HVOF喷涂WC-12Co粒子沉积行为分析
发布时间：2020-12-31 06:52
目的研究不同超音速火焰喷涂条件下WC-12Co粒子在45#碳钢基体上的沉积变形行为。方法基于Johnson-Cook塑性材料模型与Thermal-Isotropy-Phase-Change热材料模型,采用LS-DYNA进行建模分析。结果不同喷涂参数下,WC-12Co粒子在45#碳钢基体上的沉积行为存在明显差异。沉积过程中,粒子等效塑性应变幅度高于基体;粒子边缘位置等效塑性应变幅度高于粒子中心轴线位置;粒子初始速度与初始温度的增加有助于提升结合界面温度与粒子扁平化程度;粒子初始温度与粒子初始速度对接触界面能量变化影响程度基本一致,单位粒子初始速度与温度提升的能量贡献比l分别为0.78以及0.76,二者的能量贡献比近似相同;适度的基体预热（Ts=500K）可以促进粒子变形,加深沉积坑深度,增大粒子与基体的结合面积,有助于提升粒子与基体之间的结合强度。基体过冷（Ts=300 K）将导致粒子"翘曲",降低粒子与基体之间的结合面积,基体过热（Ts=600 K）将导致二者结合处于不稳定状态...
【文章来源】：表面技术. 2020年11期 北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
喷涂粒子形貌图
第49卷第11期查柏林等：HVOF喷涂WC-12Co粒子沉积行为分析·103·磨性[10]的Metco-WOKA-3102型WC-12Co喷涂粉末微观结构图，其形状近似为球形，具有良好的流动性，粉末粒径分布范围为15~45μm。根据粒子与基体的几何与物理参数建立三维粒子-基体撞击模型。图2所示的计算模型中，WC-12Co粒子直径取粉末粒径分布的平均值30μm，45#碳钢基体的长度、宽度、高度均为粒子直径的4倍，考虑到碰撞的对称性，建立轴对称模型，以减少计算量。同时，由于基体尺寸较大，可以忽略粒子撞击过程中基体边界节点对基体中心变形区域的影响[11]。图1喷涂粒子形貌图Fig.1Morphologyofsprayedparticles图2三维有限元撞击模型Fig.2Threedimensionalfiniteelementimpactmodel:a)impactmodel;b)enlargedviewofblackarrowarea计算过程中，粒子与基体的结合时间十分短暂，以ns为计量单位，粒子与基体之间的热传导距离远小于二者的特征单元尺寸[12]。因此，可以忽略粒子与基体之间的传热，即认为粒子与基体之间绝热[13-14]。该假设可以通过无量纲参数2xDt进行表征，以证明其有效性。各参数意义如下：x指系统单元特征尺寸，此处为3×10–5m；D为材料的热扩散系数，此处为2×10–6~15×10–6m2/s；t为粒子沉积过程所需时间，此处小于100ns。当2xDt＞1时，为绝热过程。保守计算，该无量纲参数值为600，远大于1，因此假设粒子沉积过程为绝热过程。考虑到网格尺寸对材料的热传导以及塑性变形会产生显著影响[15-16]，对于需要精确计算的区域进行网格细化，对于边缘计算区域进行网格粗化，可确保计算精度并减少计算成本。本模型网格划分过程中，粒子与基?
gtemperature/K16801495Heatcapacity/(J·kg–1·K–1)2924602结果与讨论2.1喷涂粒子沉积动态变形行为粒子沉积实质为粒子动能向粒子内能以及基体内能的转化过程，因假设粒子与基体之间绝热，故粒子及基体的温升均由塑性功转化而来[17]。沉积过程中，能量转变具体表达式如下：kpkpkspspsEUUUUTT(4)式中，kpE为粒子初始动能，kpU为粒子内能，ksU为基体内能，pU为粒子弹性势能，sU为基体弹性势能，pT为粒子温升，sT为基体温升。图3为初始速度800m/s、初始温度800K的球形粒子在沉积过程中不同时刻的等效塑性应变云图。粒子在撞击基体后立即开始变形，在基底上形成沉积坑。15ns时，接触面变形明显，沉积坑的宽度和深度同时增加以配合粒子的变形。20ns时，粒子的边缘开始发生翘曲，并逐渐形成射流，沿径向扩散，随后在粒子射流的影响下，沉积坑边缘也逐渐翘曲，并形成基体射流。45ns时，粒子动能逐渐下降为零，粒子呈透镜状且边缘翘曲，观察粒子沉积变形全过程，发现基体的塑性应变幅度远低于粒子的塑性应变幅度。图3粒子沉积过程等效塑性应变云图Fig.3Equivalentplasticstraindistributionofparticledepositionprocess图4为初始速度800m/s、初始温度800K的球形粒子在沉积过程中的温度分布云图，粒子与基体的最高温度均位于二者边缘的“薄壁区域”，此时粒子的最高温度达到熔点，处于半熔化状态。在此区域内，粒子由塑性变形向黏性变形转变，此时粒子与基体之间的结合方式易由机械结合转变为冶金结合，粒子与基体的结合将更加牢固。图5为监测点的等效塑性应变曲线以及温度变
【参考文献】：
期刊论文
