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1、46冷喷涂临界速度及其影响因素a,ba卜恒勇,卢晨(上海交通大学a.轻合金精密成型国家工程研究中心,b.金属基复合材料国家重点实验室,上海200240)[摘要]综述了冷喷涂过程中粒子速度和临界速度的模拟计算及实际测定的方法,分析了冷喷涂中影响临界速度的因素,指出合理利用数值计算方法并结合粒子和基体本身的物理性质来设计喷管几何结构、优化涂层制备工艺参数以提高涂层性能将是冷喷涂发展的主要方向之一。[关键词]冷喷涂;临界速度;粒子速度;影响因素[中图分类号]TG174.442[文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2011)04-0046-040前言变
2、形形成涂层,并为后续的粒子提供无污染、活性较高[4,14]的表面。对于成功沉积的粒子来说,存在一个与采用热喷涂技术喷涂金属及金属复合材料时,沉之相对应的临界速度。如果粒子的速度低于临界速积过程中的高温促进了喷涂粒子的氧化、相变和热分度,和基体碰撞后粒子发生反弹,对基体造成冲蚀甚至解,降低了涂层的综合性能,因而热喷涂向着降低粒子[1][2,3]破坏;反之粒子的沉积效率显著增加,说明粒子已获得温度、增加粒子速度的方向发展。冷喷涂技术用[1,5,8,11,15,16]足够的动能以形成涂层。Laval缩放喷管加速高压气体(一般为He、空气、N2或由此可见,粒子速度及其临界速度的确定对于
3、评其混合物),通过携带粉末粒子将粒子加速,高速撞击[4,5]估冷喷涂粒子的沉积效率、深入了解粒子的变形和沉到基体表面,发生剧烈塑性变形而形成涂层。由于积机制尤为重要;通过对工作气体和粒子运动状态的粒子在整个沉积过程中的温度始终低于熔点,避免了数值模拟,可以快速优化喷管几何构造和喷涂参数,减使用高温热源,比传统的热喷涂技术具有一定的优[15,17][5~9]少费用,提高沉积效率。势。影响冷喷涂层形成及性能的主要因素是粒子撞击1冷喷涂中粒子速度的确定[5,10~12]基体时的速度。在涂层沉积初期,当基体表面粘结了一层粒子时,后续的沉积过程则转变为粒子与1.1粒子速度的模拟计算[
4、7]涂层(非原始基体表面)之间的碰撞。冷喷涂粒子沉根据流体力学理论,在喷管中运动的气体和粒子[13]积过程中存在2个临界速度:一个是粒子在基体表必须满足质量、动量和能量守恒[5,7,18]。一般根据工作面发生沉积所需要的最小速度;另一个为粒子自身发气体的驻点压强、驻点温度和喷管的几何构造,利用数生粘结形成具有一定厚度的涂层所对应的最小速度。学模型[9,17,19,20]可以得到工作气体在喷管内部的状态只有粒子与基体的碰撞速度高于这两个临界速度,才参数(压力、温度、速度和密度等)。由于粒子在工作气能形成具有一定厚度的涂层。显而易见,在粒子与基体中的浓度很低,而且停留的时间极短,所
5、以可忽略粒体表面的撞击、变形和沉积机制中,粒子的动能为决定[21]子之间的相互作用,粒子获得的速度可以根据牛顿性因素。只有具有足够动能的粒子,才能穿过基体表[5,18,21,22]第二定律的微分方程来确定:面形成的激波,以较高的速度撞击基体发生剧烈塑性3vpvpdpvpmp=mpvp=pts6t[收稿日期]2010-11-222[通信作者]卜恒勇(1983-),博士,主要从事材料表面涂1dp=CDg(vg-vp)
6、vg-vp
7、(1)层制备和材料改性研究,电话:021-2454742618,Emai:lbuhengyong@sjtu.edu.c
8、n式中mp粒子质量,kg473g气体密度,kg/m式中vc粒子的临界速度,m/s33p粒子密度,kg/m粒子密度,g/cmvg气体速度,m/sF1,F2校准系数vp粒子速度,m/sTS抗拉强度,MPadp粒子直径,mTi碰撞平均温度,KCD拖拽系数Tm熔点,Kt时间,sTR室温,293Ks距离,m-1-1cp热容,kJkgK1.2粒子速度的测定和公式(2)的主要影响因素相同,高强度和高熔点的材粒子速度的测定:通常使用激光二极管产生红外料对应较高的临界速度;而
9、较高的热容表明在相同的[12,15,17,23]激光脉冲,照亮高速运动的粒子,同时采用电热量下粒子升温较小,导致粒子难以沉积。荷耦合元件(CCD)探测器接收粒子反射得到的脉冲信2.2临界速度的测定号;这些信号经过光电传感器放大、过滤,然后采用计2.2.1图像处理法算机处理信号图像,测定各个粒子穿过探测区域所产[15]方法如下:使用高速粒子测速设备和摄像设备生的2个信号峰之间经历的时间,由于对应狭缝之间测定各种喷涂参数下(一般从低压到高压,粒子从无沉的距离已知,于是能得到粒子在信号图像上的
