超音速火焰喷涂中粒子与基体撞击行为的数值研究

发布时间：2017-07-15 21:04

  本文关键词：超音速火焰喷涂中粒子与基体撞击行为的数值研究

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【摘要】：超音速火焰喷涂技术为热喷涂的一个分支,目前已取代等离子喷涂而成为热喷涂的主流。它是通过Laval喷管喷出的高温高速焰流将喷涂粒子加速加热到一定程度后与基体撞击,依靠基体与粒子的塑性变形及粒子的部分融化而实现粒子与基体间的结合。在喷涂过程中,粒子的速度较高,对基体的冲击作用很大,结合强度很高;而粒子温度相对较低,粒子不易发生氧化,且对基体的热影响较小,易于形成致密性好的高性能涂层。本文采用数值模拟的手段系统的研究了在超音速火焰喷涂过程中,粒子的初始状态与基体的状态对粒子与基体碰撞过程的影响,研究结果表明:粒子的变形主要发生在撞击过程的初始阶段,粒子变形的90%是在前二分之一的时间内完成。粒子的直径对粒子与基体的变形没有影响,但对粒子与基体撞击过程的持续时间有重要的影响。撞击过程持续时间与粒子的直径成正比,粒子的直径越大,撞击持续时间越长。随着粒子初始速度的增加,粒子的扁平化程度降低;而粒子与基体的接触面积以及基体对粒子作用力的纵向分量变大,这有利于提高涂层的结合强度及致密性。升高粒子初始温度有利于提高粒子的扁平化程度以及粒子与基体的接触面积,从而提高涂层的结合强度和致密性,形成性能良好的涂层。基体的状态同样对粒子与基体的撞击具有重要的影响。提高基体初始温度有利于增大界面接触面积,从而提高界面结合强度,而提高基体强度的效果相反,较高的基体强度将使得粒子与基体的接触面积降低,减小界面结合强度。同时应该注意到,当粒子的初始速度下降到一定程度或基体的强度增加到一定程度时,粒子的溅射部分将与基体接触,虽然此部分接触面积不能提高界面接触强度,却可以避免或减少飞溅的产生。
【关键词】：超音速火焰喷涂 冲击动力学 粒子 涂层 数值模拟计算
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 超音速火焰喷涂技术10-13
• 1.2.1 超音速火焰喷涂原理10-11
• 1.2.2 HVOF喷涂技术的应用和发展11-12
• 1.2.3 超音速火焰的特点12-13
• 1.3 超音速火焰喷涂的数值研究进展13-15
• 1.3.1 国外超音速火焰喷涂数值模拟现状13-14
• 1.3.2 国内超音速火焰喷涂数值模拟进展14-15
• 1.4 主要研究内容15-16
• 第二章 粒子与基体撞击数学模型的建立16-36
• 2.1 ABAQUS有限元软件简介16-18
• 2.2 有限元方法对物体运动的描述18-20
• 2.3 采用ABAQUS求解大变形的关键技术20-23
• 2.3.1 HVOF喷涂中粒子与基体的撞击特点20
• 2.3.2 沙漏控制（hourglass control）20-21
• 2.3.3 ALE自适应网格技术21-22
• 2.3.4 稳定性控制及时间增量22-23
• 2.4 材料的本构模型23-27
• 2.4.1 数值模拟计算中常用的材料本构模型23-27
• 2.4.2 HVOF中粒子与基体碰撞所采用的材料本构模型27
• 2.5 碰撞-接触算法27-33
• 2.5.1 碰撞-接触的协调条件28-29
• 2.5.2 碰撞-接触算法之罚函数法的有限元实现29-33
• 2.6 粒子与基体碰撞中的一些假设33-34
• 2.7 粒子与基体碰撞的有限元模型建立34-35
• 2.8 本章小结35-36
• 第三章 粒子状态对撞击过程的影响36-57
• 3.1 有限元模型合理性验证36-39
• 3.2 粒子尺寸对撞击过程的影响39-45
• 3.2.1 粒子与基体撞击的动态变形行为39-40
• 3.2.2 WC-17Co粒子直径对撞击状态的影响40-43
• 3.2.3 粒子尺寸对撞击历程的影响43-45
• 3.3 粒子初始速度对撞击过程的影响45-51
• 3.3.1 粒子初始速度对撞击状态的影响46-49
• 3.3.2 粒子初始速度对撞击历程的影响49-51
• 3.4 粒子初始温度对撞击过程的影响51-55
• 3.4.1 粒子初始温度对撞击状态的影响51-54
• 3.4.2 粒子初始温度对撞击历程的影响54-55
• 3.5 本章小结55-57
• 第四章 基体材料特性对撞击过程的影响57-66
• 4.1 基体初始温度对撞击过程的影响57-62
• 4.1.1 基体初始温度对撞击状态的影响57-60
• 4.1.2 基体初始温度对撞击历程的影响60-62
• 4.2 不同基体材料对撞击过程的影响62-65
• 4.2.1 不同基体材料对撞击状态的影响62-64
• 4.2.2 不同基体材料对撞击历程的影响64-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第五章 结论66-67
• 参考文献67-72
• 发表论文和参加科研活动说明72-73
• 致谢73-74

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本文编号：545716