超音速火焰喷涂铁基非晶涂层热应力数值模拟

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1、学校代码：10406分类号：TG178学号：130085204026南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）超音速火焰喷涂铁基非晶涂层热应力数值模拟硕士研究生：郭崇波导师：陈庆军教授申请学位级别：硕士学科、专业：材料工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2015年11月授予学位单位：南昌航空大学NumericalSimulationonResidualStressofHighVelocityAir-fuelFlameSprayedFe-BasedAmorphousCoatingsADissertationSubmittedfo

2、rtheDegreeofMasterOnMaterialsEngineeringbyGuoChongboUndertheSupervisionofProf.ChenQingjunSchoolofMaterialsScienceandEnginnerringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaNovember,2015南昌航空大学硕士学位论文摘要摘要本文以Kermetico公司的AK-07型喷涂系统喷涂Fe41Co7Mo14C15B6Y2非晶合金涂层为参考，在ANSYS软件平台上，使用IC

3、EM软件对超音速火焰喷涂流体计算区域划分网格，采用FLUENT计算流体力学软件对超音速火焰喷涂过程进行三维数值模拟。通过提取流场分析的基体表面换热系数及近壁面温度参数，采用ANSYS软件的参数化编程语言编写有限元计算程序，建立了基于生死单元技术的喷涂移动热源模型。对模拟计算过程中所选用的喷涂速度、喷涂距离、颗粒粒径、送粉率等参数进行实地测量，建立了可行的喷涂流场数值模型和涂层温度场及应力场数值模型，对超音速火焰喷涂流场以及板状基体的涂层温度场和残余应力场进行了三维数值模拟。采用K型热电偶对观察点的喷涂热循环进行实测，通过金相法对涂层

4、厚度进行实测，并采用多层涂层系统应力理论计算模型计算涂层残余应力值，验证数值模拟结果的可靠性。涂层温度场模拟结果与实测温度吻合良好，4个测量点的36个温度峰值的偏差均在15%以内，涂层残余应力场模拟结果与理论计算结果对比，48个对比的最大压应力值中，39个应力值的偏差在15%以内，最大偏差为29.24%。研究了不同枪管型号和不同粒径的喷涂颗粒对颗粒温度和速度的影响。颗粒直径越大，颗粒温度、速度越低，颗粒粒径为25um-30um时，颗粒的温度为1350-1500K，速度为410-460m/s；枪管越长，颗粒温度、速度越高，枪管型号为2

5、和2L时，颗粒温度均为1400K左右，2L型号比2型号枪管模拟的颗粒速度高出40m/s。研究了不同空燃比和不同燃料流量对喷涂流场及颗粒温度和速度的影响。在枪管为2L，颗粒直径为25um条件下，控制丙烷流量为145SLPM时，空燃比为3.3时，颗粒温度最高，达到1430K，空燃比为3.1时，颗粒速度达到极大值445m/s；控制空燃比为3.2时，颗粒温度随丙烷流量的增大呈单调上升趋势，丙烷流量为1400SLPM时，颗粒温达到材料熔点温度（1388K），当流量超过150SLPM时，上升趋势增大。研究了颗粒温度、喷涂层数、对流条件对涂层残余

6、应力的影响。随着喷涂层数的增加，涂层-基体界面处的切应力增大，X和Y方向的压应力减小；残余应力随颗粒温度的升高呈单调增大趋势，当颗粒温度超过1600K时，趋势增大；喷涂过程中对流换热越快，涂层-基体界面拉应力和压应力均呈减小趋势。关键词：超音速火焰喷涂，非晶涂层，热源模型，涂层温度场，涂层应力场i南昌航空大学硕士学位论文AbstractAbstractInthispaper,pre-processingsoftwareICEMisusedtodemarcationmesh,andCFDsoftwareFLUENTisusedtosi

7、mulatetheHVAFthermalsprayprocess,whichtakesKermeticoCompany’sAK-07sprayingsystemsprayedFe41Co7Mo14C15B6Y2amorphouscoatingsforreference.TheheattransfercoefficientonthesubstrateandnearwalltemperatureoftheflowfieldanalysisisexportedtodesigntheFiniteElementprogrambyparamet

8、ricdesignlanguageofANSYSsoftware.Themovingheatsourcemodelofthesprayingisestablishedbasedonthebirth-deathtechnique,and