内原子进入基体表层的数量 及粒子与基体的最终接触面积 以此研究工艺参数对粒子结合的影响情况 但相 关报道还较少 实验主要是采用扫描电子显微镜 s e m x 射线衍射仪 能量分 析光谱仪 e d x 等测试手段观察涂层组织的形貌 与模拟结果进行对比 得出 相应的结论 目前普遍认为颗粒与基板要实现有效结合 其接触面上要出现绝热剪切失稳 重庆大学硕士学位论文1 绪论 现象 所谓绝热剪切失稳现象是指在冷喷涂中粒子与基板的接触界面都会发生强 烈的塑性变形 而撞击时间很短 大量的塑性功转化的热量来不及散失 因而一 般认为这个过程是绝热的 所以材料在高应变 高应变率下的变形特点由相互竞 争的2 个因素决定 27 j 一是由于应变增加而导致的材料加工硬化 二是由于绝热 温升而引起的热软化效应 当热软化作用占优势时 材料发生剪切失稳 材料失 去剪切强度 并在较小的剪切应力下都表现出过度的变形量 a s s a d i 等人 5 j 采用有限元分析软件a b a q u s k e x p l i c i t 模拟了冷喷涂中铜粒子 与铜基板的碰撞行为并与实验结果进行了对比验证 图1 7 为其相应的模拟结果 其研究发现当粒子速度达到5 5 0 5 8 0 m s 时 粒子与基板接触界面上的应力 应变 发生了突变 而从图1 7 也可以看出粒子与基板的接触边缘出现了射流的现象 表 明粒子在该速度下发生了剪切失稳 在实验中测得的粒子临界沉积速度为5 7 0 m s 与发生绝热剪切失稳的速度值很接近 表明粒子内绝热剪切失稳的发生是冷喷涂 中粒子实现成功沉积的重要条件 5 0 0 m f s 筏i o t l 6 d 0m s o t l 图1 7a s s a d i 等人的模拟结果 f i g1 7t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fa s s a d i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 3 对冷喷涂应用的研究 冷喷涂可以实现大多数金属材料甚至金属陶瓷的沉积 因此该工艺可以制备 优越性能的金属涂层 金属陶瓷涂层 非晶与纳米结构的金属涂层等 因此冷喷 涂可以用来制备纳米涂层 功能涂层和表明维修改性等 李文亚等人 2 8 j 利用冷喷涂技术的优点 结合喷涂后热处理开发了一种新的多 孔钛与钛合金的制备工艺 其研究结果表明冷喷涂可以制备多孔t i 与t i 合金块材 所得多孔块材的气孔率与粉末本身及喷涂条件有关 而热处理后 通过粒子间接 触界面间原子扩散 接触区域达到冶金结合 3 种多孔块材的结合强度均明显增加 超过所采用粘接胶的强度 约5 5m p a 李海祥等人1 2 9 基于海洋中船舶防腐蚀的需要 以z n 和a l 粉末为原料 z n 质量 分数为8 5 采用冷气动力喷涂方法制备6 5 z n a 1 涂层 采用s e m 和光学显 微镜 o m 对涂层的显微组织进行研究 结合x r d 和x 射线能谱 e d s 对涂层的沉 积特性进行分析 结果表明 在其实验条件下可获得厚度为0 7m m 孔隙率为1 7 的6 5 z n a 1 复合涂层 a 1 粒子的沉积效率要远高于z n 粒子的 z n 和a 1 粒 子主要通过塑性变形机械咬合在一起 粒子间结合紧密 黄国胜等人 3 0 利用冷喷涂方法 采用压缩氮气作为载气 制备了 n i c o c r a l y z r 复合涂层 并利用硬度计 s e m 和x r d 等方法研究了复合涂层的 物理性质及沉积特性 并与氦气制备的涂层进行了相应的对比 研究结果表明 采用氦气可在较低的压力和温度下制备密实的c o n i c 俄l y y p s z 复合涂层 涂层 和基体结合良好 2 5 9 m p a 孔隙率低 1 2 氧化程度低 0 显微硬度大 h v 6 0 0 8 0 0 陶瓷材料可以很均匀的分布在涂层中 采用氮气 入口条件必须 高至7 5 0 c 4 m p a 但是这种条件下 所制备的涂层性能也略微低于氦气所制备 的涂层 涂层和基体结合良好 2 2 3 m p a 孔隙率低 2 5 氧化程度低 o 4 4 显微硬度大 h v 4 0 0 6 0 0 但是陶瓷在涂层中的比例较低 仅占5 质量 比 左右 胡雪磊等人 3 1 1 以氮气作载气 采用冷喷涂技术成功地制备了n i c o c r a l y 涂层 及n i c o c r a i y lz r 0 2 复合涂层 并研究了涂层表面和横截面的微观结构 粒子之间 的结合变形情况以及涂层的显微硬度 结果表明 以氮气作载气的冷喷涂技术可 以制备出结构较致密 硬度高 4 0 0 6 0 0 h v 的n i c o c r a l y 涂层 加入氧化锆能提 高涂层的显微硬度 粉末颗粒在沉积过程中会发生强烈的塑性变形 变形颗粒边 缘处含氧量较高 王锋等人 3 2 采用冷喷涂技术在铝基板上制备了c u a 1 2 0 3 复合涂层 