摘 要
采用数值模拟和实验相结合的方法对等离子喷涂熔滴碰撞基体后的行为进行了研究。论文采用MAC技术建立了等离子喷涂熔滴碰撞基体后的扁平过程的数值模拟方法；研究了各种条件下的熔滴的扁平变形过程；首次系统地探讨了熔滴碰撞基体后作用在基体表面的碰撞压力的变化规律，明确了熔滴的碰撞压力在基体表面的有效作用区域。同时，采用实验的手段系统地研究了扁平粒子的形貌与结合状态；提出了扁平过程中飞溅现象产生的机理。
数值模拟结果表明，熔滴在扁平初期主要作垂直向下的变形运动，当t = 0.1 ~ 0.2时，开始沿基体表面以约3倍的碰撞速度产生横向铺展流动。熔滴的密度、粘性和碰撞速度对扁平率的影响规律可以归一为雷诺数对扁平率的影响，雷诺数越大，扁平率越大。熔滴的扁平时间也与雷诺数有关，雷诺数越大，扁平时间越长，即扁平时间和扁平率有关。研究也发现，90%的扁平变形量是在1/3的扁平时间内完成的。
熔滴的碰撞压力存在一个集中、扩展和释放过程。在熔滴碰撞瞬间产生的碰撞压力最大，且集中在熔滴和基体表面的接触点上。随着熔滴的扁平变形，沿基体表面的最大压力和压力梯度先是集中在熔滴与基体接触区域的周边，造成熔滴沿基体表面产生高速度的横向铺展流动。随后随着扁平过程的进行，压力向熔滴内部和边缘迅速扩展并释放。首次发现了熔滴在扁平过程中其压力主要作用在x < 2.5的区域内。在这里，熔滴的密度越大、碰撞速度越大，产生的碰撞压力越高，从而造成该区域粒子与基体的紧密结合。而在x > 2.5的区域，碰撞压力降低到很小的值，以至于在该区域的熔滴流体由于表面张力的作用而“浮”在基体的表面，这是造成粒子在该区域与基体结合薄弱的原因。熔滴的粘性尽管对扁平率的影响很大，但对碰撞压力的影响较小，可以忽略。
实验研究结果表明，扁平粒子的形貌受到喷涂材料与基体材料不同组合的影响，这主要决定于基体表面是否熔化。当基体材料与熔滴材料具有相近的热物理性质而不出现基体熔化时，所形成的绝大多数扁平粒子仅仅是理想粒子的中心部分，即形成残留粒子。当熔滴碰撞基体后导致基体表面产生熔化时，残留粒子一般呈裂块状形貌。残留粒子的厚度一般在2 ~ 3 m m，和计算结果吻合很好；而残留粒子的扁平率一般小于2，和计算估计的有效压力作用区域直径x c = 2.5较为吻合。残留粒子的形成和熔滴在扁平过程中产生飞溅有关。
采用基体表面涂敷挥发性有机物，研究基体表面吸附状态对扁平粒子形貌影响的结果表明，熔滴在扁平过程中引起的有机物的挥发对粒子的形貌具有控制性的影响。基于该结果，首次提出了表面吸附物挥发诱导飞溅的模型，从而首次对在抛光基体表面预热200 ~ 250 oC可以将扁平粒子的形貌从以残留圆饼状为主的不规则复杂形貌转变为理想圆饼状粒子的现象给予了合理的解释。同时，对于粒子的碰撞引起表面熔化的情况提出了基体表面熔化诱导飞溅的模型。
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