[1]HVOF喷涂WC-17Co粉末的粒子撞击行为研究[J]. 叶福兴,牛安宁,郭磊,丁坤英. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(08)
[2]粉末粒度对HVOF制备WC-12Co涂层性能的影响[J]. 查柏林,乔素磊,黄定园,袁晓阳. 热加工工艺. 2014(04)
[3]多功能超音速火焰喷涂粒子速度的计算机仿真[J]. 查柏林,江鹏,袁晓静. 材料保护. 2011(06)
本文编号：2949173
【文章来源】：表面技术. 2020年11期 北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
喷涂粒子形貌图
第49卷第11期查柏林等：HVOF喷涂WC-12Co粒子沉积行为分析·103·磨性[10]的Metco-WOKA-3102型WC-12Co喷涂粉末微观结构图，其形状近似为球形，具有良好的流动性，粉末粒径分布范围为15~45μm。根据粒子与基体的几何与物理参数建立三维粒子-基体撞击模型。图2所示的计算模型中，WC-12Co粒子直径取粉末粒径分布的平均值30μm，45#碳钢基体的长度、宽度、高度均为粒子直径的4倍，考虑到碰撞的对称性，建立轴对称模型，以减少计算量。同时，由于基体尺寸较大，可以忽略粒子撞击过程中基体边界节点对基体中心变形区域的影响[11]。图1喷涂粒子形貌图Fig.1Morphologyofsprayedparticles图2三维有限元撞击模型Fig.2Threedimensionalfiniteelementimpactmodel:a)impactmodel;b)enlargedviewofblackarrowarea计算过程中，粒子与基体的结合时间十分短暂，以ns为计量单位，粒子与基体之间的热传导距离远小于二者的特征单元尺寸[12]。因此，可以忽略粒子与基体之间的传热，即认为粒子与基体之间绝热[13-14]。该假设可以通过无量纲参数2xDt进行表征，以证明其有效性。各参数意义如下：x指系统单元特征尺寸，此处为3×10–5m；D为材料的热扩散系数，此处为2×10–6~15×10–6m2/s；t为粒子沉积过程所需时间，此处小于100ns。当2xDt＞1时，为绝热过程。保守计算，该无量纲参数值为600，远大于1，因此假设粒子沉积过程为绝热过程。考虑到网格尺寸对材料的热传导以及塑性变形会产生显著影响[15-16]，对于需要精确计算的区域进行网格细化，对于边缘计算区域进行网格粗化，可确保计算精度并减少计算成本。本模型网格划分过程中，粒子与基?
gtemperature/K16801495Heatcapacity/(J·kg–1·K–1)2924602结果与讨论2.1喷涂粒子沉积动态变形行为粒子沉积实质为粒子动能向粒子内能以及基体内能的转化过程，因假设粒子与基体之间绝热，故粒子及基体的温升均由塑性功转化而来[17]。沉积过程中，能量转变具体表达式如下：kpkpkspspsEUUUUTT(4)式中，kpE为粒子初始动能，kpU为粒子内能，ksU为基体内能，pU为粒子弹性势能，sU为基体弹性势能，pT为粒子温升，sT为基体温升。图3为初始速度800m/s、初始温度800K的球形粒子在沉积过程中不同时刻的等效塑性应变云图。粒子在撞击基体后立即开始变形，在基底上形成沉积坑。15ns时，接触面变形明显，沉积坑的宽度和深度同时增加以配合粒子的变形。20ns时，粒子的边缘开始发生翘曲，并逐渐形成射流，沿径向扩散，随后在粒子射流的影响下，沉积坑边缘也逐渐翘曲，并形成基体射流。45ns时，粒子动能逐渐下降为零，粒子呈透镜状且边缘翘曲，观察粒子沉积变形全过程，发现基体的塑性应变幅度远低于粒子的塑性应变幅度。图3粒子沉积过程等效塑性应变云图Fig.3Equivalentplasticstraindistributionofparticledepositionprocess图4为初始速度800m/s、初始温度800K的球形粒子在沉积过程中的温度分布云图，粒子与基体的最高温度均位于二者边缘的“薄壁区域”，此时粒子的最高温度达到熔点，处于半熔化状态。在此区域内，粒子由塑性变形向黏性变形转变，此时粒子与基体之间的结合方式易由机械结合转变为冶金结合，粒子与基体的结合将更加牢固。图5为监测点的等效塑性应变曲线以及温度变
【参考文献】：
期刊论文
[1]HVOF喷涂WC-17Co粉末的粒子撞击行为研究[J]. 叶福兴,牛安宁,郭磊,丁坤英. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(08)
[2]粉末粒度对HVOF制备WC-12Co涂层性能的影响[J]. 查柏林,乔素磊,黄定园,袁晓阳. 热加工工艺. 2014(04)
[3]多功能超音速火焰喷涂粒子速度的计算机仿真[J]. 查柏林,江鹏,袁晓静. 材料保护. 2011(06)
本文编号：2949173
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