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等离子热喷涂层沉积过程数值模拟分析

2024-11-13 2 上传者：管理员

摘要：应用ANSYS有限元分析软件建立了等离子热喷涂单道多层涂层的三维有限元模型，对等离子喷涂Ni Cr FeMo涂层沉积过程的温度场和应力场进行模拟。结果表明：在喷涂过程中，涂层系统温度随沉积层的增多而升高，喷涂至最外层时温度最高；涂层厚度方向的温度梯度大；涂层颗粒的温度随时间的延长而大幅周期波动，涂层颗粒的应力也随时间而大幅周期波动。涂层与基体结合面处为残余应力集中处，其残余应力为拉应力。

关键词：
数值模拟
残余应力
温度场
热喷涂层
等离子喷涂
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等离子喷涂具有涂层沉积效率高、生产速率快、操作可控性强、投入成本低、应用范围大和选材范围广等优点[1-2]，是目前国内外最常用的涂层制备方法之一。在等离子喷涂制备涂层过程中，涉及高温、高升温率或大温变等环节，且涂层与基体的材料热物理性能存在一定差异，涂层沉积过程中将形成大于通常机加工的残余应力[3]。有研究表明：喷涂过程中涂层内部温度是影响涂层与基体结合强度的重要因素[4]，而残余应力的大小和分布则对涂层结合强度、热循环疲劳寿命及抗热冲击能力等性能有着较大影响；同时对高温结构涂层的使用寿命、失效行为等也存在较大的影响[5]。

因此，涂层沉积过程中温度和应力的大小及分布变化对涂层的质量起着决定性作用，但目前还未能实现对等离子喷涂涂层沉积过程的实时监控[6-7]。而随着计算机和有限元模拟软件的快速发展，数值模拟成为研究涂层沉积过程的重要方法[8-10]。

本文应用有限元分析软件ANSYS16.0，利用高斯移动热源和“生死”单元方法，模拟了GH4169基体Ni Cr Fe Mo涂层的逐行喷涂和分层沉积过程，分析了在沉积过程中，涂层的温度和应力大小及分布变化情况。

1、模型建立

1.1涂层与基体模型

模拟在40mm×10mm×3mm的平板GH4169基体表面喷涂40 mm×10 mm×0.6 mm的Ni Cr Fe Mo涂层，如图1(a）所示。采用热-结构间接耦合方法进行模拟计算。热分析时采用三维八节点热实体单元solid70，结构分析时采用三维八节点实体单元solid185。对模型进行网格划分时，涂层网格细划分，基体网格粗划分，并对基体和涂层结合面处网格进行细化处理。网格划分后的有限元模型见图1。本文所采用的基体与涂层材料的物性参数见表1、2。

图1 涂层系统模型

表1 GH4169基体的物性参数

表2 Ni Cr Fe Mo的物性参数

1.2热源模型

采用高斯热源模型模拟喷枪，通过APDL编程语言使热源中心位置随时间而变化，模拟喷涂过程中喷枪的移动和对沉积层表面施加的热流密度载荷。选用的高斯热源函数[11]为

式中：q(r）为等离子弧热流密度；qm为热源中心最大热流密度；rh为等离子弧加热半径；r为任意点距热源中心距离。

2、有限元计算

2.1相关假设

在分析中做如下几点假设：(1)整个涂层系统不存在缺陷。(2)分析模型是完全弹性的，且材料各向同性。(3)在热分析过程中，只考虑试样表面与空气间的对流传热，而忽略热辐射的影响。(4)涂层与基体之间的界面为光滑的，不考虑粗糙度的影响，且在界面处不发生相对滑动。

2.2边界条件与计算过程

计算时，热分析阶段假设基体初始温度与环境温度同为20℃，喷涂时涂层单层厚度为0.2 mm、喷涂速度为0.02m/s。模拟喷涂前，先将涂层单元全部“杀死”，在基体四周与底面施加随温度变化的对流换热系数。在模拟喷涂时，每层单元随高斯热源从左向右的移动逐行激活。喷涂结束后，涂层与基体自然冷却至室温（20℃）。将热分析转换为结构分析，并将热分析阶段得到的温度场作为载荷施加至结构分析中，得到涂层的残余应力场。

3、数值模拟结果与分析

3.1温度场模拟结果与分析

图2是在模拟喷涂过程中，涂层上表面热源中心线上1.5s时的温度分布曲线。此时热源中心位于距左端面起始点30mm处，但从图2中可看出，此时温度最高点并不位于热源中心处，而是略有滞后，时间上滞后约0.15s、空间上滞后约3mm。

