HVOF噴涂WC-12Co粒子沉積行為分析
發(fā)布時間：2020-12-31 06:52
目的研究不同超音速火焰噴涂條件下WC-12Co粒子在45#碳鋼基體上的沉積變形行為。方法基于Johnson-Cook塑性材料模型與Thermal-Isotropy-Phase-Change熱材料模型,采用LS-DYNA進(jìn)行建模分析。結(jié)果不同噴涂參數(shù)下,WC-12Co粒子在45#碳鋼基體上的沉積行為存在明顯差異。沉積過程中,粒子等效塑性應(yīng)變幅度高于基體;粒子邊緣位置等效塑性應(yīng)變幅度高于粒子中心軸線位置;粒子初始速度與初始溫度的增加有助于提升結(jié)合界面溫度與粒子扁平化程度;粒子初始溫度與粒子初始速度對接觸界面能量變化影響程度基本一致,單位粒子初始速度與溫度提升的能量貢獻(xiàn)比l分別為0.78以及0.76,二者的能量貢獻(xiàn)比近似相同;適度的基體預(yù)熱（Ts=500K）可以促進(jìn)粒子變形,加深沉積坑深度,增大粒子與基體的結(jié)合面積,有助于提升粒子與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。基體過冷（Ts=300 K）將導(dǎo)致粒子"翹曲",降低粒子與基體之間的結(jié)合面積,基體過熱（Ts=600 K）將導(dǎo)致二者結(jié)合處于不穩(wěn)定狀態(tài)...
【文章來源】：表面技術(shù). 2020年11期 北大核心
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
噴涂粒子形貌圖
第49卷第11期查柏林等：HVOF噴涂WC-12Co粒子沉積行為分析·103·磨性[10]的Metco-WOKA-3102型WC-12Co噴涂粉末微觀結(jié)構(gòu)圖，其形狀近似為球形，具有良好的流動性，粉末粒徑分布范圍為15~45μm。根據(jù)粒子與基體的幾何與物理參數(shù)建立三維粒子-基體撞擊模型。圖2所示的計算模型中，WC-12Co粒子直徑取粉末粒徑分布的平均值30μm，45#碳鋼基體的長度、寬度、高度均為粒子直徑的4倍，考慮到碰撞的對稱性，建立軸對稱模型，以減少計算量。同時，由于基體尺寸較大，可以忽略粒子撞擊過程中基體邊界節(jié)點對基體中心變形區(qū)域的影響[11]。圖1噴涂粒子形貌圖Fig.1Morphologyofsprayedparticles圖2三維有限元撞擊模型Fig.2Threedimensionalfiniteelementimpactmodel:a)impactmodel;b)enlargedviewofblackarrowarea計算過程中，粒子與基體的結(jié)合時間十分短暫，以ns為計量單位，粒子與基體之間的熱傳導(dǎo)距離遠(yuǎn)小于二者的特征單元尺寸[12]。因此，可以忽略粒子與基體之間的傳熱，即認(rèn)為粒子與基體之間絕熱[13-14]。該假設(shè)可以通過無量綱參數(shù)2xDt進(jìn)行表征，以證明其有效性。各參數(shù)意義如下：x指系統(tǒng)單元特征尺寸，此處為3×10–5m；D為材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，此處為2×10–6~15×10–6m2/s；t為粒子沉積過程所需時間，此處小于100ns。當(dāng)2xDt＞1時，為絕熱過程。保守計算，該無量綱參數(shù)值為600，遠(yuǎn)大于1，因此假設(shè)粒子沉積過程為絕熱過程�？紤]到網(wǎng)格尺寸對材料的熱傳導(dǎo)以及塑性變形會產(chǎn)生顯著影響[15-16]，對于需要精確計算的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，對于邊緣計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格粗化，可確保計算精度并減少計算成本。本模型網(wǎng)格劃分過程中，粒子與基?
