冷气体动力喷涂过程中颗粒的加速性能及沉积机理分析

发布时间：2017-09-06 10:13

  本文关键词：冷气体动力喷涂过程中颗粒的加速性能及沉积机理分析

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【摘要】：冷气体动力喷涂技术(简称冷喷涂)是一种基于空气动力学原理的涂层制备技术。相比于热喷涂,冷喷涂具有抗氧化、高沉积率、残余应力小等优点,得到了国内外学者的极大关注。冷喷涂过程包含颗粒在喷管流场中的加速过程以及颗粒在基板上的碰撞沉积过程,由于其过程的复杂性,对涂层沉积机理的影响因素很多。因此,分析研究颗粒在喷管流场中的加速性能及颗粒在基板表面的沉积机理具有重要的意义,能够为实验研究提供一定的理论依据。本文首先使用Fluent软件对喷管进行数值模拟分析,建立喷管的二维物理模型,分析了喷涂温度、喷涂压力对流场的影响,并考虑了不同的载气种类、不同的颗粒材料、不同的颗粒粒径大小及不同的颗粒入射位置对颗粒加速性能的影响。然后使用有限元分析软件ANSYS模拟了颗粒在基板上的沉积过程,分析了不同的颗粒入射速度,不同的入射角度,不同的颗粒粒径大小,不同的颗粒材料和基板材料对沉积效果及塑性变形的影响,并进行了二次沉积和多颗粒群的沉积机理分析。得到主要结论如下:(1)随着喷涂温度的提高,流场的速度逐渐增加,而喷涂压力对于喷管内流场及温度场的影响较小。(2)He和N2相比较,He作为载气时对颗粒的加速性能更好。粒径大的金属和非金属颗粒不易获得较大的速度,粒径小的颗粒由于惯性小容易被加速,但粒径小到1μm以下时容易受气体的影响,运动不稳定。颗粒的材料无论金属还是非金属,密度较小更容易获得较大的速度。(3)颗粒在喷管入口的入射位置对速度大小影响较小,仅对颗粒碰撞基板时的角度有影响。颗粒入射速度和角度的增加,都有利于颗粒沉积,但颗粒入射角度不宜超过200,材料特性中屈服极限是影响沉积机理的重要因素。(4)微米级的颗粒粒径比纳米级的更容易形成涂层,颗粒粒径为20μm相比于10μm和40μm时,涂层效果更好。(5)颗粒与颗粒之间的水平作用使得颗粒与基板间存在间隙,竖直作用可以起到夯实左右,对基板上凹坑的深度没有影响。多颗粒群沉积加剧了接触区域四周的金属激射现象。
【关键词】：冷喷涂 气固两相流 数值分析 沉积机理
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 概论12-14
• 1.2 冷喷涂的国内外研究现状14-16
• 1.3 冷喷涂技术的研究意义16-17
• 1.4 本论文的主要工作17-19
• 第2章 计算软件与数值模拟的理论基础19-25
• 2.1 Fluent和ANSYS软件介绍19-20
• 2.2 气体动力学理论20-23
• 2.2.1 截面积对流场的影响20-21
• 2.2.2 气体热力参数的计算21-22
• 2.2.3 激波理论22-23
• 2.3 碰撞过程的有限元基本方程23-25
• 第3章 喷管中气固两相流的分析25-47
• 3.1 物理模型建立及网格划分25-27
• 3.2 喷管流场的模拟分析27-34
• 3.2.1 喷涂压力对流场加速性能的影响27-31
• 3.2.2 喷涂温度对流场加速性能的影响31-34
• 3.3 颗粒的加速性能分析34-45
• 3.3.1 载气种类的影响34-36
• 3.3.2 不同颗粒粒径的影响36-39
• 3.3.3 不同颗粒材料的影响39-42
• 3.3.4 颗粒入射位置的影响42-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第4章 颗粒沉积机理的分析47-84
• 4.1 材料模型和计算模型47-48
• 4.2 颗粒喷涂速度对沉积机理的影响48-54
• 4.3 颗粒喷涂角度对沉积机理的影响54-60
• 4.4 颗粒粒径对沉积机理的影响60-65
• 4.5 材料特性对沉积机理的影响65-72
• 4.5.1 不同的金属颗粒对沉积机理的影响65-69
• 4.5.2 不同的基板材料对沉积机理的影响69-72
• 4.6 颗粒间相互作用对沉积机理的影响72-77
• 4.7 多颗粒碰撞基板对沉积机理的影响77-79
• 4.8 试验测试79-82
• 4.8.1 冷喷涂试验装备79-80
• 4.8.2 试验材料和试样的制备80-81
• 4.8.3 试验图片的表征分析81-82
• 4.9 本章小结82-84
• 第5章 结论与展望84-86
• 5.1 结论84-85
• 5.2 展望85-86
• 参考文献86-91
• 攻读硕士期间发表学术论文91-92
• 致谢92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 丁丽,王晓放,孙涛,陈友义,李文亚;冷喷涂材料改性技术中粒子与基板结合过程的研究[J];机械工程材料;2004年10期

2 刘传绍;吴中雷;;冷喷涂Cu粉气固两相流数值模拟研究[J];煤矿机械;2011年06期

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本文编号：802521