利用 ＡＢＡＱＵＳ显式有限元分析软件 对冷喷涂铜粒子与铜基体的碰撞过程进行了欧拉法数值分析 结果表明 欧拉模型可有效模拟冷喷涂粒子碰撞变形行为 粒子撞击基体形貌的模拟结果与试验观察吻合较好 在不同碰撞速度下 最大等效塑性应变均会快速上升并达到各自稳定值 并且在２９０～４００ｍｓ内稳定等效应变最大值基本不变 但随着粒子速度增加 粒子扁平化程度 与基体结合面积与金属射流量均明显增加 最后 结合金属射流形貌与等效塑性应变稳定最大值的变化规律 提出了一种冷喷涂粒子临界速度预测的新方法 计算获得了２０μ ｍ铜粒子冷喷涂临界速度约为２９０ｍｓ
关键词 冷喷涂 数值模拟 欧拉法 临界速度
０ 引 言
冷喷涂是一种采用高压气体通过Ｌａｖａｌ喷嘴产生的超音速气流 ３００～１０００ｍｓ 加速粉末粒子 直径５～１００μ ｍ 撞击基体制备涂层的技术由于喷涂过程中颗粒不易产生氧化 相变 脱碳组织变化等问题 冷喷涂研究受到了广泛关注１ 冷喷涂层制备过程中 粒子速度是其最重要的工艺参数之一 只有超过临界速度 Ｃｒｉｔｉｃａｌｖｅｌｏｃｉｔ ｙＶｃｒ 粒子与基体才会经过局部塑性变形并形成紧密的机械与冶金结合 当粒子速度过低时 粒子难以发生变形结合 而当粒子速度过高时又会造成强烈的冲蚀作用 因此临界速度研究对粒子碰撞行为及其沉积效率具有重要意义.
粒子临界速度的试验研究表明 不同材料粒临界速度显著不同２ 而同种材料粒子表面氧状态３４ 粒子尺寸和温度５ 亦均会对临界速产生重要影响 由于冷喷涂粒子临界速度受验条件影响较大 且无法观察粒子碰撞变形行数值模拟方法已被研究者逐步采用并获得了试验粒子沉积形貌较吻合的模拟结果６ － ８ｓａｄｉ等人６ 基于拉格朗日法模拟分析 首次指局部绝热剪切失稳 Ａｄｉａｂａｔｉｃｓｈｅａｒｉｎｓｔａｂｉｌｉ －ＡＳＩ是冷喷涂粒子与基体形成良好结合的重前提 Ｇｒｕ ｊ ｉｃｉｃ等人７ 指出粒子临界速度与发剪切失稳密切相关 Ｂａｅ等人９ 则利用碰撞界局部温度突变区域宽度阐述了冷喷涂结合机Ｓｃｈｍｉｄｔ等人５ 和李文亚１０ 采用拉格朗日的单元删除模型研究单个粒子碰撞沉积行为拟变形与试验结果吻合较好 虽然拉格朗日已被广泛用于研究碰撞变形 温度场 应力应场及 ＡＳＩ现象 但是算法本身具有无法避免网格畸变造成的计算误差的重要缺陷 为弥补这一缺陷 任意拉格朗日欧拉法 光滑粒子法和欧拉法１２ 先后被开发用于冷喷涂研究 其中欧拉法在超高速碰撞１３ 和喷涂１４ 的应用已取得了较好的效果 然而模拟结果难以界定温度与应变的突变区域６１２ 这使得临界速度的预测陷入困境
文中通过建立冷喷涂碰撞的欧拉模型 分析碰撞塑性应变与金属射流形成的变化规律 研究冷喷涂粒子碰撞行为 提出冷喷涂粒子临界速度预测的新方法
１ 计算模型
１.１ 欧拉模型建立
采用显式有限元分析软件 ＡＢＡＱＵＳ欧拉算法模拟单个铜粒子撞击铜基体的碰撞行为 球形粒子直径为２０μ ｍ 圆柱基体半径为８０μ ｍ 高６０μ ｍ 由于 ＡＢＡＱＵＳ软件不支持二维空间的欧拉算法 因此将模型扩展为厚度１μ ｍ 的欧拉空间 模型如图１所示根据粒子对称性 计算采用１２模型有效降低了计算成本 网格划分采用ＥＣ３Ｄ８Ｒ单元 由于网格尺寸对碰撞的模拟具有一定的影响６ － ９文中采用较小网格尺寸为０．２μ ｍ 在保证较好计算精度的基础上 节约了计算时间
１．２ 材料模型与设置
基于冷喷涂碰撞过程的高速大变形 应变率大及局部剪切温升等特点 粉末粒子与基体材料均采用考虑应变强化 应变率强化和热软化效应的Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋ塑性本构模型１５ 材料流变应力σ可表示为
σ＝ Ａ＋Ｂ ｎ １＋Ｃ ｌｎ １－ Ｔ ｍ １式中 Ｔ 分别为应变率项和温度项 参数 Ａ ＢｎＣ和 ｍ 均为与材料相关的常数 表１所示为模拟采用的值９ 计算采用密度可压缩线性Ｅｏｓ－ Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ材料状态方程 本研究将粒子与基体碰撞过程视作绝热碰撞过程 塑性变形功热转化系数为９０％ 初始温度为室温２５℃.
