冷氣體動力噴涂技術中顆粒的噴涂速度對沉積效果的模擬研究*

劉陳光，漆 波，楊 林

(南華大學機械工程學院，湖南衡陽 421001)

0 引言

冷氣體動力噴涂是近年來發展起來的一種新的噴涂方法，受到的關注越來越大，國內外學者對其進行了很多研究。大連理工大學李剛等研究了冷噴涂中顆粒的入射角度對沉積效果的影響，研究表明:隨著入射角度的增加，顆粒的沉積深度減小，結合強度減弱［1］。西北工業大學李文亞等研究了顆粒與基板的碰撞行為，研究表明:顆粒的噴涂速度對顆粒與基板變形及接觸界面溫度升高影響很大［2］。重慶大學周新晶等研究了顆粒的材料性能對冷噴涂涂層的影響，研究表明:顆粒與基板的材料性質是影響涂層質量的重要因素［3］。Assadi H等研究了顆粒噴涂基板的過程中顆粒要滿足最小的臨界速度，否則無法完成沉積［4］。本文通過研究顆粒在不同的噴涂速度下，建立所需數學模型，對顆粒與基板的沉積過程利用ANSYS進行了模擬分析，分析了噴涂速度對涂層形成的影響。

1 計算模型

同樣采用ANSYS/LS-DYNA對碰撞過程進行模擬。基于動量、質量和能量三個守恒的基本方程之上，采用Lganarge算法進行顯示離散求解。忽略重力的影響。為方便觀察，這次模擬采用整個二維模型進行計算。采用ANSYS/LS-DYNA中自動單面二維接觸來求解碰撞過程。采用二維軸對稱模型。取粒子直徑為20 um的球體，基體模型半徑為200 um，高度200 um。把基體底邊看為固壁，限制此邊界上所有節點Y方向上的位移。其他所有邊界看做自由邊界。有限元網格劃分采用二維4節點薄殼單元，面內中心單點積分。劃分結果如圖1所示。

圖1 網格劃分示意圖

顆粒與基板材料都選用銅材料，所用Cu材料各項性能參數如下:密度值(DENS)為8 900 kg/m3，楊氏模量(EX)為117 GPa，泊松比(NUXY)為 0．35，屈服應力值(Yield Stress)為100 MPa，切向模量(Tangent Modulus)為400 MPa，應變強化系數B(beta)為0．5，應變率強化系數C和P都為100。

2 模擬結果與分析

本文進行了Cu粒子速度從300～800 m/s跨度以100 m/s為遞增單位的碰撞過程模擬，不同速度下碰撞的應變如圖2所示。

圖2 不同碰撞速度下粒子與基板的應變

從圖2可看到在顆粒與基板的模擬噴涂速度的碰撞過程中，顆粒與基板的碰撞發生了很大的塑性變形，因此我們這里引入扁平率的概念進行分析，顆粒的扁平率是顆粒在基板表面沉積變形后，其過程中產生的最大的直徑變形量與顆粒的開始的直徑量的比值。從速度300～800 m/s的變化過程中，Cu顆粒的扁平率逐漸增加，在基板表面的坑深不斷遞進，顆粒與基板的碰撞面積也在逐漸擴大。在上圖中我們可以清楚的看到300 m/s和400 m/s的時候顆粒與基板的變形情況不是那么的劇烈，顆粒與基板接觸的底部可以發現有一些間隙，說明兩者的結合強度不夠，但是在500～800 m/s期間變形情況逐漸增加，變得劇烈，顆粒與基板的四周開始出去一些濺射情況，顆粒的扁平率能更好的滿足要求，因此顆粒的噴涂速度必須達到一定的速度要求，達到顆粒噴涂材料表面，材料所要達到的性能要求，滿足涂層制備的要求。

顆粒與基板碰撞后，基板表面會形成凹坑，可以用其深度來反應碰撞過程中基體的變形行為，凹坑深度也是影響顆粒沉積效果的重要因素，利用后處理軟件對坑深數據進行處理，結果匯總于表1。

為了方便后面的討論，現可以用坑深與原始粒子直徑的比值這樣一個無量綱量來描述碰撞過程中基體的塑性變形大小。即無量綱坑深=坑深/原始粒子直徑，圖3是粒子垂直碰撞基體條件下，無量綱坑深隨速度的變化關系圖。

表1 不同速度下凹坑深度

圖3 粒子垂直碰時無量綱坑深與速度的關系

從圖3中可以看出，隨著粒子入射速度的增加，無量綱坑深也增加，二者之間幾乎存在線性的變化關系。由此可見，粒子入射速度越大，在基體上形成的凹坑就越大，基體的塑性變形就越劇烈。

3 結論

(1)顆粒與基板碰撞過程中發生了劇烈的塑性變形，金屬顆粒由原來的球形變成橢圓形并呈扁平狀，顆粒與基板碰撞的四周有明顯的濺射現象，出現不規則狀。噴涂速度增加，界面接觸面積增加。

(2)顆粒的噴涂速度要達到一定的要求，否則顆粒與基板的結合存在間隙，導致結合不緊密。噴涂速度與無量綱深兩者之間幾乎存在線性關系，顆粒入射速度越大，基板上形成的凹坑越深。

［1］ 李 剛，王曉放．粒子入射角度對冷噴涂涂層形成的影響［J］．爆炸與擊，2007，27(5):478-480．

［2］ 李文亞，李長久．冷噴涂Cu粒子參量對其碰撞變形行為的影響［J］．金屬學報，2005，41(3):282-286．

［3］ 周新晶，唐經文．粒子的材料特性和入射角度對冷噴涂涂層形成的影響［J］．功能材料，2010(2):440-444．

［4］ Assadi H，Gartner F，Stoltenhoff T，et al．Bonding mechanism in cold gas sparying［J］．Surf Coat Technol，2003(51):379-394．