基于爆炸焊接理论的超音速火焰喷涂结合机理研究

摘要

超音速火焰喷涂（High Velocity Oxy-Fuel，HVOF）制备的涂层具有孔隙率低，涂层结合强度高的显著特征，被广泛应用于工业生产中。为了明确其高结合强度的机理，研究超音速火焰喷涂粒子与基体的结合机理具有重要的意义。爆炸焊接作为连接同种或异种金属的方法，在航空航天、化工、船舶等领域也得到广泛的应用。爆炸焊接与超音速火焰喷涂无论在运动姿态还是结合属性方面都有着非常相似的特性，均为母材倾斜高速碰撞形成结合，结合界面处都有射流产生并且结合强度高。因此，基于爆炸焊接的成熟理论，研究超音速火焰喷涂涂层的结合机理具有重要的借鉴意义。
　　本研究在三种不同的基体材料（6061铝合金、紫铜、304不锈钢）上分别喷涂Ni60粉末以及WC-12Co粉末，得到单个粒子在不同基体上的沉积形态并对其进行观测研究。此外，利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立粒子与基体材料模型，并在不同温度不同速度条件下模拟粒子与基体的碰撞行为，结合实际喷涂所得样品对超音速火焰喷涂粒子的沉积行为进行研究。结果表明，超音速火焰喷涂粒子结合的必要条件与爆炸焊接相同，均为新鲜的清洁表面以及两表面的紧密接触。射流是爆炸焊接过程露出新鲜表面的原因以及可观察的宏观现象，在超音速火焰喷涂中，粒子与基体表面以一定角度依次接触碰撞，在绝热剪切作用下同样会出现金属流的挤出。超音速火焰喷涂粒子在基体上的沉积结果是二者相互作用的结果。粒子的熔融状态及基体的硬度对于粒子与基体的形变过程有重要影响，二者的形变关系对于粒子动能转换的结合能与反弹能大小有直接关系，成功的结合需要粒子和基体均发生适度形变。粒子速度足够高时，碰撞导致金属材料挤出并向接触面外围运动，在接触区域边缘由于粒子与基体对射流的抑制作用较小，形成可见的粒子或基体金属射流。绝热剪切导致的金属射流产生，可以破碎金属表面氧化层，从而促进粒子与基体结合。

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第一章 绪论

1.1爆炸焊接技术的原理和发展

1.2超音速火焰喷涂技术的原理和发展

1.3本课题的选题背景、意义及主要研究内容

第二章 实验条件、原理及测试方法

2.1实验条件

2.2涂层结构分析及物相分析

2.3建立数值模型分析

2.4基于爆炸焊接理论进行超音速火焰喷涂结合机理研究合理性分析

第三章 超音速火焰喷涂粒子沉积行为分析

3.1粒子熔化状态对其沉积行为的影响

3.2基板材料对粒子沉积行为的影响

3.3数学模型计算基体材料对粒子塑性变形量的影响

3.4本章小结

第四章 超音速火焰喷涂粒子沉积机理研究

4.1粒子与基体撞击过程中二者变形的相互作用

4.2数值模拟粒子与基体碰撞行为

4.3超音速火焰喷涂粒子与基体结合机理

4.4本章小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