超音速火焰噴涂鎳基涂層顆粒沉積特性的數(shù)值模擬

許耀飛，劉思思，楊正航，姜勝強，劉金剛

熱噴涂與冷噴涂技術(shù)

超音速火焰噴涂鎳基涂層顆粒沉積特性的數(shù)值模擬

許耀飛，劉思思*，楊正航，姜勝強，劉金剛

（湘潭大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

考慮后續(xù)不同粒徑顆粒隨機沖擊的影響，探索熱噴涂涂層顆粒的沉積特性。利用ABAQUS建立顆粒與基底沖擊模型，通過顆粒沖擊的凹坑深度和應(yīng)力分布進(jìn)行網(wǎng)格收斂性研究。通過實驗驗證模型的可行性。隨后，應(yīng)用驗證模型研究顆粒以不同入射角和速度沖擊基底時的沉積特性，以及4個顆粒重疊沖擊基底及多顆粒隨機沖擊基底表面時的沉積特性。在顆粒入射角從15°增至60°時，顆粒更好地附著于基底表面；當(dāng)顆粒速度從350 m/s增至500 m/s時發(fā)生了濺射現(xiàn)象，可能造成絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，形成有效結(jié)合；在4個顆粒沖擊基底時，第2個顆粒對第1個顆粒及基底的影響都最明顯；當(dāng)多顆粒隨機沖擊基底時，在后續(xù)顆粒的沖擊和沉積作用下，填充顆粒的形狀不規(guī)則，同時第1層顆?？赡芘c基底形成機械咬合。在超音速火焰噴涂時應(yīng)當(dāng)傾斜一定角度，同時提升顆粒速度，這對制備涂層更有利；在顆粒重疊沖擊時，后續(xù)顆粒增大了第1個顆粒的壓縮效果，且更深入地嵌入不銹鋼基底，這有利于顆粒與顆粒之間的后續(xù)黏結(jié)；當(dāng)多顆粒隨機沖擊基底時，在第1層沉積顆粒與基底之間，以及涂層內(nèi)相鄰顆粒之間均觀察到高塑性應(yīng)變，表明涂層出現(xiàn)黏結(jié)，同時后期沉積的顆粒未完整壓縮變形。

超音速火焰噴涂；機械咬合；多顆粒；重疊沖擊；ABAQUS模擬

超音速火焰噴涂（HVOF）是一種比較成熟且先進(jìn)的熱噴涂技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和車輛船舶等領(lǐng)域[1-3]。由于鎳基粉末材料具有優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性等，被廣泛用于航空噴氣發(fā)動機、工業(yè)燃?xì)廨啓C等的熱端部件的制造[4]。其中，采用HVOF制備鎳基涂層成為表面防護(hù)領(lǐng)域的研究熱點[5-7]。研究表明[8]，HVOF制備涂層的本質(zhì)是粉末顆粒在基底材料表面沉積時壓縮堆積成形的過程，因此研究涂層顆粒的沉積特性對于提高涂層質(zhì)量具有重要意義[9]。

針對噴涂顆粒的沉積變形特性，Zang等[10]運用ABAQUS研究了入射角對顆粒沖擊基底的影響，結(jié)果表明，入射角越大，顆粒沉積基底表面凹坑越深。Khamsepour等[11]采用仿真方法，研究了Ti-6Al-4V顆粒在不同初始速度下顆粒變形量的變化情況，結(jié)果表明，速度越高，動能越大，顆粒在沖擊后的瞬間溫度變高，從而有利于Ti-6Al-4V顆粒附著于基底。Astaraee等[12]使用CEL方法研究了單個Cu顆粒以不同速度沖擊PEEK，結(jié)果表明，速度越高，則基底沖擊深度越大，溫度越高，塑性應(yīng)變越大，在沖擊過程中顆粒還會發(fā)生回彈現(xiàn)象。Che等[13]通過聚合物基底上Cu顆粒的單顆粒沖擊試驗，探索了第1層涂層的形成，結(jié)果表明，影響金屬和聚合物基材之間鍵合的2個主要參數(shù)是速度和溫度。Song等[14]使用CEL框架創(chuàng)建了一個多顆粒碰撞模型，以預(yù)測金屬噴涂過程中的孔隙率，并進(jìn)行了網(wǎng)格收斂研究，結(jié)合試驗結(jié)果驗證了多顆粒模型的正確性。

總體來說，數(shù)值模擬方法可以直觀地反映顆粒與基底接觸界面上的溫度及應(yīng)變的變化情況，為證明熱噴涂高速碰撞過程中界面局部熔化的發(fā)生提供了可靠的依據(jù)。另外，隨著數(shù)值研究工作的不斷深入，研究重點已經(jīng)不局限于單個顆粒與基底的碰撞變形行為，更多的注意力開始轉(zhuǎn)向多顆粒沖擊過程的數(shù)值模擬，通過多顆粒沖擊數(shù)值模擬可以研究沖擊過程中溫度和變形的累積效應(yīng)，更加符合實際噴涂工作，有助于更好地了解涂層的沉積機理。本文在前期的基礎(chǔ)上研究單個顆粒以不同入射角和速度沖擊基底時的沉積特性，并進(jìn)一步研究4個顆粒連續(xù)重疊沖擊基底及多顆粒隨機沖擊基底表面時的沉積特性。

