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冷喷涂铜颗粒沉积过程及残余应力的数值研究

材料保护 2024年第5期57卷 1-9页

作者：何超刘灿森孙澄川卢静邓碧欣广东工业大学材料与能源学院广东广州510000 广东省海洋能源装备先进制造技术重点实验室广东广州510006 季华实验室功能涂层与再制造研究中心广东佛山528200

为了探究冷喷涂过程中颗粒的加速和变形行为,采用有限元方法模拟了不同粒径铜颗粒在Laval喷枪内的加速过程,并通过粒子图像测速验证模拟结果的准确性。采用耦合欧拉-拉格朗日方法,借助Python语言建立多颗粒碰撞模型,模拟铜颗粒的沉积过... 详细信息

为了探究冷喷涂过程中颗粒的加速和变形行为,采用有限元方法模拟了不同粒径铜颗粒在Laval喷枪内的加速过程,并通过粒子图像测速验证模拟结果的准确性。采用耦合欧拉-拉格朗日方法,借助Python语言建立多颗粒碰撞模型,模拟铜颗粒的沉积过程并分析铜涂层的残余应力。颗粒加速模拟结果表明:在相同喷涂条件下,颗粒粒径越大,速度越小。模拟计算得到的颗粒速度分布与实际喷涂中的速度分布接近,平均值相差3.5%。在3 MPa、723 K条件下,模拟了颗粒在不同时刻的碰撞过程,已沉积的颗粒受到后续颗粒的夯实作用,颗粒剧烈变形并填充已沉积颗粒间的孔隙,形成致密的涂层。多颗粒碰撞模型模拟得到的涂层残余应力值(-57.02 MPa)与实际测量值(-42.68 MPa)接近,故该模型能够反映涂层的形成过程及内部残余应力分布。

关键词：冷喷涂数值模拟颗粒速度颗粒图像测速残余应力

镁合金表面沉积Al-Al_(2)O_(3)/AT13复合涂层及其耐磨耐蚀性能研究

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材料保护 2024年第6期57卷 1-7页

作者：熊凡奇揭晓华卢静孙澄川邓碧欣广东工业大学材料与能源学院广东广州510006 季华实验室广东佛山528255

为了提高镁合金的耐磨耐蚀性并拓展其应用领域,首先采用冷喷涂法在镁合金基体表面沉积一层Al-20%(质量分数)Al_(2)O_(3)(缩写:Al-Al_(2)O_(3))涂层作为复合涂层过渡层,然后采用大气等离子喷涂法在其表面制备Al_(2)O_(3)-13%(质量分数)Ti... 详细信息

为了提高镁合金的耐磨耐蚀性并拓展其应用领域,首先采用冷喷涂法在镁合金基体表面沉积一层Al-20%(质量分数)Al_(2)O_(3)(缩写:Al-Al_(2)O_(3))涂层作为复合涂层过渡层,然后采用大气等离子喷涂法在其表面制备Al_(2)O_(3)-13%(质量分数)TiO_(2)(缩写:AT13)面层,从而获得Al-Al_(2)O_(3)/AT13复合涂层。采用扫描电镜分析了过渡层与面层的表面与截面形貌,借助显微硬度仪和万能试验机测定了复合涂层的显微硬度与结合强度,采用摩擦磨损仪测定了复合涂层的摩擦系数与磨损率,利用动电位扫描技术研究复合涂层在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明:Al-Al_(2)O_(3)过渡层与AT13面层的显微硬度分别为(42.3±13.7) HV_(0.1)、(838.8±87.6) HV_(0.1),Al-Al_(2)O_(3)/AT13复合涂层结合强度为31.2 MPa;在40 N载荷和10 min的磨损条件下,复合涂层的稳定摩擦系数与磨损率为0.74、5.94×10^(-5 )mm^(3)/(N·m),与镁合金基体[1.89×10^(-4) mm^(3)/(N·m)]相比,磨损率减少了68.6%;在经过30 min的3.5%NaCl溶液浸泡后,复合涂层的腐蚀电位为-927 mV,腐蚀电流密度为1.81×10^(-5) A/cm^(2),与镁合金基体相比,腐蚀电位增大了742 mV,腐蚀电流密度下降了1个数量级。