以复合涂 层为催化剂进行了甲醇水蒸气重整制氢实验 并利用扫描电镜 能谱分析仪和x 射线衍射仪对实验前后的涂层进行了表征 结果表明 涂层之间和涂层与基板间 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的结合主要为机械咬合 孔隙率较高 与喷涂颗粒相比 涂层没有相的变化 喷 涂后a 1 2 0 3 颗粒发生了破碎 而c u 颗粒变形不充分 c u 颗粒特性导致涂层中铜含 量比粉末中的低 甲醇水蒸气重整制氢实验表明 c u a 1 2 0 3 复合涂层由于含氧高 而具有比纯铜涂层更好的稳定性 1 4 本文的研究目的及意义 由于冷喷涂可以有效避免热喷涂过程中的热影响以及其他的一系列优势 因 此该工艺可以制备性能优越的金属涂层 金属陶瓷涂层 非晶与纳米结构的金属 涂层 也可以用来制各纳米涂层 功能涂层和表明维修改性等 在通用机械制造 行业 航空航天工业 汽车工业 造船工业等一系列工业中有着广泛的应用 在 生产和修复许多工业零部件 如涡轮盘 活塞 气缸 阀门 轴承 套管以及密 封件等方面具有应用潜力 还有希望用于快速成形 直接生产零部件 冷喷涂粒子与基板的碰撞结合过程是冷喷涂中最重要的过程 粒子与基板的 结合直接关系到喷涂的成败 结合的强度是涂层质量的重要判断依据 由于粒子 与基板的碰撞过程中的时间极短 不容易观测 目前对冷喷涂的结合机理还没有 统一的认识 有待于研究 因此对冷喷涂碰撞结合过程的研究在学术上和工业应 用上具有重要的意义 本文就是对粒子与基板的碰撞结合过程展开研究 优化喷 涂的过程 提高涂层的质量 1 5 本文的研究内容 本文对冷喷涂过程中粒子与基板的碰撞结合过程展开研究 具体包括以下几 个方面 研究材料特性对碰撞结合过程的影响 不同的材料具有不同的密度 导热 系数 熔点 杨氏模量 屈服强度 泊松比等参数 而这些参数的不同会对冷喷 涂颗粒与基板结合的过程产生不同影响 通过模拟几种不同材料的单颗粒子与基 体的碰撞过程 分析了材料特性对粒子和基体变形的影响 对铝颗粒与镁基板的碰撞过程进行分析 具体模拟了不同速度 不同直径 不同入射角度的铝粒子与镁基板的碰撞过程 分析这些因素对结合过程的影响 目前的研究多集中在单颗粒子与基板的碰撞过程 但是实际的过程是基板 沉积上一层粒子之后 后续的粒子是和已经沉积的粒子相互作用 而对这部分的 研究较少 所以本文也研究后层粒子对前层粒子的作用 同时也对多颗粒子同时 撞击基板的沉积过程进行了数值分析 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 数值模拟过程分析 2 数值模拟过程分析 本课题采用有限元分析软件a n s y s 进行数值模拟 本章对a n s y s 软件及其 模拟冷喷涂粒子与基板的碰撞过程进行简单介绍 2 1a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是由总部设在美国宾夕法尼亚州匹兹堡的世界c a e 行业最著名 的a n s y s 公司研究的大型c a e 仿真分析软件 是融结构 热 流体 电磁 声 学于一体的大型通用有限元分析软件 广泛应用于核工业 铁道 石油化工 航 空航天 机械制造 能源 汽车交通 国防军工 电子 土木工程 造船 生物 医学 轻工 地矿 水力 日用家电等一般工业及科学研究中 3 3 2 1 1a n s y s 软件的主要功能 a n s y s 具有丰富的单元库 提供了对各种物理场的分析功能 其主要分析功 能如下 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移 应力和力 静力分析很适合求解惯性和阻尼对 结构的影响并不显著的问题 a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析 而且也可以进行非线性分析 如塑性 蠕变 膨胀 大变形 大应变及接触分析 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响 与静力分 析不同 动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响 a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括 瞬态动力学分析 模态分析 谐波响应分析 及随机振动响应分析 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化 a n s y s 程序可求 解静态和瞬态非线性问题 包括材料非线性 几何非线性和单元非线性三种 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动 当运动的积累影响起主要作用时 可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性 