1 材料與方法

1.1 有限元模型

在ABAQUS中，建立鎳顆粒、304不銹鋼基底模型。由于鎳顆粒會出現(xiàn)較大變形，因此在研究過程中采用CEL耦合方法對顆粒和基底進(jìn)行建模，如圖1所示。在圖1a～c這些模型中，基底模型為直徑300 μm、高度150 μm的圓柱體，顆粒直徑為30 μm。在圖1d～e中，模型為100個20～70 μm不等的顆粒，基底模型的長度、寬度、高度均為700 μm。為了避免應(yīng)力波在模型邊界反射時引起數(shù)值的不穩(wěn)定[15]，將顆粒的建模直徑設(shè)置為遠(yuǎn)小于基底直徑。在基板中創(chuàng)建不同的分區(qū)，從而在非沖擊區(qū)域獲得優(yōu)化的網(wǎng)格分布。在顆粒與基底接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，采用過渡網(wǎng)格法對基底進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而降低計算成本，確保計算精度，如圖2所示。將顆粒與基底的接觸設(shè)置為通用接觸，摩擦因數(shù)為0.3。在不模擬顆粒入射角對沉積特性的影響的情況下，對基底的底面施加全約束，對顆粒與基底的、面施加面對稱約束，其余表面均設(shè)置為自由狀態(tài)，限定顆粒僅能垂直于金屬基底表面噴涂路徑運動。在計算過程中，顆粒與基底的沖擊時間根據(jù)最遠(yuǎn)顆粒到達(dá)基底充分變形時來粗略估計[16]。同時，假設(shè)顆粒與基底之間絕熱[16]。前面建模選用20～70 μm的顆粒，這是根據(jù)激光粉末分析儀測量粒度分布所得，如圖3a所示。粒度的累積概率分布由對數(shù)正態(tài)函數(shù)估計，見式（1）。

根據(jù)熱噴涂中使用的粉末材料，可以測出顆粒的粒度分布曲線。在粒度分布曲線中，平均粒徑是粒度分布曲線中累積分布為50%時最大顆粒的等效直徑。70、50和20分別表示粒度分布曲線中累積分布為70%、50%、20%時最大顆粒的等效直徑。在確定多顆粒沖擊模型中顆粒的粒徑范圍時，由于20～70之外的顆粒在整個粉末中的占比較小，所以可以忽略兩者之外的粒徑。將選擇范圍內(nèi)的粒徑按照相同間隔取幾組直徑相同的顆粒，然后根據(jù)粒徑粒度的累積概率分布估算不同粒徑的顆粒數(shù)量，總體為100個，如圖3b所示。多顆粒碰撞條件通過多顆粒隨機碰撞模擬的計算流體動力學(xué)確定[17]，如圖3c～e所示。

1.2 材料模型

采用Johnson-Cook塑性模型描述鎳顆粒和304不銹鋼基底，該模型考慮了顆粒沉積過程中的應(yīng)變強化、升溫熔化、摩擦，以及塑性功與熱能之間的轉(zhuǎn)化。應(yīng)力用von Mises塑性模型來表示。材料的屈服應(yīng)力的計算見式（2）[18]。

圖1 有限元沉積模型

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

式中：為材料的溫度；0為材料的參考溫度；m為材料的熔化溫度。

彈性行為采用線性Mie-Grüneisen狀態(tài)方程描述，其力學(xué)性能和熱性能假定為各向同性。顆粒和基底材料的特性參數(shù)如表1所示[19-20]。

1.3 網(wǎng)格獨立性測試

在數(shù)值模擬中，使用更精細(xì)的網(wǎng)格會產(chǎn)生更精確的結(jié)果，但代價是計算成本較高。這里進(jìn)行了系統(tǒng)的網(wǎng)格獨立性測試，以獲得合理的網(wǎng)格尺寸，確保精度，同時保證合理的計算成本。在選擇優(yōu)化網(wǎng)格時，考慮了SVANG Mises應(yīng)力和最大沉積深度[10]，如表2、圖4所示。在網(wǎng)格獨立性測試中，考慮了5種網(wǎng)格尺寸（表2），對于試驗1～3，變形附近的應(yīng)力（SVANG Mises）為803～880 MPa，存在顯著偏差，結(jié)合圖4可看出這是由網(wǎng)格粗糙所致。試驗4、5中的應(yīng)力（SVANG Mises）分別為888.2、890.2 MPa，結(jié)合圖4可看出應(yīng)力分布相似。對于試驗1～3，目標(biāo)材料的深度逐漸增大，試驗4、5的深度分別為2.11、2.07 μm，非常接近。當(dāng)元素數(shù)量為1 589 240（試驗4）時，應(yīng)力（SVANG Mises）和滲透的變化很小，表明計算結(jié)果對網(wǎng)格數(shù)不敏感。由于試驗5的計算成本大大超過了其他網(wǎng)格尺寸，因此模型中采用試驗4。