关键词：冷喷涂等离子喷涂镁合金复合涂层耐磨性耐蚀性

真空冷喷涂BaTiO_(3)颗粒加速过程研究

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材料保护 2024年第4期57卷 140-148,162页

作者：邓碧欣孙澄川卢静吴应东路腾张咪娜季华实验室功能涂层与再制造研究中心广东佛山528200 中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315000

以BaTiO_(3)陶瓷颗粒为例,模拟了在不同真空冷喷涂工艺参数下的加速过程,探讨了工艺参数对颗粒速度的影响,并通过粒子成像测速装置进行验证,最后采用真空冷喷涂制备了BaTiO_(3)陶瓷涂层并测试涂层性能。模拟结果表明:颗粒速度随着气体... 详细信息

以BaTiO_(3)陶瓷颗粒为例,模拟了在不同真空冷喷涂工艺参数下的加速过程,探讨了工艺参数对颗粒速度的影响,并通过粒子成像测速装置进行验证,最后采用真空冷喷涂制备了BaTiO_(3)陶瓷涂层并测试涂层性能。模拟结果表明:颗粒速度随着气体压力和气体预热温度的增大而增大;在相同气体压力和预热温度下,颗粒粒径越小受弓形激波的影响越大;多颗粒的加速规律与单颗粒相似。粒子成像测速结果表明在0.2 MPa、300 K或373 K条件下,BaTiO_(3)颗粒速度与模拟结果分别相差约10.2%和8.1%。在该工艺参数下,采用真空冷喷涂制备得到2~3μm连续且致密的BaTiO_(3)涂层,结合力大小为8 N。研究结果表明,数值模拟结合粒子成像测速得到的工艺参数及其影响规律是可靠的,可用于指导柔性陶瓷薄膜的制备。

关键词：真空冷喷涂数值模拟颗粒速度 BaTiO_(3)涂层粒子测速成像

等离子喷涂FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层制备及性能研究

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表面技术 2023年第9期52卷 459-468页

作者：陈东卢静孙澄川吴应东李挺季华实验室广东佛山528200

目的提高风机等机械设备关键部件的耐磨损性能,延长设备的使用寿命。方法以304不锈钢为基体,利用等离子喷涂技术,制备FeCrBC涂层和FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层。采用X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计,分别对涂层... 详细信息

目的提高风机等机械设备关键部件的耐磨损性能,延长设备的使用寿命。方法以304不锈钢为基体,利用等离子喷涂技术,制备FeCrBC涂层和FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层。采用X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计,分别对涂层的微观组织、物相、显微硬度进行表征。利用摩擦磨损试验机,对FeCrBC涂层和FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层的磨损性能进行研究,并分析其磨损机理。结果FeCrBC涂层和FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层表面均由致密光滑区域和较为疏松的半熔融颗粒等组成,涂层与基体结合得较为紧密,界面处无明显裂纹,结合强度较高,2种涂层的结合强度分别为69.5、69.1 MPa。FeCrBC涂层和FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层的显微硬度相当,分别为823.3HV0.1、810.8HV0.1。FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层的磨损体积为0.11 mm^(3),与FeCrBC涂层相比,复合涂层的磨损率减小了38.1%,具有良好的耐磨损性能。FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层的磨损机理主要为磨粒磨损和疲劳磨损。结论复合涂层中TiB_(2)与FeCrBC相和NiAl相的润湿性良好,结合紧密。FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层因其存在均匀分布的TiB_(2)、(Fe,Cr)_(2)(B,C)、(Fe,Cr)_(3)(B,C)等硬质相,显著提高了涂层的耐磨性能。FeCrBC-NiAl-TiB_(2)复合涂层可以有效提高基体的耐磨损性能,具有良好的应用前景。

关键词：大气等离子喷涂复合涂层微观组织涂层性能

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W-Cu复合材料动力喷涂制备及力学性能研究

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W-Cu复合材料动力喷涂制备及力学性能研究

作者：孙澄川北京理工大学

学位级别：硕士

W-Cu复合材料具有强度高、导电和导热性好等特点，广泛应用在电气工业、电子封装及军事工业等领域。由于W和Cu在固态下互不相溶，故在W-Cu复合材料制备时一般需将两者粉末混合后在较高温度下烧结。传统的粉末冶金等工艺在制备形状复杂... 详细信息