２ 模型验证及结果讨论
２．１ 实验验证
为验证所建立的欧拉模型 研究对比了直径２０ｍｍ铜颗粒撞击２０号钢基体的模拟与试验５结果图２所示为不同碰撞速度下 粒子与基体撞击截面形貌对比 当粒子速度为３５０ｍｓ时２ａ ２ 基体变形较小而粒子本身扁平化程度也较低 随着碰撞速度增大.粒子与基体结合面明显增大 碰撞界面形成非连续金属射流 形成较好结合涂层 当粒子速度进一步增加时 如图２ｃ ２ 和２ｄ ２ 碰撞难以沉积形成涂层最终基体产生冲蚀形成弹坑 从图２中可以看出 模拟结果与试验结果吻合较好 因此所建立的欧拉模型可较好模拟冷喷涂粒子撞击过程.
２．２ 碰撞变形与临界速度分析
２．２．１ 基于欧拉法粒子碰撞过程
图３所示为２０μ ｍ 铜粒子以４００ｍｓ速度撞击铜基体不同时刻等效塑性应变云图 从图中可以看出 随着粒子的不断扁平化与基体塑性变形 粒子与基体结合面积不断增加 并在结合面边缘快速挤出金属射流 在３０～５０ｎｓ时间内射流形貌基本不变 但粒子继续扁平化并且基体也发生了明显塑性变形 根据等效塑性应变ＰＥＥＱ 的分布可以看出 高应变区主要集中在粒子与基体碰撞界面处 碰撞结束分布在金属射流及碰撞界面外边缘附近图４所示为２０μ ｍ 铜粒子以不同速度撞击铜基体后等效塑性应变云图 从图４ａ 和４ｂ中可以看出碰撞速度低于２８０ｍｓ时没有形成金属射流而且最大ＰＥＥＱ 区域完全包裹在粒子与基体碰撞界面之间 这意味着碰撞变形将被完全阻塞在接触界面内部 而且这种碰撞闭合界面内部将可能形成一股强烈的 反弹力 最终导致粒子脱落形成弹坑６１６ 因此 在２８０ｍｓ以下的碰撞速度下无法形成有效金属射流 将不满足粒子碰撞结合条件.
当碰撞速度为２９０ｍｓ时 由粒子和基体材料混合的微小挤出变形开始形成 图４ｃ 随着粒子速度不断增大 ２９０～４００ｍｓ 粒子扁平化程度迅速增大 金属射流不断增加 这意味着粒子与基体间将形成更多的新鲜金属从而增强二者结合性能 当碰撞速度进一步增大时 如图４ｆ所示 金属射流将形成不连续的金属飞溅 这意味着过高的碰撞速度将导致粒子对基体的剧烈冲蚀作用 由于冷喷涂粒子与基体碰撞结合是碰撞界面塑性变形的结果 其结合过程与爆炸焊接非常相似 形成连续金属射流已被证明是界面结合的重要依据６１６ 因此从金属射流形貌分析 ２０μ ｍ铜粒子撞击铜基体的冷喷涂临界速度应在２９０～３３０ｍｓ之间 这与Ｌｉ等人.基于ＡＳＩ理论模拟和试验研究结果非常接近
２．２．２ 基于欧拉法的临界速度分析
图 ５ 分 别 展 示 了 ２００ ３００ ４００ ５００ 和６００ｍｓ 速度下２０μ ｍ铜粒子与基体碰撞塑性变形ＰＥＥＱ最大值随时间的变化关系 从图中可以看出 不同粒子速度下 碰撞ＰＥＥＱ 最大值均快速达到各自稳定值 这表明 ＰＥＥＱ 最大稳定值与粒子碰撞速度密切相关 以下将通过欧拉法ＰＥＥＱ最大稳定值分析冷喷涂临界速度.
图６给出了稳定最大ＰＥＥＱ 随碰撞粒子速度的变化规律 从图中可以看出 当粒子速度低于２９０ｍｓ时 稳定最大ＰＥＥＱ随速度的增大迅速增大 当粒子速度为２９０～４００ｍｓ时 ＰＥＥＱ最大稳定值呈现小平台 这意味着高速变形界面附近材料热软化效应与塑性变形硬化达到并基.本保持了动态平衡 随着粒子速度继续增大(大于４００ｍｓ) 稳定最大ＰＥＥＱ急剧增大并形成非连续飞溅 综合以上分析 研究提出了利用Ｅｕｌｅｒ模拟的稳定最大ＰＥＥＱ预测冷喷涂临界速度的新方法 并且２０μ ｍ铜粒子与铜基体冷喷涂临界速度为２９０ｍｓ
３ 结 论
１ 欧拉法可较好模拟冷喷涂粒子碰撞变形过程 计算得到的铜粒子冷喷涂形貌与实验观察吻合很好
２ 在不同碰撞速度下 最大等效塑性应变均会快速上升并达到各自稳定值 并且在２９０～４００ｍｓ内稳定等效应变最大值基本不变
３ 利用等效塑性应变的变化规律可有效预测冷喷涂粒子临界速度 计算得到２０μ ｍ铜粒子撞击铜基体的临界速度约为２９０ｍｓ
参考文献略
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