表1 鎳顆粒和304不銹鋼材料的特性參數(shù)

Tab.1 Ni particles and 304 stainless steel material feature parameters

表2 網(wǎng)格收斂測試中使用的參數(shù)

Tab.2 Parameters used in mesh convergence test

圖4 不同網(wǎng)格尺寸的最大應(yīng)力、最大沉積深度曲線和最大應(yīng)力分布

1.4 實驗驗證

為了驗證上述網(wǎng)格質(zhì)量和模型的可靠度，這里通過文獻(xiàn)已有的SEM圖[21]與模擬塑性應(yīng)變云圖進(jìn)行對比（如圖5a所示），20 μm的鎳顆粒的撞擊變形規(guī)律與實際過程顆粒變形規(guī)律基本保持一致，塑性應(yīng)變最高達(dá)到1.829 MPa，且具有回彈效果。同時，顆粒和基底的塑性變形區(qū)主要集中在二者的接觸面附近此外，由于顆粒的質(zhì)量較小，碰撞時的能量較小，造成基底的塑性變形有限，且撞擊前的速度較高，但回彈力較大，從而導(dǎo)致與基底的有效結(jié)合面積較小。如圖5b所示，40 μm的鎳顆粒在沖擊基底后的塑性云圖與實際顆粒變形規(guī)律也基本保持一致，塑性應(yīng)變最高達(dá)到2.226 MPa。由于顆粒的尺寸更大，增大了碰撞能量，使得基底產(chǎn)生了更大的塑性變形，顆粒與基底結(jié)合良好，顆粒的扁平化過程得以延長。通過對比形貌和現(xiàn)象可知，其網(wǎng)格質(zhì)量及模型可行。

圖5 不同粒徑顆粒沖擊后SEM形貌與等效塑性應(yīng)變云圖

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒沉積過程中的變形特性

超音速火焰噴涂的顆粒速度一般為300～500 m/s，顆粒溫度可達(dá)800～1 600 K[22-23]。同時，沉積在基底表面的顆粒通常利用顆粒的壓縮率和沉積深度來表征顆粒的變形程度和噴涂效果，具體如圖6所示。定義顆粒的壓縮率，見式（4）。定義顆粒的沉積坑深度，見式（5）。

=(c?z)/c(4)

式中：c為顆粒的初始高度，即顆粒直徑；z為顆粒變形后的高度。

=1?2(5)

式中：以基底底面為基準(zhǔn)面，1為基底表面高度；2為沉積坑最深處的高度。

為了研究顆粒沉積過程中的變形行為，選取實驗常用的15～45 μm范圍內(nèi)的中徑顆粒（30 μm）進(jìn)行模擬。在速度為450 m/s、初始溫度為800 K、基底溫度為298 K的初始條件下，不同時刻沉積的等效塑性應(yīng)變云圖如圖7所示。顆粒在沖擊基體后立即開始變形，將顆粒下半部分壓縮的材料推向基體兩端，基體發(fā)生的變形較小，只有較淺的沉積坑。顆粒變形區(qū)域主要集中在顆粒與基體的接觸區(qū)周圍。隨著顆粒沖擊的進(jìn)行，顆粒的等效塑性應(yīng)變逐漸增大。在21 ns時，顆粒邊緣不斷擴(kuò)展，顆粒內(nèi)部材料開始向外溢出，增大了顆粒與基體的結(jié)合面積。在42 ns時，顆粒變形明顯，沉積坑的寬度和深度同時增加，以配合顆粒的變形。在60 ns時，鎳顆粒被壓縮成明顯的扁平狀，顆粒嵌入基體的沖擊凹坑中，該凹坑邊緣稍微向上凸起。

