热喷涂成形过程热量累积行为与温度控制研究现状

丁述宇¹，马国政¹，陈书赢^1,2，何鹏飞¹，王译文¹，王海斗¹，徐滨士¹

1. 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室2. 中国航天科研训练中心人因工程重点实验室

摘 要：热喷涂技术作为零部件表面强化的重要技术,在提升零部件耐磨、耐腐蚀、耐高温等综合性能,延长零部件的使用寿命等方面发挥着重要作用。但热喷涂成形过程中焰流温度高、能量密度集中易使涂层/基体体系累积大量热量,进而导致涂层出现热裂纹甚至开裂、剥落等现象,降低涂层的服役可靠性和缩短涂层的工作寿命。针对热量累积造成涂层质量下降的问题,目前研究焦点为探究热喷涂成形过程热量累积行为并对涂层/基体体系进行温度场监控,以掌握体系温度场动态变化过程。根据体系热量累积规律,调节喷涂工艺参数并加载冷媒介质来实现涂层成形过程的温度控制是提升涂层成形质量的重要方法,为涂层成形过程创造良好的外界环境,解决涂层/基体热量累积的难题。近年来研究人员综合应用数值模拟与实验测试方法探究热喷涂成形过程中涂层/基体体系热量累积行为,研究其温度演变规律。基于数值模拟高效率、形象直观的特点,研究静态喷枪在不同喷涂距离、不同基体物性参数等条件下基体表面与截面温度场分布。在此基础上,研究动态喷枪不同加热运动轨迹对体系热量累积的影响,以及考虑涂层动态逐层搭接堆垛过程体系的温度变化。本文还归纳了多种测温设备在基体/涂层体系温度测量中的适用性及优缺点。还有学者分析了喷枪移动速度与运动轨迹对体系热量累积的影响,并力图通过控制喷涂工艺使体系温度处于合适范围。在综合对比压缩空气冷却、水冷却与干冰喷射冷却等不同冷媒介质对体系温度控制优缺点的基础上,提出干冰冷却具有洁净与散热的双重作用,可大幅度提升涂层的综合性能。本文归纳了热喷涂成形过程热量累积行为与温度控制的研究现状,其中热量累积行为研究主要通过数值模拟与实验测试进行,而温度控制主要是基于喷涂工艺优化与采用合适的冷媒介质冷却展开,分析了目前理论研究与实验测试中的不足。总体上,数值模拟在预测喷涂成形过程中涂层/基体体系的温度场演变规律,特别是针对喷涂件形状不规则或喷枪运动轨迹复杂的场合具有广阔的应用前景。

关键词：热喷涂;热量累积;温度控制;数值模拟;冷媒介质;