并确定结构中由此产生的应 力 应变和变形 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型 传导 对流和辐射 热传递的三种类型 均可进行稳态和瞬态 线性和非线性分析 热分析还具有可以模拟材料固化和熔 重庆大学硕士学位论文 2 数值模拟过程分析 解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力 电磁场分析 主要用于电磁场问题的允析 如电感 电容 磁通量密度 涡流 电场分布 磁力线分布 力 运动效应 电路和能量损失等 还可用于螺线管 调节器 发 电机 变换器 磁体 加速器 电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域 流体动力学分析 a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析 分析类型可以为瞬态或稳态 分析 结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率 并且可以利用后处理功能产 生压力 流率和温度分布的图形显示 另外 还可以使用三维表面效应单元和热 一流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播 或分析浸在流体 中的固体结构的动态特性 这些功能可用来确定音响话筒的频率响应 研究音乐 大厅的声场强度分布 或者预测水流对振动船体的阻尼效应 压电分析 用于分析二维或三维结构对a c 交流 d c 直流 或任意随时间变化的电 流或机械载荷的响应 这种分析类型可用于换热器 振荡器 谐振器 麦克风等 部件及其它电子设备的结构动态性能分析 可进行四种类型的分析 静态分析 模态分析 谐波响应分析 瞬态响应分析 2 1 2a n s y s 软件的特点 a n s y s 是一个功能强大 灵活的设计分析及优化软件包 该软件可运行于从 p c n t 工作站 u n i x 工作站到巨型机的各类计算机及操作系统中 数据文件在 其所有的产品系列和工作平台上均兼容 其多物理场耦合的功能 允许在同一模 型上进行合适各样的耦合计算 在p c 上生成的模型同样可运行于巨型机上 这样 就能保证所有a n s y s 用户的多领域工程问题的求解 a n s y s 还有如下显著特点 a n s y s 可与许多先进c a d 软件共享数据 利用a n s y s 的数据接口 可精确地将在c a d 系统下生成的几何数据传入 a n s y s 并通过必要的修补可准确地在该模型上划分网格并求解 这样可以节省 用户在创建模型过程中所花费的大量时间 极大地提高了工作效率 与a n s y s 软 件能够共享数据接口的软件有p r o e n g i n e e r u n i g r a p h i c s s o l i d e d g e s o l i d w o r k s i d e a s 和a u t o c a d 等 它们之间实现了双向数据交换 使用户在用c a d 软件完 成部件和零件的造型设计后 能直接将模型传送到c a e 软件中进行有限元网格划 分并进行分析计算 及时调整设计方案 有效地提高了分析效率 强大的网格处理能力 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 数值模拟过程分析 使用有限元法求解问题的基本过程主要包括分析对象的离散化 有限元求解 及计算结果的后处理部分 结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结 果的正确性 复杂的模型需要非常精确的网格才能得到有效的分析结果 另外 在许多工程问题的求解过程中 模型的某个区域会产生极大的应变 单元畸变严 重 如果不进行网格的重新划分 将会导致求解终止或结果不正确 a n s y s 凭借 其对单元精确的处理能力和网格划分自适应技术在实际工程应用方面占有了很大 的优势 越来越受到用户的欢迎 高精度非线性问题求解 随着科学技术的发展 线性理论已经远远不能满足设计的要求 许多工程问 题如材料的破坏与失效 裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决 必须进行非线 性分析求解 例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移 大应变 几何非线性 和塑性 材料非线性 而对塑料 橡胶 陶瓷 混凝土及岩土等材料进行分析或 者需考虑材料的塑性 蠕变效应时 则必须考虑材料非线性 众所周知 非线性 问题的求解是很复杂的 它不仅涉及很多专门的数学问题 还必须掌握一定的理 论知识和求解技巧 学习起来也是比较困难 为此 a n s y s 公司花费了大量的人 