如圖8a所示，描述了顆粒的動態(tài)沉積深度和壓縮率。在前15 ns內(nèi)，顆粒一直處于穿透過程，在21 ns時達(dá)到最大沉積深度（2.11 μm）。在22～60 ns內(nèi)，顆粒處于反彈階段，緩慢向上彈起，但未脫離基體。采用CEL方法時，顆粒沖擊基底一般被設(shè)置為通用接觸，所以顆粒會發(fā)生反彈現(xiàn)象[12,24-25]。此外，在42 ns時，顆粒的壓縮率升至一個較大值，隨著時間的推移，在42～60 ns內(nèi)壓縮率的變化趨勢變緩。在60 ns時，顆粒壓縮率為0.57左右。在高速沖擊下，基體與顆粒的溫度都迅速上升，如圖8b所示。顆粒溫度一開始持續(xù)上升是因為在沖擊過程中，顆粒的近基體端首先與基體接觸，隨著顆粒的持續(xù)沖擊，顆粒的變形增大，顆粒被絕熱壓縮，將被壓縮材料推向顆粒邊緣，產(chǎn)生了較大的塑性變形，因此顆粒與不銹鋼基體接觸界面區(qū)域的溫度迅速升高。由于顆粒的塑性變形大于基體，因此溫度上升得更快。溫度在42 ns后基本恒定，出現(xiàn)這種現(xiàn)象說明隨著顆粒沖擊動能的減小，塑性耗散也隨之減小，因此溫度基本恒定?；w溫度在21 ns時上升得最快，隨后在短時間內(nèi)保持恒定，這是因為在21 ns時沉積深度達(dá)到最大值。此時，基體變形得最強烈，變形能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度升至最大值。在21 ns后，顆粒緩慢反彈，不再繼續(xù)穿透，溫度基本保持恒定。

圖6 壓縮率與沉積深度示意圖

圖7 鎳顆粒動態(tài)沉積過程

圖8 顆粒沖擊基底時壓縮率、沉積深度及溫度隨時間的變化情況

2.2 入射角對顆粒沉積特性的影響

在超音速火焰實際噴涂時，由于基底表面具有一定的粗糙度，因此噴涂顆粒與基底碰撞時可能會呈一定傾斜角度，從而影響噴涂的沉積變形特性[26]。為了研究顆粒在不同入射角下的沉積特性，選取30 μm鎳顆粒進(jìn)行模擬，速度為450 m/s，初始溫度為800 K，顆粒以不同入射角沖擊基底（298 K）時的等效塑性應(yīng)變云圖如圖9所示。由圖9a可知，鎳顆粒在入射角為15°時，顆粒與基體接觸的表面迅速擴(kuò)大，隨著顆粒不斷沖擊左側(cè)部分，與基體的間隙不斷擴(kuò)大，最終只有顆粒右側(cè)部分黏結(jié)在基體上，這會減小顆粒與基底之間的實際接觸面積。同時（如圖9b～c所示），等效塑性應(yīng)變最大值逐漸減小，從4.147 MPa減至3.144 MPa。這是因為入射角度增大，鎳顆粒與基底沖擊時的水平速度分量減小，即t減小。還可以看出，顆粒的右側(cè)部分變形更加劇烈，顆粒與基底表面的有效接觸面積不斷擴(kuò)大，顆粒的左側(cè)部分也黏結(jié)在基底表面，這有助于顆粒與基底的結(jié)合，從而保證了涂層的質(zhì)量。

隨著入射角的改變，顆粒沉積基底上的深度有所區(qū)別。顆粒以不同入射角沖擊基底，沉積得到的凹坑深度變化曲線如圖10所示。由圖10可知，隨著入射角度的增大，顆粒在基底沉積的凹坑深度逐漸增大。這是因為入射角的增大，法向分速度也增大，即n增大。同時，入射角的增大導(dǎo)致顆粒與基底的結(jié)合強度增大，從而保證了涂層的質(zhì)量。此外，在入射角為60°時，顆粒增大沉積深度的趨勢最明顯，結(jié)合圖9的等效塑性應(yīng)變云圖可知，顆粒與基底接觸集中區(qū)域呈現(xiàn)變形趨勢，但沖擊基底的凹坑不明顯。這主要與顆粒速度、顆粒溫度、基底溫度，以及顆粒與基底的模量有著重要關(guān)系。

圖9 不同入射角下顆粒的等效塑性云圖

圖10 不同入射角下的沉積深度

2.3 速度對顆粒沉積特性的影響

顆粒速度是影響熱噴涂顆粒和基體結(jié)合效果的決定性因素之一[23]。為了研究顆粒速度對沉積特性的影響，選取30 μm的鎳顆粒，設(shè)置初始條件：顆粒溫度為800 K、基體溫度為298 K。在不同速度下，顆粒在基體上沉積的等效塑性應(yīng)變云圖如圖11所示。由圖11可以看出，顆粒的等效塑性應(yīng)變隨著顆粒速度的增加而增大，從350 m/s時的2.876 MPa增至500 m/s時的4.351 MPa，應(yīng)變效果提升的幅度較大。顆粒的變形程度逐漸增大，同時變形鋪展范圍也更寬泛，但顆粒沖擊基體時形成的凹坑深度不明顯。以350 m/s為例，此時顆粒沖擊基體基本未形成凹坑，這會影響顆粒與基體的結(jié)合強度。值得注意的是（如圖11c所示），在顆粒速度達(dá)到500 m/s時，顆粒的邊緣材料向上翹曲，而不是像其他顆粒一樣緊貼于基體，且向兩邊鋪展。說明此時顆粒變形劇烈，發(fā)生了嚴(yán)重的金屬射流，可能出現(xiàn)絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象[27]，使得顆粒與基體有效結(jié)合，有利于顆粒與基體的牢固結(jié)合，保證了涂層的結(jié)合強度。

