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冷喷涂中激波及粒子沉积过程研究

高虹  
【摘要】: 超音速冷喷涂是一种新型的表面涂层制备方法,具有诸多优点,但冷喷涂技术作为一个新兴技术,其理论尚不完善,喷涂质量和效率尚待提高。气体与金属粉末粒子的两相超音速流动和粒子在基体表面的沉积,是冷喷涂中两个非常重要的过程。超音速激波直接影响粉末粒子在基体表面的沉积速度和喷涂效果,基体表面的沉积过程则不容易被直观的观测。为了解决这两个问题,本文开展了以下研究:气固两相流动的音速与激波、Cu团簇的熔化及凝固过程的分子动力学模拟、团簇沉积过程的分子动力学模拟、冷喷涂实验制备涂层的扫描电子显微镜观察。 喷涂粉末粒子与气体形成超音速流动,其音速及激波与单相气体有较大差别。通过两相平衡条件下的定熵音速,推得气固两相介质的音速,并分析计算了不同气体与固体粉末两相介质的音速。由于可压缩性的变化,气固两相流的音速变得更小,压力和体积含气率对音速的影响较大。基于两相音速建立了气固两相流激波模型,分析了相间滑移、相间热交换、不同固相粉末和波前参数对激波的影响。相同流速下的气固两相流,由于音速的减小导致马赫数更大、激波更强,波后的流速更低,相间滑移和波前压力对激波有一定影响,波前马赫数和体积含气率有较大影响。超音速冷喷涂是高马赫数下的两相流动,在基体表面前部将产生激波,使气体流速大大降低,被气体加速的较大团簇(如微米粒子)由于惯性作用仍将以较高速度撞击基体形成涂层,而较小的团簇(如纳米粒子)则由于与气体分子作用强而降低速度大小和改变速度方向,不易形成稳定的涂层。因此,对较小粒子的超音速冷喷涂,应充分考虑激波的影响。 涂层形成过程中团簇与基体都可能出现熔化和凝固,本文应用分子动力学模拟方法模拟了包含不同原子数的Cu团簇的熔化和凝固过程,通过结合势能的变化、均方位移的变化、径向分布函数的变化确定了不同大小的Cu团簇的熔点和凝固点温度,并讨论了冷却速率对熔体凝固产生的影响。结果表明,Cu团簇熔点低于块状金属熔点,而且随原子数增加,团簇熔点温度升高,但上升幅度逐渐变小,最后接近块状金属的熔点,计算结果与实验结果吻合较好。冷却速率对结晶过程影响很大,金属熔体以较快速率(冷却速率:1.6×1013K/s)冷却时将得到非晶体,如果以较慢速率(冷却速率:1.6×1012K/s)冷却则可以得到晶体。 由于团簇沉积过程难于观测,论文采用分子动力学方法研究了Cu团簇在Cu基体上沉积过程,得到了沉积过程的所有细节。模拟了单个团簇在基体上沉积的过程及多个团簇在基体上沉积形成涂层的过程,通过对比碰撞前后团簇与基体的径向分布函数及计算团簇原子间形成的键对的变化可知,Cu团簇沉积后可以得到类似于基体结构的FCC占主导的晶格结构;通过计算基体温度发现,团簇撞击基体的过程中,基体的受撞击影响区域可能有熔化现象产生,但基体的其余部位并没有发生熔化,如Cu546以1100m/s撞向基体时,基体受影响区域的最高温度达到1498K,但基体的其余区域的温度还不到500K;通过界面局部最高温度、有效接触面积及扁平率的变化来判断团簇是否与基体发生有效机械结合,此外,团簇和基体间还可能存在冶金结合;通过计算Pinter及团簇原子进入基体的原子数两项指标研究了团簇入射速度、团簇和基体温度、团簇大小及团簇及基体硬度对沉积效果的影响,研究发现,团簇入射速度对团簇与基体之间的结合强度影响较大,入射速度越大,结合强度越大,而且较大速度的团簇在基体上沉积后可较快地获得与基体晶格结构相近的沉积层;团簇或基体的温度的升高可以提高团簇与基体之间的结合强度,但效果并不显著;团簇大小对团簇与基体之间的结合强度影响较大,团簇越大,结合强度越大;团簇和基体的硬度也对沉积效果影响较大,如果基体硬度过高,碰撞不能使基体发生足够的变形,很难形成有效结合,当基体硬度比较低时,硬度较高的团簇与之碰撞会产生晶体缺陷;通过计算团簇与基体间的势能及表面粗糙度研究了团簇大小及速度对涂层质量的影响,如果采用较大的团簇,可以提高涂层与基体的结合强度,但形成的涂层的表面较粗糙,如果团簇速度较大,形成的涂层与基体的结合强度也较大,而且涂层表面较光滑。 为了验证机理分析的结果,通过冷喷涂实验在Al板上制备了Cu涂层。Cu颗粒与基体撞击时发生了剧烈的塑性变形,并且在撞击瞬间其动能转化为热能,颗粒发生局部熔化,Cu涂层与基体之间主要为物理键合及金属键合,结合强度很大,但涂层中存在细小孔洞。尽管模拟时为了计算方便采用了与喷涂粒子相同的基体材料,与实验时有所差别,但试验观察到的现象仍验证了分子动力学模拟所得到的部分结论。 本文的创新之处: ①将气固两相流超音速激波用于冷喷涂的流动分析,揭示了激波对冷喷涂影响的机理,对较小团簇的超音速冷喷涂影响较大,此时应充分考虑激波的影响。 ②首次将分子动力学模拟用于团簇在基体表面的沉积研究,解决了沉积过程不易直观观测的难题,得到了单个粒子沉积后的形貌及多个粒子形成涂层的形貌,并从微观尺度探讨了粒子与基体的结合机制,为冷喷涂中粒子结合机理的研究提供了新的研究方法。 ③首次运用分子动力学方法系统地研究了影响粒子在基体上沉积效果及涂层表面质量的因素,得到了有指导意义的结论。


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