等离子喷涂层微观成形过程数值模拟研究现状

丁述宇¹，马国政¹，徐滨士¹，王海斗¹，陈书赢^1,2，何鹏飞¹，王译文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：等离子喷涂具有焰流温度高、粒子速度快、能量密度高等特点,是零件表面强化和再制造常用的表面工程技术之一,在耐磨、防腐、热障等诸多领域具有重要应用。涂层的质量往往决定零件的服役性能和使用寿命。等离子喷涂层的成形质量受众多喷涂要素和工艺参数的交叉耦合作用。传统优化喷涂工艺的方法是依据实践经验确定主要工艺参数的可行域,然后反复进行工艺参数调节和涂层性能验证来获得相对合适的工艺参数,这种方式存在成本高、效率低、可靠性差的缺陷。数值模拟作为一种新兴的科学研究方法,在等离子喷涂领域不仅有助于优化喷涂工艺参数,而且有助于深入理解喷涂成形原理和涂层微观构筑过程。研究者们借助数值模拟手段,探究等离子喷涂过程的微观机理,模拟实验中无法观测瞬时、高速的现象,并且指导优化喷涂工艺参数,改善喷枪机械结构,在提升涂层质量与性能上发挥重要作用。本文总结了数值模拟中有限元模拟的研究步骤,综述了近年来国内外数值模拟在等离子喷涂层微观成形过程应用的研究现状。在等离子射流形成的数值模拟中,研究领域从单一物理场转化为多物理场耦合,能较为准确地把握等离子喷枪中复杂的物理现象;其数值模拟范围主要包括等离子射流的温度场模拟、湍流模拟与电磁特性模拟等。在喷涂粒子与射流交互作用数值模拟中,研究者结合实验探究喷涂粒子与大气物性参数对飞行过程的影响,获取最佳的喷涂距离、送粉管角度等工艺参数;其数值模拟范围包括等离子射流中粒子加速过程模拟、加热过程模拟、飞行轨迹和空间分布模拟。在喷涂粒子铺展凝固过程的数值模拟中,将瞬时、高速的铺展凝固过程形象化,掌握基体与大气物性参数对该过程的影响。其数值模拟范围包括粒子撞击铺展过程模拟与凝固生长过程模拟。本文针对模拟过程中存在的湍流模型不够准确,飞行粒子的蒸发与破碎现象研究不够深入,以及多个粒子搭接堆垛成形过程探索较少等问题,展望了数值模拟在等离子涂层微观成形过程的研究方向,并提出基于喷涂成形过程数值模拟建立涂层虚拟成形系统的构想。

关键词：等离子喷涂;涂层成形;数值模拟;飞行粒子;传热传质;