為了驗證上述模擬速度對顆粒變形的效果，HVOF顆粒速度由煤油與氧氣提供，這里選取了3種不同工藝參數(shù)，如表3所示。利用3種不同工藝參數(shù)制備涂層，顆粒沖擊基底的SEM形貌如圖12所示。當(dāng)采用工藝參數(shù)3時，由于氧氣和煤油的流量較小，顆粒在燃燒室內(nèi)獲得的速度較小，使得顆粒沖擊在基底上，下端未發(fā)生明顯的金屬射流現(xiàn)象，如圖12a所示。當(dāng)采用工藝參數(shù)2時，由于氧氣和煤油的流量增大，顆粒獲得速度增大（如圖12b所示），可以發(fā)現(xiàn)顆粒下端部分出現(xiàn)金屬射流現(xiàn)象。當(dāng)采用工藝參數(shù)1時，獲得速度再次增大（如圖12c所示），可以清晰地觀察到顆粒明顯出現(xiàn)金屬射流現(xiàn)象。由于速度過大，顆粒材料發(fā)生了裂開現(xiàn)象。說明顆粒速度越大，變形越明顯，且金屬射流現(xiàn)象更嚴(yán)重，發(fā)生了絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，保證了顆粒與顆粒、基底的有效結(jié)合。

為了進(jìn)一步說明顆粒速度對沉積特性的影響，模擬了顆粒速度對不同因素的影響，如圖13所示。由圖13a～b可知，顆粒壓縮率和沉積坑深度均逐漸增加。隨著顆粒初始速度的增加，依據(jù)動能定理，初始動能越大，則顆粒沉積在基底表面時的動能轉(zhuǎn)化為更多的應(yīng)變能，所以顆粒的變形程度更大。同時，這將對基體造成更大的沖擊，從而增大基底塑性變形的程度，應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為熱能，提升了基底溫度，促進(jìn)了基底的軟化，進(jìn)一步增大了沉積坑深度。由此可見，提升顆粒的初始速度、增大基底軟度將加深沉積坑的深度，促進(jìn)顆粒的壓縮變形，增大顆粒與基體的結(jié)合面積。同時，還彌補了沉積不規(guī)則造成的孔隙，提高了涂層的致密度[27]，使得涂層均勻平坦，從而獲得了理想的涂層。

圖11 不同速度下的等效塑性應(yīng)變形云圖

表3 不同工藝參數(shù)

Tab.3 Different process parameters

圖12 不同速度下4 000倍SEM圖

圖13 顆粒速度對不同因素的影響曲線

為了驗證結(jié)論，即顆粒速度越大，顆粒越扁平，形成的涂層越致密，孔隙率越低，這里同樣采用3種不同工藝參數(shù)制備涂層（表3），以考察顆粒速度對涂層形貌、孔隙及厚度的影響。由圖14a～b可以看出，在顆粒速度較小時，制備的涂層表面形貌呈現(xiàn)凹凸不平狀態(tài)，存在許多無變形顆粒。如圖14c所示，當(dāng)速度進(jìn)一步增至500 m/s時，獲得的涂層更均勻平坦，且未見未變形小顆粒。這主要歸因于顆粒的速度越大，變形越充分。如圖14d～f所示，隨著速度的增大，涂層越均勻，孔隙率越低。在顆粒速度較小時，涂層的孔隙和凹凸坑較多，這與前文的模擬結(jié)論一致。由圖14g～i可以看出，顆粒的速度越大，涂層的厚度越厚，在速度較小時制備的涂層的厚度越薄。這主要是因為速度小的顆粒未牢固地沉積在基底上，導(dǎo)致部分顆粒發(fā)生了回彈[28]。

2.4 多顆粒重疊沖擊基底的特性

目前，一些研究者認(rèn)為后續(xù)顆粒的影響在涂層的沉積和結(jié)合中起著重要作用[29-30]。在傳統(tǒng)的金屬基底熱噴涂沉積中，一般需要預(yù)熱基底，這是為了減少熱膨脹帶來的應(yīng)力問題。同時，當(dāng)顆粒的沖擊速度超過臨界速度時，基底表面會形成致密的涂層。第1層金屬顆粒與金屬基底發(fā)生了較大的塑性變形，較軟的材料因絕熱剪切失穩(wěn)產(chǎn)生了類似金屬射流[31]。然而，對于沉積在金屬基底表面的金屬顆粒，由于塑性變形產(chǎn)生的熱量使得沖擊接觸局部區(qū)域出現(xiàn)熱軟化，進(jìn)一步降低了顆粒的模量，因此隨后沖擊的顆粒同時影響了先前的顆粒和基底。

