反应等离子喷涂TiCN熔滴沉积行为的研究

作     者：郭方方 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何继宁

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）] 

主      题：熔滴 数值模拟 沉积 铺展 凝固 

摘      要：反应等离子喷涂技术是近年来迅速发展的涂层制备的一种新型热喷涂技术,它结合了自蔓延高温合成(SHS)与传统等离子喷涂技术的特点,可以用来制备陶瓷涂层,因此具有广阔的应用前景。近些年来,采用反应等离子喷涂技术制备的Ti CN涂层因其优异的性能(高硬度和耐磨性),在机械零件的防护方面具备独特的优势。涂层是通过液滴的连续堆积而形成的,因而涂层质量与熔滴的沉积行为有关。熔滴的沉积行为主要包括熔滴撞击基体后的铺展和凝固过程。研究表明,熔滴撞击基体前的状态以及基体条件是影响液滴沉积的重要因素。本文借助数值模拟和试验相结合的方法分析单个和多个Ti CN熔滴的铺展凝固过程,通过研究各参数(喷涂距离,初始直径,基体材料和温度)对单个熔滴变形凝固过程的影响,结合多个熔滴的沉积过程,为提高反应等离子喷涂Ti CN涂层质量提供理论支撑。本文研究了喷涂距离(80 mm,100 mm和110 mm)和初始直径(14μm,18μm和24μm)对Ti CN熔滴凝固成形的影响。喷涂距离主要通过熔滴温度和速度影响熔滴的沉积形貌。随着喷涂距离和初始直径的增加,熔滴的铺展形态逐渐趋近圆盘状。其中,喷涂距离为110 mm时,熔滴的铺展形态较好。初始直径为24μm熔滴的铺展形态为圆盘状。试验结果与模拟得出的规律相符。研究了基体材料(Al和45钢)和基体温度(298 K,398 K和573 K)对Ti CN熔滴沉积过程的影响。结果表明:熔滴在Al基体竖直方向上的传热距离大于45钢,但熔滴在45钢基体上的铺展率大于Al基体。试验中在45钢基体上沉积的层片更薄。随着基体温度的增加,熔滴的铺展率增加。当温度为573 K时,熔滴的铺展率最大。但在实际喷涂过程中,基体温度过高(573 K),容易造成氧化,不利于涂层质量。本文在单个Ti CN熔滴的基础上又继续探究了熔滴间的相互作用及影响。结果表明:两熔滴平行撞击不同基体(Al和45钢)铺展过程中的表面形态变化相似。在两熔滴撞击处产生大量二次液滴,且两个熔滴的交互部位厚度较高。两平行熔滴撞击至凝固层片上,对凝固层片形态的变化影响很小。垂直两熔滴撞击基体形成中间厚边缘薄的不规则形貌。小熔滴在凝固层片上铺展的表面形态和凝固时间与凝固层片的温度有关。涂层的结晶规律与通过数值模拟方法得到的温度场云图显示的温度变化规律基本相符。