gtemperature/K16801495Heatcapacity/(J·kg–1·K–1)2924602結(jié)果與討論2.1噴涂粒子沉積動態(tài)變形行為粒子沉積實質(zhì)為粒子動能向粒子內(nèi)能以及基體內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程，因假設(shè)粒子與基體之間絕熱，故粒子及基體的溫升均由塑性功轉(zhuǎn)化而來[17]。沉積過程中，能量轉(zhuǎn)變具體表達(dá)式如下：kpkpkspspsEUUUUTT(4)式中，kpE為粒子初始動能，kpU為粒子內(nèi)能，ksU為基體內(nèi)能，pU為粒子彈性勢能，sU為基體彈性勢能，pT為粒子溫升，sT為基體溫升。圖3為初始速度800m/s、初始溫度800K的球形粒子在沉積過程中不同時刻的等效塑性應(yīng)變云圖。粒子在撞擊基體后立即開始變形，在基底上形成沉積坑。15ns時，接觸面變形明顯，沉積坑的寬度和深度同時增加以配合粒子的變形。20ns時，粒子的邊緣開始發(fā)生翹曲，并逐漸形成射流，沿徑向擴(kuò)散，隨后在粒子射流的影響下，沉積坑邊緣也逐漸翹曲，并形成基體射流。45ns時，粒子動能逐漸下降為零，粒子呈透鏡狀且邊緣翹曲，觀察粒子沉積變形全過程，發(fā)現(xiàn)基體的塑性應(yīng)變幅度遠(yuǎn)低于粒子的塑性應(yīng)變幅度。圖3粒子沉積過程等效塑性應(yīng)變云圖Fig.3Equivalentplasticstraindistributionofparticledepositionprocess圖4為初始速度800m/s、初始溫度800K的球形粒子在沉積過程中的溫度分布云圖，粒子與基體的最高溫度均位于二者邊緣的“薄壁區(qū)域”，此時粒子的最高溫度達(dá)到熔點，處于半熔化狀態(tài)。在此區(qū)域內(nèi)，粒子由塑性變形向黏性變形轉(zhuǎn)變，此時粒子與基體之間的結(jié)合方式易由機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，粒子與基體的結(jié)合將更加牢固。圖5為監(jiān)測點的等效塑性應(yīng)變曲線以及溫度變
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]HVOF噴涂WC-17Co粉末的粒子撞擊行為研究[J]. 葉福興,牛安寧,郭磊,丁坤英. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2016(08)
[2]粉末粒度對HVOF制備WC-12Co涂層性能的影響[J]. 查柏林,喬素磊,黃定園,袁曉陽. 熱加工工藝. 2014(04)
[3]多功能超音速火焰噴涂粒子速度的計算機(jī)仿真[J]. 查柏林,江鵬,袁曉靜. 材料保護(hù). 2011(06)
本文編號：2949173
【文章來源】：表面技術(shù). 2020年11期 北大核心
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
噴涂粒子形貌圖
第49卷第11期查柏林等：HVOF噴涂WC-12Co粒子沉積行為分析·103·磨性[10]的Metco-WOKA-3102型WC-12Co噴涂粉末微觀結(jié)構(gòu)圖，其形狀近似為球形，具有良好的流動性，粉末粒徑分布范圍為15~45μm。根據(jù)粒子與基體的幾何與物理參數(shù)建立三維粒子-基體撞擊模型。圖2所示的計算模型中，WC-12Co粒子直徑取粉末粒徑分布的平均值30μm，45#碳鋼基體的長度、寬度、高度均為粒子直徑的4倍，考慮到碰撞的對稱性，建立軸對稱模型，以減少計算量。同時，由于基體尺寸較大，可以忽略粒子撞擊過程中基體邊界節(jié)點對基體中心變形區(qū)域的影響[11]。圖1噴涂粒子形貌圖Fig.1Morphologyofsprayedparticles圖2三維有限元撞擊模型Fig.2Threedimensionalfiniteelementimpactmodel:a)impactmodel;b)enlargedviewofblackarrowarea計算過程中，粒子與基體的結(jié)合時間十分短暫，以ns為計量單位，粒子與基體之間的熱傳導(dǎo)距離遠(yuǎn)小于二者的特征單元尺寸[12]。因此，可以忽略粒子與基體之間的傳熱，即認(rèn)為粒子與基體之間絕熱[13-14]。該假設(shè)可以通過無量綱參數(shù)2xDt進(jìn)行表征，以證明其有效性。各參數(shù)意義如下：x指系統(tǒng)單元特征尺寸，此處為3×10–5m；D為材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，此處為2×10–6~15×10–6m2/s；t為粒子沉積過程所需時間，此處小于100ns。當(dāng)2xDt＞1時，為絕熱過程。保守計算，該無量綱參數(shù)值為600，遠(yuǎn)大于1，因此假設(shè)粒子沉積過程為絕熱過程�？紤]到網(wǎng)格尺寸對材料的熱傳導(dǎo)以及塑性變形會產(chǎn)生顯著影響[15-16]，對于需要精確計算的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，對于邊緣計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格粗化，可確保計算精度并減少計算成本。本模型網(wǎng)格劃分過程中，粒子與基?