為了研究多個顆粒重疊沖擊基底的沉積特性，模擬了顆粒數(shù)量為1～4時的沖擊基底特性，如圖15所示。在初始速度為450 m/s、顆粒溫度為1 100 K時，將30 μm的顆粒沉積在基底（450 K）上的等效塑性云圖如圖15所示，在顆粒的連續(xù)沖擊下，顆粒與基底的接觸面積逐漸增大，這對于提高顆粒在基底上的附著力有著積極作用。同時，處于涂層底部的顆粒受到后續(xù)顆粒的連續(xù)沖擊下，壓縮效果更加明顯；顆粒間的空隙也會因后續(xù)顆粒的沖擊變得更加夯實，涂層更加致密；處于涂層中間的顆粒也會在后續(xù)顆粒的沖擊下再次變形，但變形程度小于底部顆粒，因此涂層相對稀疏；在涂層表面的顆粒因被沖擊的次數(shù)較少，所以變形最弱，存在空隙區(qū)域未被夯實的現(xiàn)象，所以涂層最稀疏。另外，等效塑性應(yīng)變逐漸增大，但第4個顆粒沖擊完成時等效塑性應(yīng)變略微下降，說明前3個顆?；貜梽幽苈源笥诘?個顆粒沖擊動能。沖擊時的等效塑性應(yīng)變數(shù)值曲線與沉積深度柱狀圖如圖16所示。

圖14 不同工藝參數(shù)制備的涂層

由圖16a可知，單個顆粒時的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.619 MPa，4個顆粒時的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.069 MPa。隨著連續(xù)受沖擊顆粒數(shù)量的增加，后一個顆粒對第1個顆粒的影響逐漸減小，其中在沉積過程中第1個顆粒的塑性變形最小。在2個顆粒的沖擊下，基底和顆粒的塑性變形均增大。另外還可看出，當(dāng)連續(xù)4個顆粒沖擊發(fā)生時，顆粒的最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)減緩趨勢，然而基底的最大等效塑性應(yīng)變在第2個顆粒沖擊時趨于穩(wěn)定。這是因為第4個顆粒沖擊動能的增加轉(zhuǎn)化為4個顆粒的塑性變形變小。由圖16b可知，在顆粒的連續(xù)沖擊下，沉積深度不斷增加，其中第2個顆粒的沉積深度增加的趨勢最大，隨后逐漸變緩，說明后續(xù)的顆粒沖擊對第1個顆粒的作用越來越小。

在多顆粒重疊沖擊時，基底表面溫度分布輪廓云圖如圖17所示。如圖17a所示，從基底來看，最高溫度區(qū)主要出現(xiàn)在顆粒接觸區(qū)域。在單個顆粒的情況下，最高溫度為576.9 K，最高溫度區(qū)的寬度約為18.1 μm。如圖17b所示，在2個顆粒沖擊情況下，顆粒的最高溫度為876.4 K，該區(qū)域的寬度約為21.7 μm。在隨后的顆粒沖擊后，最高溫度分別達(dá)到866.4、855 K，這與第2種情況無太大差異?？梢缘贸鼋Y(jié)論，后續(xù)顆粒沖擊對基底溫度基本無影響。

圖15 多顆粒重疊沖擊基底等效塑性云圖

圖16 4顆粒連續(xù)沖擊時塑性應(yīng)變與沉積深度

圖17 基底溫度的變化

在4個顆粒連續(xù)沖擊基底表面時，第2個顆粒的等效塑性應(yīng)變變化最明顯，且對基底的影響最顯著。第2個顆粒的沖擊可以增大金屬顆粒的塑性變形，從而使顆粒局部熱軟化。這會降低顆粒材料的應(yīng)變硬化，從而增大顆粒的塑性變形能力，增大第1個顆粒的壓縮效果，促進(jìn)顆粒與顆粒之間的后續(xù)黏結(jié)。

2.5 多顆粒隨機沉積特性分析

目前，針對熱噴涂數(shù)值模擬的研究主要集中在單顆粒沉積數(shù)值模擬方面，對于多顆粒隨機沖擊的研究主要為有規(guī)律排列的相同粒徑顆粒沖擊模型。研究單顆粒沉積數(shù)值對于冷噴涂工藝具有一定的指導(dǎo)意義，但是實際噴涂情況較復(fù)雜。在制備涂層時，金屬粉末被加速后撞擊在基底上，在第1層顆粒撞擊基底后，下一層顆粒的撞擊不僅會與基底而且會與嵌入其中的顆粒相互作用。對于熱噴涂，涂層的形成主要依靠顆粒的塑性變形和殘余應(yīng)力相互機械互鎖，所以研究后續(xù)顆粒的隨機沖擊對于涂層的沉積機理有著重要的意義[15]。