W-Cu复合材料具有强度高、导电和导热性好等特点，广泛应用在电气工业、电子封装及军事工业等领域。由于W和Cu在固态下互不相溶，故在W-Cu复合材料制备时一般需将两者粉末混合后在较高温度下烧结。传统的粉末冶金等工艺在制备形状复杂的薄壁结构零件中存在着诸多问题，新型工艺也由于成本高、效率低等原因而进展缓慢。本研究采用冷喷涂制备了纯铜及W-Cu复合涂层，并对涂层进行不同温度的真空热处理，研究了热处理前后涂层组织结构的变化。通过准静态及动态下对涂层加载的方式，测试了涂层的准静态及动态力学性能，并探讨了热处理对涂层力学性能的影响。在此基础上，利用MATLAB及ABAQUS有限元软件确定出基于涂层真实微观组织的建模方法，采用计算细观力学方法研究了涂层微观结构与力学性能之间的关系。研究结果表明喷涂气体种类是影响涂层沉积效率、组织结构及性能的主要因素，氦气制备涂层其沉积效率、致密度及W颗粒含量等要高于氮气喷涂涂层;铜涂层热处理后涂层中的铜颗粒界面出现部分融合，同时涂层内部观察到等轴晶粒，W-Cu复合涂层内部的孔隙逐渐消失，从而其致密度逐渐提高。 Cu涂层的力学性能显示，喷涂态涂层内存在显著的加工硬化，氦气喷涂涂层的屈服强度高于氮气喷涂涂层;经400°C热处理1h后，涂层内的加工硬化得以消除，其动态力学性能与块材之间差异主要源于冷喷涂涂层典型的多界面结构。随热处理温度的升高，W-Cu复合涂层在准静态及动态加载下的屈服强度升高，动态加载下涂层屈服强度及最大应变值均明显高于准静态加载。通过MATLAB编程结合ABAQUS软件建立了基于复合涂层真实微观结构的建模方法，所获得的涂层符合真实涂层中两相含量和分布的统计结果。模拟结果显示，W-Cu复合涂层中，作为增强相的W颗粒内有明显的应力集中，部分W颗粒内部有较高的拉应力;采用周期性边界条件模拟获得的应力-应变曲线与400°C热处理涂层实测力学性能符合较好，准静态及动态加载下屈服强度模拟结果与实测结果的误差分别为12.5%和3%，最大应力值模拟结果与实测相比分别相差约16%和5%;图片尺寸对模拟结果影响不大。

关键词： W-Cu复合涂层动态力学性能计算细观力学有限元方法冷喷涂

冷喷涂Al6061/SiC复合涂层的制备及性能研究

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材料保护 2023年第11期56卷 1-12,76页

作者：邓碧欣孙澄川何超卢静季华实验室功能涂层与再制造研究中心广东佛山528200 广东工业大学材料与能源学院广东广州510000

为提高铝合金在实际应用过程中的服役寿命和可靠性,常需在表面制备涂层以提高其耐磨及耐腐蚀性能。采用不同种类的SiC粉末,利用冷喷涂工艺在Al7075合金基体表面制备了Al6061/SiC复合涂层,并探究了SiC含量和粒径对涂层微观组织、磨损性... 详细信息

为提高铝合金在实际应用过程中的服役寿命和可靠性,常需在表面制备涂层以提高其耐磨及耐腐蚀性能。采用不同种类的SiC粉末,利用冷喷涂工艺在Al7075合金基体表面制备了Al6061/SiC复合涂层,并探究了SiC含量和粒径对涂层微观组织、磨损性能及耐腐蚀性能的影响。结果表明:添加不同种类SiC颗粒所制备的Al6061/SiC复合涂层均致密;相同SiC比例下,黑SiC所制备的涂层硬质颗粒含量最高,在10 N载荷下磨损率最低,但涂层的耐腐蚀性能相近;Al6061与黑SiC以不同质量比所制备的涂层中,涂层磨损率随着SiC比例的增加呈现先减小后增加的变化趋势,比例为3∶7的涂层硬质颗粒含量最高(57.5%),磨损率最低[1.7876×10^(-4)mm^(3)/(N·m)],但其耐腐蚀性能不如其余比例的涂层;将黑SiC筛分得到15~30μm和>30μm 2种粉末,将Al6061分别与这2种粉末按照3∶7质量比混合,所制备的涂层磨损性能均不如原始粉末,但耐腐蚀性能均优于原始粉末,其中混合15~30μm黑SiC所制备涂层的腐蚀电流密度为9.59×10^(-5)A/cm^(2)。