gtemperature/K16801495Heatcapacity/(J·kg–1·K–1)2924602結(jié)果與討論2.1噴涂粒子沉積動態(tài)變形行為粒子沉積實質(zhì)為粒子動能向粒子內(nèi)能以及基體內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程，因假設(shè)粒子與基體之間絕熱，故粒子及基體的溫升均由塑性功轉(zhuǎn)化而來[17]。沉積過程中，能量轉(zhuǎn)變具體表達(dá)式如下：kpkpkspspsEUUUUTT(4)式中，kpE為粒子初始動能，kpU為粒子內(nèi)能，ksU為基體內(nèi)能，pU為粒子彈性勢能，sU為基體彈性勢能，pT為粒子溫升，sT為基體溫升。圖3為初始速度800m/s、初始溫度800K的球形粒子在沉積過程中不同時刻的等效塑性應(yīng)變云圖。粒子在撞擊基體后立即開始變形，在基底上形成沉積坑。15ns時，接觸面變形明顯，沉積坑的寬度和深度同時增加以配合粒子的變形。20ns時，粒子的邊緣開始發(fā)生翹曲，并逐漸形成射流，沿徑向擴(kuò)散，隨后在粒子射流的影響下，沉積坑邊緣也逐漸翹曲，并形成基體射流。45ns時，粒子動能逐漸下降為零，粒子呈透鏡狀且邊緣翹曲，觀察粒子沉積變形全過程，發(fā)現(xiàn)基體的塑性應(yīng)變幅度遠(yuǎn)低于粒子的塑性應(yīng)變幅度。圖3粒子沉積過程等效塑性應(yīng)變云圖Fig.3Equivalentplasticstraindistributionofparticledepositionprocess圖4為初始速度800m/s、初始溫度800K的球形粒子在沉積過程中的溫度分布云圖，粒子與基體的最高溫度均位于二者邊緣的“薄壁區(qū)域”，此時粒子的最高溫度達(dá)到熔點，處于半熔化狀態(tài)。在此區(qū)域內(nèi)，粒子由塑性變形向黏性變形轉(zhuǎn)變，此時粒子與基體之間的結(jié)合方式易由機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，粒子與基體的結(jié)合將更加牢固。圖5為監(jiān)測點的等效塑性應(yīng)變曲線以及溫度變
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]HVOF噴涂WC-17Co粉末的粒子撞擊行為研究[J]. 葉福興,牛安寧,郭磊,丁坤英. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2016(08)
[2]粉末粒度對HVOF制備WC-12Co涂層性能的影響[J]. 查柏林,喬素磊,黃定園,袁曉陽. 熱加工工藝. 2014(04)
[3]多功能超音速火焰噴涂粒子速度的計算機(jī)仿真[J]. 查柏林,江鵬,袁曉靜. 材料保護(hù). 2011(06)
本文編號：2949173
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