在實際噴涂過程中，由于顆粒的尺寸、位置都是隨機的，所以多顆粒沉積特性的數(shù)值模擬可以借助SolidWorks，并根據(jù)顆粒的粒徑分布指定顆粒的位置，以隨機生成多顆粒模型。不同粒徑顆粒的速度和溫度如圖3c所示[17]?；捉缑嫣幍耐繉宇w粒如圖18所示。由圖18a可知，在400 ns時，在沉積過程中距離基底較近的顆粒已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形，顆粒下端部分嵌入基底內(nèi)部，可能會形成機械連鎖，從而提升涂層的結(jié)合強度。金屬材料還會向四周形成射流，等效塑性應(yīng)變?yōu)?.964 MPa。在過高速度的沖擊下，會使顆粒與基底產(chǎn)生侵蝕作用，這不利于在較薄的基底上制備涂層。在顆粒的不斷沖擊下，進(jìn)行到800 ns時（如圖18b所示），顆粒形成的金屬射流已經(jīng)發(fā)生了材料斷裂現(xiàn)象。此時，在涂層內(nèi)相鄰顆粒之間觀察到高塑性應(yīng)變，表明涂層顆粒黏結(jié)，進(jìn)一步保證了涂層的結(jié)合強度。這是因顆粒的溫度過高，以及在高速度下與基底發(fā)生了碰撞。然而，金屬顆粒材料濺射部分與基底的接觸面積第2次增加，但濺射部分并未與基底發(fā)生沖擊，無法形成范德華力，所以濺射部分材料不能增加顆粒與基底的結(jié)合強度[32]。在1 200 ns時（圖18c），基于累積效應(yīng)，最先沖擊的金屬顆粒與基底接觸界面部分進(jìn)一步軟化，而基底部分出現(xiàn)過度變形和熱膨脹，可能會被擠壓到涂層顆粒之間的間隙中。同時，多顆粒的隨機沖擊使得間隙變小。在1 600 ns時（圖18d），在過高速度的沖擊下，顆粒完全從圓球形壓縮成液滴狀，從而形成涂層。金屬材料濺射斷裂現(xiàn)象越嚴(yán)重，則顆粒與顆粒之間的間隙越小。在后續(xù)噴射顆粒的沖擊和沉積下，填充顆粒的形狀不規(guī)則，顆粒未很好地壓縮變形，此時顆粒的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.756 MPa。

前面運用ABAQUS觀察了涂層顆粒的變化情況。為了更清楚地了解涂層表面的真實情況，利用JP800型的HVOF工藝設(shè)備制備出Ni基涂層，可見涂層表面呈現(xiàn)不規(guī)則形貌，如團(tuán)聚、凹坑和未熔融粉末顆粒等不理想沉積形貌。這里借助SEM觀察了涂層在不同倍數(shù)下的表面形貌，如圖19所示。如圖19a所示，在SEM 500倍下可以清晰地看到涂層顆粒在變形后形成了許多孔隙，還有未熔融的顆粒，形成了凹凸不平的表面形貌。為了了解顆粒變形是否充分，在SEM 2 000倍下進(jìn)行觀察（圖19b），可清晰地看到經(jīng)過火焰后，涂層部分顆粒獲得的速度較低，溫度較低，沖擊基底時變形得不充分。同時，也有部分較小顆粒獲得的速度和溫度較高，在沖擊基底后形成液滴狀，且顆粒之間互相黏結(jié)，如圖19c所示。同時，涂層材料發(fā)生斷裂及濺射現(xiàn)象，并附著于涂層表面，如圖19d所示。

圖18 多顆粒隨機沉積等效塑性應(yīng)變云圖

圖19 涂層顆粒表面SEM圖

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了鎳金屬顆粒在HVOF過程中對304不銹鋼基底的沖擊行為，得出以下結(jié)論。

1）沖擊模型網(wǎng)格越細(xì)，計算精確度越高，但是付出的時間成本越大。文中得出最合理的網(wǎng)格數(shù)量為1 752 912。通過實驗驗證了沖擊模型，20 μm的顆粒沖擊基底的能量較小，與基底的結(jié)合力較差；40 μm的顆粒沖擊基底的能量較大，顆粒與基底的結(jié)合良好。

2）在顆粒入射角從15°增至45°時，顆粒與基底左側(cè)出現(xiàn)間隙，這將減小顆粒與基底的結(jié)合強度。當(dāng)顆粒入射角升至60°時，顆粒緊密黏結(jié)在基底上，對基底結(jié)合強度的增強效果明顯。當(dāng)顆粒速度從300 m/s升至500 m/s時會發(fā)生濺射現(xiàn)象，在這種情況下可能會發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象，使得顆粒與基底有效結(jié)合。此外，在顆粒速度為500 m/s時，所形成涂層的截面孔隙率最低。當(dāng)4個顆粒沖擊基底時，第2個顆粒在沖擊完成時，顆粒和基底的等效塑性應(yīng)變升至最大值，分別為4.047、1.47 MPa，沉積深度的變化趨勢最大。同時，基底溫度升至最大值（876.4 K）。在后續(xù)顆粒沖擊完成時，其塑性應(yīng)變與基底溫度的變化很小。說明第2個顆粒對第1個顆粒及基底的沖擊最明顯，這有利于顆粒與顆粒之間的后續(xù)黏結(jié)。

