高熔点金属电弧喷涂型壳制备关键技术的研究

摘要

电弧喷涂快速制模技术是在快速原型的基础上结合电弧喷涂技术而形成的先进制造技术，其中高熔点钢基模具的制作成为了目前研究的热点。本文采用理论和实验相结合的方法，进行高熔点快速模具制作工艺的优化研究，成功试制了高熔点金属汽车引擎盖模具。
　　实验分析了喷涂电流、喷涂电压和送丝电压对电弧的影响，得到喷涂电流、喷涂电压和送丝电压之间的定量关系，确定了3Cr13喷涂电压。通过调节送丝速度调节喷涂电流，对喷涂电流与涂层温度之间的关系进行定量分析，研究喷涂电流对涂层温度的影响，初步确定3Cr13喷涂电流。通过模拟和实验相结合的方法研究了初始气压与粒径对射流轴向速度场与温度场的影响，定量化研究分析射流中高速飞行的粒子速度与温度的变化过程，分析得到射流速度和温度的分布云图。
　　模拟分析了喷涂速度和温度对涂层应力的影响。综合考虑了熔滴的流体动力和热传递特征，模拟了不同速度下熔滴变形的全过程，得到由喷涂产生的冲击应力分布，并在直观上得到不同喷涂速度下熔滴的扁平化程度。采用简化的层状模型，利用生死单元法得到涂层和基体的热应力分布，通过分析不同的涂层初始温度下的喷涂应力，得到涂层与基体间的温度差对涂层热应力的影响。通过模拟分析为减小涂层内应力提出一些合理的建议，并结合不同喷涂工艺参数下熔滴速度与温度的分布结果为选择合适的喷涂工艺参数提供依据。
　　实验研究了喷涂距离、基体预热温度与结合强度的关系。在不同工艺条件(包括不同的喷涂距离、基体预热温度)下进行喷涂实验，测试涂层与基体的结合强度，研究不同工艺参数对结合强度的影响规律。并使用扫描电镜观察了不同工艺下的粒子的扁平状态。同时通过自制的一种测量表面粗糙度的方法，研究了基体表面粗糙度对电弧涂层结合强度的影响。
　　利用喷涂材料3Cr13和优化的喷涂工艺参数，使用氯氧镁水泥基体，试制了汽车引擎盖模具，经测试：模具型壳厚度为3mm，硬度达到HRC48。