冷噴涂數值模擬研究現狀及發展趨勢

辛 銳 郭 純 何梓良 魏寶麗 陳 豐

(安徽科技學院機械工程學院，安徽 鳳陽 233100)

冷噴涂技術是利用載氣使顆粒撞擊基板并與基板結合的技術，目前其有著很多的用途，對于其作用過程的研究主要通過數值模擬與試驗結論相結合方式進行，主要有流動場數值模擬和顆粒沉積過程的數值模擬。

1 冷噴涂技術的發展

早在20世紀80年代俄羅斯設立在西伯利亞諾沃西比爾斯克的理論與應用力學研究所就發現了冷噴涂技術[1]，由于其優越的特性[2]，越來越多的人開始研究，目前美國與一些歐洲國家已經開始運用冷噴涂技術到實際工程建設中[3]，我國有很多的國家單位在研究與開發冷噴涂技術，該技術在航空，航天、零件修復、電子等領域有著很好的發展潛力[4]。

2 主要研究成果

2.1 冷噴涂射流流動場數值模擬

噴涂顆粒通過拉伐爾管內載氣的帶動撞擊到基板上，侯宇等人[5]利用RNGK-ε模型對拉伐爾管內超音速流動過程進行了數值模擬，發現拉伐爾管進口的氣體溫度以及壓力對載氣的噴出速度有很大的影響，適當的提高溫度可以提高載氣噴出速度，載氣壓力很難增加，所以一般控制在3.5MPa以內。考慮到溫度對后續顆粒噴涂過程的影響，較大的顆粒噴涂時使用有一定長度直管段的噴管，較小顆粒使用較短直管段的噴管。

趙愛娃等人[6]利用PHOENICS分析軟件進行流動場數值模擬，研究發現噴嘴與基板間距離不宜過大，否則流場會出現壓縮波并影響噴涂效果。在運用雙流體模型的IPSA算法模擬噴涂過程時對不同材料密度和不同顆粒直徑的模擬結果進行了對比，結果顯示當噴涂顆粒材料為鐵時，噴涂氣體為空氣時顆粒直徑為3μm～10μm比較合適，而噴涂顆粒的密度比鐵大時最佳顆粒直徑會略小些，比鐵小時與之相反。在數值模擬過程中基板前約5mm出現處脫體激波，另外經過分析得出矩形口拉伐爾噴嘴比圓嘴好。

高麗娟等人[7]與單相流流體數值模擬結果對比，得出兩相流流體數值模擬分析激波更合理。

張濤等人利用FLUENT模擬軟件模擬了冷噴涂射流流場，發現用FLUENT軟件模擬該過程并優化工藝參數是可行的。在數值模擬過程中發現基板前出現的脫體激波會使溫度升高，而且溫度的范圍對顆粒冷噴涂過程是有利的。通過更換氣體相的材料，認為氮氣適合做冷噴涂氣體，另外他們覺得使用多孔噴嘴對冷噴涂有利。

2.2 冷噴涂顆粒沉積過程數值模擬

高虹等人運用分子動力學模擬分析了Au團簇沉積在Au基板上的過程，得出沉積顆粒的入射速度為300～1200 m/s時，顆粒不會對基板造成嚴重的微觀破壞，而基體表面上的原子會運動到基體表層與沉積顆粒的原子交錯在一起形成向外延伸的原子層，沉積顆粒也逐漸變成橢圓狀，沉積層與基體的結構類似。另外顆粒的粒徑與入射速度對沉積結果有影響。

孟憲明等人使用有限元法模擬了304不銹鋼粒子沉積在FI基板的過程，不同沉積速度的單個顆粒沉積結果的對比顯示增加速度則顆粒的扁平率和碰撞界面接觸面積都會增加。另外當沉積速度大于一定值時，顆粒與基板結合的邊界區域出現熱剪切失穩變形。

李岳等人運用ABAQUS軟件進行有限元模擬，單顆粒子沉積過程使用Lagrange法，運用三維模型研究了溫度、入射角度以及接觸界面摩擦力對沉積結果的影響，發現增加顆粒與基板的初始溫度能使得顆粒與基板更有效地結合，此外銅顆粒與銅基板結合的主要原因不是銅的熔化。而顆粒沉積偏離垂直于基板的角度大于20°時顆粒產生滑移不利于沉積。多顆粒子沉積使用Euler法，發現后續顆粒的夯實作用使得涂層里顆粒呈現內疏外密的分布情況，隨涂層厚度的增加涂層的質量也會提高。在顆粒撞擊基體的過程中會出現濺射現象使涂層的孔隙率變高。另外不同的材料沉積的涂層結構也不一樣。

殷碩等人采用數值模擬和實驗驗證相結合的方式分析了多種工藝參數對冷噴涂過程的影響。對比多種計算模型得出的顆粒沉積模擬結果，他們發現運用二維Lagrange模型進行模擬對網格的要求很高，三維模型模擬的顆粒沉積外貌和實驗結果一致，因此運用三維模型比二維模型更可靠。采用Euier模型對網格的劃分沒有太高的要求，單顆粒與多顆粒的沉積結果也與實驗結果一致，但是顆粒沉積后的外貌不清晰。繼李岳之后發現涂層上的顆粒呈內疏外密與粒子間的相互作用有關。更換基板的材料進行鈦顆粒沉積過程的數值模擬，基體的硬度對顆粒沉積的結果有影響，較軟的基體，顆粒沉積的時候易陷進基體里形成厚涂層，對于較硬的基體則涂層較薄。

楊攀等人對硅顆粒沉積過程進行了數值模擬，通過建立二維Lagrange模型模擬沉積過程，當選取不同的入射速度時發現速度大于一定值時沉積后顆粒與基板結合的邊界外圍會出現“缺口”。模擬多個硅顆粒沉積時發現涂層存在很大的空隙，多噴幾次可以提高涂層質量，若減小硅顆粒的尺寸，可提高顆粒沉積的效率。在此處他們選取銅基板，載氣溫度使得銅基板發生變形，隨之沉積效率也會有所提高，但是對硅顆粒的形貌影響不大。另外硅顆粒與銅基板的結合方式是機械結合。

趙明等人運用ABAQUS軟件模擬了鋁合金顆粒沉積在鎂合金基板的過程，觀察發現顆粒沉積的結果也受到顆粒形貌的影響，基板的表面特性對沉積結果也有一定的影響。

3 結語與展望

由于自身優越的特性，冷噴涂技術已經開始運用到一些加工制造上，對于其運用的更多方向還有待發現。目前冷噴涂數值模擬主要研究的是顆粒沉積過程的變形問題，還需要對噴涂顆粒與基板結合的機理進行研究，某些材料的顆粒與基板可能存在幾種不同的結合機理有待研究討論，對于噴涂裝備的設計與開發還要繼續，特殊材料的噴涂過程的研究也是一研究方向，相信數值模擬技術的不斷發展將更準確地對冷噴涂過程進行研究。