关键词：冷喷涂 Al6061/SiC复合涂层磨损性能耐腐蚀性能微观组织

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冷喷涂制备非晶合金涂层的研究进展

材料保护 2022年第1期55卷 78-85页

作者：孙澄川周香林卢静林建鹏季华实验室广东佛山528200 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

综述了近年来冷喷涂制备非晶合金涂层的现状,总结了喷涂工艺参数对铁基、铝基、铜基及镍基等非晶合金涂层制备的影响,详细阐述了涂层晶化及沉积机制,并在冷喷涂涂层硬度、耐磨及防腐性能等方面进行了归纳,最后对冷喷涂技术在非晶合金制... 详细信息

综述了近年来冷喷涂制备非晶合金涂层的现状,总结了喷涂工艺参数对铁基、铝基、铜基及镍基等非晶合金涂层制备的影响,详细阐述了涂层晶化及沉积机制,并在冷喷涂涂层硬度、耐磨及防腐性能等方面进行了归纳,最后对冷喷涂技术在非晶合金制备的发展趋势进行了展望。

关键词：冷喷涂非晶合金晶化沉积机理性能

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悬浮液冷喷涂的液滴蒸发及加速过程研究

材料研究与应用 2023年第1期17卷 87-101页

作者：孙澄川卢静陈东吴应东邓碧欣路腾季华实验室广东佛山528200

超细粉末的流动性差,导致其需要以悬浮液或气浮的方式输送,而冷喷涂时超细粉末悬浮液输送常选择在喷枪出口处,这限制了大面积稳定涂层的制备。针对该现状,采用基于离散相的Multicomponent模型,模拟了悬浮液液料在喷枪前端送料时液滴的... 详细信息

超细粉末的流动性差,导致其需要以悬浮液或气浮的方式输送,而冷喷涂时超细粉末悬浮液输送常选择在喷枪出口处,这限制了大面积稳定涂层的制备。针对该现状,采用基于离散相的Multicomponent模型,模拟了悬浮液液料在喷枪前端送料时液滴的蒸发及加速过程,并探讨了颗粒沉积的可行性。模拟结果表明,在不同压力和温度下,液滴沿喷枪轴线加速时,由于悬浮液液滴含量较少及与主气温度差值较大,导致悬浮液中的液相与预热气体之间发生强烈的传热传质,液相可在喷枪喉部前完全蒸发。对蒸发过程影响因素的研究结果表明:相同气体压力下随着预热温度的提升,悬浮液液滴蒸发速度更快;液滴直径越小,则完全蒸发所对应的喷枪位置越靠前;固含量越低,完全蒸发所对应的喷枪轴向位置越靠近喷枪喉部;气体压力和材料种类对液相蒸发过程无明显影响。采用幂函数拟合方式,对悬浮液液滴的蒸发过程进行拟合而得到拟合公式,其中pl值反映了液滴蒸发的变化趋势、xc值的变化趋势基本反映了蒸发完全所对应的喷枪轴线位置的变化。对Cu悬浮液液滴蒸发加速的模拟结果表明:Cu颗粒与基体碰撞瞬间的速度值大于600 m∙s^(−1),与相关研究得到的Cu颗粒沉积速度范围610—630 m∙s^(−1)相近,表明在喷枪前端注入的液料经过蒸发及加速后可以沉积到基体表面而形成涂层。

关键词：悬浮液冷喷涂颗粒速度数值模拟蒸发过程

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冷喷涂制备铜基合金涂层研究进展

材料保护 2022年第7期55卷 165-176页

作者：孙澄川卢静解路吴应东陈东但幸东季华实验室广东佛山528200

系统介绍了近年来冷喷涂制备铜基合金涂层的现状,总结了青铜、Cu-Zn、Cu-Cr等体系铜基合金在喷涂过程中所采用的工艺方法,并从涂层微观结构、力学性能及耐磨防腐等方面进行了阐述,最后对冷喷涂技术在铜基合金涂层的研究发展方向进行了展望.

关键词：冷喷涂铜基合金腐蚀性能磨损性能力学性能