镍及其包覆颗粒的冷喷涂沉积特性
作者单位：重庆大学
学位级别：硕士
导师姓名：王锋
授予年度：2021年
学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）]
摘 要：冷喷涂技术由于其众多优点,在材料表面改性领域的应用越来越广泛。冷喷涂是利用低温高压载气将喷涂颗粒加速至临界速度以上后撞击基板,依靠喷涂颗粒和基板材料本身的塑形变形能力产生结合后沉积形成涂层的技术,喷涂过程中颗粒一直保持固态。与热喷涂工艺不同,冷喷涂过程中,喷涂颗粒一直保持较低温度,高温氧化、相变、分解等不良影响能够得到最大程度的避免,从而能够保留材料原始的物理和化学特性。比如氧化敏感材料在缩放喷管里被载气加速时能最大程度地避免材料发生氧化,从而使得冷喷涂在制备纯净无氧化涂层领域中比热喷涂具有更大优势。这些特性使得冷喷涂技术在很多工程领域有广泛应用的前景。然而,考虑到冷喷涂过程的超音速特点,颗粒沉积及其与基板的结合机理较为复杂;由于碰撞过程持续时间极短,难以观察到整个变形过程。因此,数值方法对冷喷涂沉积过程的研究具有重要意义,它们提供了精确的应力、应变、温度分布和变形区域的细节,这是很难通过实验测量的。鉴于镍基涂层是一种广泛应用的涂层材料,论文采用有限元数值模拟与实验相结合,系统地研究了镍及其包覆颗粒在不锈钢基板上的碰撞过程及沉积机理,以期获得冷喷涂技术制备镍基涂层的关键影响参数和颗粒沉积特性,本文主要开展的工作包括:本文首先采用低压冷喷涂设备在不锈钢基板上制备了镍涂层,并采用光学显微镜、扫描电镜等对涂层形貌进行表征,为后续数值计算结果作验证和分析。最后采用有限元数值分析方法,选取合适的材料模型,建立Cu颗粒与20steel基板碰撞过程的物理模型,分析了铜颗粒在不同速度下的温度分布等沉积特性,与文献实验结果比较;验证计算方法和过程的准确性。采用有限元ABAQUS软件建立三维欧拉模型,研究了镍颗粒初始速度、喷涂角度、颗粒和基板预热温度对冷喷涂镍颗粒与20steel基板的碰撞过程及其沉积机理的影响。结果表明提高镍颗粒初始速度可促进颗粒和基板塑形变形,分析最大稳定塑形应变随入射速度的变化规律得到镍颗粒能够成功沉积在20steel基板上的临界速度约为480m/s;当颗粒以非垂直角度撞击基板时,高应变区和高温区集中于一侧,降低了颗粒与基板的结合强度;而颗粒和基板预热均能促进其热软化效应,对颗粒在基板上的有效沉积有利;多颗粒计算结果显示增大颗粒初始速度有益于增强涂层中沉积颗粒间的机械咬合。进一步研究了预包覆金属铝和铜涂层的镍颗粒在20steel基板上变形行为及沉积机理。结果表明预包覆金属铝涂层的镍颗粒与基板发生碰撞时,首先产生塑性变形的是铝包覆层,镍颗粒形变轻微,铝包覆层与基板接触界面两侧变形最为剧烈;铝包覆膜被颗粒和基板剧烈挤压发生断裂并进一步形成金属射流。多颗粒计算结果显示铝包覆层产生剧烈塑形变形而形成明显的射流,填充于涂层中镍颗粒之间的间隙;且增大颗粒初始速度也有利于增强涂层的结合。而预包覆铜金属层的镍颗粒在入射速度为400 m/s时,颗粒与基板接触边缘也发生金属射流,射流结构由包覆材料以及基板材料组成;当颗粒入射速度提高为400～500m/s时,铜包覆层尚完整,而当入射速度增加到600m/s时,铜包覆层在镍颗粒变形挤压作用下与接触基板界面处发生断裂。包覆层的加入有利于镍颗粒的冷喷涂沉积。
同方学位论文库