图2 1.5 s时热源中心线温度分布

图3分别为喷涂至0.5、1、1.5s和喷涂结束时刻6.3 s时的温度场云图。从图3(a）、（b）、（c）可看出，随着热源的移动，温度场分布呈现出一个拖着尾巴的彗星状[12]。热源前端温度等值线比热源后端区域更为密集，所以在热源前端的温度梯度较大，而热源后端的温度梯度较小，这是由于热源的快速移动造成的。

随着喷涂过程的进行，热量不断累积，涂层与基体的温度不断升高。如图3(d）所示，当喷涂结束时，右端面附近温度远高于其他区域。由于温度最高点的滞后性，温度最高点并不在右端面，而是在靠近右端面处。

图3 不同时刻下涂层的温度场

图4(a）中节点1为涂层与基体结合面左端线的中点，节点2为沉积层第一层上表面左端线中点，节点3为沉积层第二层上表面左端线中点。图4(b）为3个节点在模拟喷涂过程中温度随时间的变化曲线。由图4(b）可看出，在喷涂过程中，节点的温度变化趋势基本相同，当热源热动到节点上方时，节点温度迅速升高，升温曲线近似直线；当热源逐渐远离节点时，节点温度近似成抛物线而快速下降。节点2、3在被激活后，分别经历了3次和两次的快速升温和降温过程。这说明涂层颗粒在喷涂过程中会经多次的高速升温与迅速降温，这使得涂层内部产生较大的残余应力[13-14]。各个节点在同一峰值处温度相差很大，因此涂层系统在厚度方向存在很大的温度梯度，且节点1、2之间的温度梯度大于节点2、3之间的。热梯度效应的存在是涂层残余应力形成的主要原因之一[15]。

图4 节点位置和不同节点喷涂过程的温度变化

3.2应力场模拟结果

等离子喷涂涂层中的残余应力主要形式为径向应力σx[16]，因此，本文主要针对径向应力σx来分析涂层系统的残余应力分布。

图5为节点2的径向应力σx随时间的变化曲线。可看出，应力在喷涂过程中出现了3次剧烈的波动，这是因为在喷涂过程中热源3次经过节点2的上方，使节点2经历了3次快速升温与降温过程，节点2在快速膨胀与快速收缩的过程中产生了较大的径向应力。当热源远离节点2时，应力基本保持平稳。涂层颗粒在喷涂过程中由于高速升温和迅速降温所导致的快速膨胀与快速收缩是涂层残余应力形成的重要原因之一。

图5 节点2应力随时间的变化曲线

图6为第一、二、三层涂层喷涂完毕时涂层系统的径向应力σx的分布。由图6(a）、（b）、（c）可知，在喷涂过程中最大径向拉应力出现在涂层与基体结合面靠近右端面处，最大径向压应力出现在涂层表面。随着涂层沉积层的增多，最大径向拉应力和压应力逐渐增大，最大径向拉应力分别为67.9、163、269MPa，最大径向压应力分别为76.7、111、421 MPa。从整体上看，在喷涂过程中，基体承受残余压应力，涂层受残余拉应力。这是由于在喷涂过程中，涂层与基体同时受热膨胀，而基体的热膨胀系数大于涂层的而造成的。

图6 涂层的径向应力云图(Pa)

图7为涂层冷却至室温时的应力云图。可看出，最大径向拉应力依然出现在结合面靠近右端面处，最大值为252MPa。究其原因为在喷涂过程中热量不断累积；喷涂结束时，右端面附近温度最高，且边缘处冷却速度较快，温度发生剧烈变化，从而产生最大拉应力。在涂层表面的残余应力为残余压应力，最大值为405MPa。对比图6(c）和图7可知，冷却至室温后的最大拉应力与最大压应力都略小于喷涂结束时的应力。从总体上看，整个结合面处的拉应力值大于涂层和基体内部的。这是由于在降温过程中，涂层与基体同时收缩，基体的降温收缩量大于涂层的，因此在涂层与基体结合面处产生了较大的残余拉应力，使涂层与基体的结合强度降低。

图7 室温时涂层的应力云图(Pa)

4、结论

(1）随着沉积层的增多，热量不断累积，涂层系统温度升高，喷涂至最外层时温度最高；在喷涂过程中，温度最高点略滞后于热源中心，涂层颗粒温度随时间大幅周期变化；在厚度方向存在很大的温度梯度，涂层与基体间的温度梯度大于涂层每层之间的。

在喷涂过程中，涂层颗粒残余应力随时间大幅度周期波动。最大残余压应力出现在涂层表面；最大残余拉应力出现在涂层与基体结合面处，且整个结合面都为较大的残余拉应力。

参考文献:

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[3]段忠清,张宝霞,王泽华.等离子喷涂NiCrAl涂层残余应力模拟分析[J].装备制造技术,2009(5):18-19.

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[12]席明哲,虞钢.连续移动三维瞬态激光熔池温度场数值模拟[J].中国激光,2004,31(12):1527-1532.