力和物力开发了适用于非线性求解的求解器 满足了用户的高精度非线性分析的 需求 强大的耦合场求解能力 有限元分析最早应用于航空航天领域 主要用来求解线性结构问题 实践证 明这是一种非常有效的数值分析方法 而且从理论上也已经证明 只要用于离散 求解对象的单元足够小 所得的数值解就可以无限逼近与精确值 现在用于求解 结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟 发展方向是结构非线性 流体 动力学和耦合场问题的求解 例如 由于摩擦接触而产生的热问题 金属成形时 由于塑性功而产生的热问题 都需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代 求解 及 热力耦合 的问题 当流体在弯管中流动时 流体压力会使弯管产生 变形 而弯管的变形反过来影响到流体的流动 这就需要对结构场和流场的有限 元分析结果交叉迭代求解 即所谓 流固耦合 的问题 由于有限元的应用越来 越深入 人们关注的问题也越来越复杂 耦合场的求解就成为用户的迫切需求 a n s y s 软件是迄今为止唯一能够进行耦合场分析的有限元分析软件 程序面向用户的开放性 a n s y s 公司为了扩大自己的市场份额 满足用户的需求 在a n s y s 软件的 功能 易用性等方面投入了大量的资金 由于用户的要求千差万别 不论他们如 何努力也不能满足所有用户的要求 因此必须给用户提供一个开放的环境 允许 用户根据自己的实际情况对软件进行扩充 包括用户自定义单元特性 用户自定 重庆大学硕士学位论文2 数值模拟过程分析 义材料本构 结构本构 热本构 流体本构 用户自定义流场边界条件 用户自 定义结构胆裂准则和裂纹扩展规律等 a n s y s 的二次开发环境可以满足不同类型 用户的需求 2 2a n s y s 软件分析过程 从总体上讲 a n s y s 软件有限元分析包含前处理 求解和后处理3 个基本过 程 如图2 1 所示 它们分别对应a n s y s 主菜单系统中p r o c e s s o r 前处理 s o l u t i o n 求解器 g e n e r a lp o s t p r o c 通用后处理器 与t i m e h i s tp o s t p r o c 时间历程处 理器 圜p r e f e r e n e e s 田p r e p r o c e s n o r 田s o l u t i o n 田g e n e r dp o s t p r o c 田t i e h ix tp o s t p r o 田t o p o l o g ic do p t 田加mt 0 0 l 田l l e s i 口o p t 田p r o b e s i 乒 田r a d i a t i o o p t 田i i t l i es t a t s 园s e s s io ni d i t o r 圈f i n is h 图2 1a n a s y s 分析主菜单 f i g2 1a n s y sm a i nm e n u a n s y s 软件包含多种有限元分析功能 从简单的线性静态分析到复杂的非线 性动态分析 以及热分析 流固耦合分析等 a n s y s 具体应用到每一个不同的工 程领域 其分析方法和步骤有所差别 一个典型的a n s y s 分析过程可以分为建立 模型 加载求解 查看分析结果3 个步骤 2 2 1 建立模型 建立模型包括参数定义 实体建模 网格划分等几项内容 现今大部分的有 限元模型都是用实体模型建模 类似于c a d a n s y s 以数学的方式表达结构的几 何形状 然后在里面划分节点和单元 还可以在几何模型边界上方便地施加载荷 但是实体模型并不参与有限元分析 所以施加在几何实体边界上的载荷或约束必 须最终传递到有限元模型上 单元或节点 进行求解 这个过程通常是a n s y s 程 序自动完成的 重庆大学硕士学位论文 2 数值模拟过程分析 参数定义 a n s y s 程序在进行结构建模的过程中 首先要对所有被建模型的材料进行参 数定义 包括定义使用单位制 定义所有使用单元的类型 定义单元的实参数 定义材料的特性以及使用材料库文件等 在单位制的制定中 a n s y s 并没有为分 析指定固定的系统单位 除了磁场分析之外 可以使用任意一种单位制 只要保 证输入的所有数据都是使用同一单位制里的单位即可 单元类型的定义是结构进行网格划分的必要前提 a n s y s 程序根据所定义的 单位类型进行实际的网格划分 而单元实常数的确定也依赖于单元类型的特性 材料的特性是依赖于每一种材料的性质参数 例如在对材料进行线性分析的过程 中 首先要知道这种材料的弹性模量和泊松比 在一个分析过程中 可能有多个 材料特征组 每一组材料特性有一个材料参考号 a n s y s 通过独特的参考号码来 识别每一个材料特征组 对于每一个有限元单元分析 尽管可以分别定义材料特 性 a n