3）當(dāng)多顆粒隨機沖擊基底時，首先達(dá)到基底的顆粒發(fā)生了嵌入和濺射現(xiàn)象，表明鎳顆粒與基底的結(jié)合為機械咬合。同時，在顆粒的不斷沖擊下，顆粒與顆粒之間發(fā)生了劇烈的塑性應(yīng)變，且相互黏結(jié)。此外，通過實驗和仿真對比可知，在后續(xù)顆粒的沖擊和沉積下，填充顆粒的形狀不規(guī)則，顆粒未得到較好的壓縮變形，形成了一層孔隙較高且不平坦的金屬涂層。

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Numerical Simulation of Particle Deposition Behavior of Ni-based Coatings by High-velocity Oxy-fuel Spraying

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(School of Mechanical Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Hunan Xiangtan 411105, China)

In order to explore the deposition characteristics of thermal spraying coating particles, it is necessary to consider the effect of subsequent random impact of particles with different particle sizes. In the research related to deposition characteristics of coating particles, many researchers mainly focus on the particles with the same particle size to impact together in neat rows. However in the actual spraying, the powder particles are interval powders, with particles with different particle sizes, and the impact on the substrate is also random. Therefore, few people consider this problem. In this work, a particle and substrate impact model was established in ABAQUS to study grid convergence based on dent depth and stress distribution of particle impact. At the same time, the reliability of the model was verified by experiments. Then, the deposition characteristics of the substrate impacted by particles at different incident angles, and the deposition characteristics when four particles continuously overlapped and impacted the substrate and multiple particles randomly impacted the substrate surface were analyzed with the validation model.The optimal grid number of the sediment model was 1 752 912, which not only reduced the calculation cost, but also obtained accurate results. The particle with a particle size of 20 μm had a large impact speed, but a large resilience, and poor adhesion to the substrate. The particle with a particle size of 40 μm had a moderate speed, but a large impact energy, so it had a good interface with the substrate. The incident angle of particles increased from 15° to 60°, and the particles were better attached to the substrate surface, when the particle velocity increased from 350 m/s to 500 m/s, sputtering may occur, which may cause adiabatic shear instability and form effective bonding. When four particles impacted the substrate, the deformation of the second particle and its effect on the substrate were the most obvious. When multiple particles with different particle sizes impacted the substrate at random, the shape of the filling particles was irregular due to the impact and deposition of subsequent particles, and the first layer of particles may form a mechanical bite with the substrate. Thermal spraying should be inclined at a certain angle and increased at a certain speed, which can expand the contact area between particles and substrate. At the same time, the deposition depth increases continuously to enhance the adhesion, so it is more conducive to the preparation of the coating. When the particles overlap and impact, the subsequent particles make the first particle increase the compression effect and embed more deeply into the stainless steel substrate, which is conducive to the subsequent bonding between particles and makes the coating more compact. When a number of particles with different particle sizes impact the substrate at random, due to the different initial velocities and temperatures obtained by the subsequent particles in the thermal spraying gun tube, the particles impact and deposit in the later stage, and there is no good flatness or deformation. At the same time, high plastic strain is observed between the first layer of deposited particles and the substrate, as well as between adjacent particles in the coating. This situation indicates that the coating is bonded, so it is necessary to increase the full combustion of oxygen and kerosene to fully soften particles with different particle sizes during the actual thermal spraying. At the same time, the best efforts should be made to obtain higher speed under the gun barrel air pressure. When impacting the substrate, it can be completely deformed, so as to obtain an ideal high-quality coating.

high-velocity oxy-fuel spraying; mechanical occlusion; multi particles; overlapping impact; ABAQUS simulation.

2022-10-26；

2023-03-02

TG174.44

A

1001-3660(2023)10-0321-14

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.028

2022-10-26；

2023-03-02

國家自然科學(xué)基金面上項目（52175191）；湖南省“荷尖”創(chuàng)新人才工程項目（2022RC1033）

National Natural Science Foundation of China (52175191); Hunan Province "Lotus Tip" Innovative Talent Project (2022RC1033)

許耀飛, 劉思思, 楊正航, 等.超音速火焰噴涂鎳基涂層顆粒沉積特性的數(shù)值模擬[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(10): 321-334.

XU Yao-fei, LIU Si-si, YANG Zheng-hang, et al. Numerical Simulation of Particle Deposition Behavior of Ni-based Coatings by High-velocity Oxy-fuel Spraying[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 321-334.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：彭颋