电弧喷油雾化过程的研究 雾化熔滴速度、温度及大小等特征是评价电弧喷 涂雾化过程及涂层性能的重要指标[29 ,30 ] 。雾化气体 特性是影响熔滴飞行行为的一个重要参数,不同的喷 抢结构、气体压力会产生不同的流场分布结果。例如, KEL KAR M. [ 31 ] 等人采用光学系统分析了不同喷嘴 几何形状所形成的流体动力学对于粒子流的影响,认 为喷嘴的设计在雾化气流到达喷油丝端部之前,应尽 量减小或消除激波的形成。Wang X. D. [32 ] 结合CFD 模型及实验研究了雾化压力对涂层性能的影响,结果 表明,雾化压力的变化导致熔滴大小的变化,从而导致 电弧喷油快速成形技术研究现状93 涂层孔隙率和氧化物含量的差异。 研究电弧喷油粒子雾化过程的测试技术及理论模 拟正处在发展阶段。为进一步揭示电弧喷油的规律, 还需对喷油粒子的动力学、传热、传质过程作深入的研 究,运用先进的测试手段和分析工具,建立可靠的计算 理论模型,使其更好的为生产实践服务。 3. 2. 2 粒子沉积过程的热传输及应力行为研究 高速飞行的粒子撞击到基体表面后,将发生飞溅 和变形,粒子在变形的瞬间被冷却、凝固,形成扁平颗 粒,这一过程称为扁平化过程。扁平化过程只有10 - 7 ～10 - 5 s[33 ] 。接之而来的粒子又在其上不断堆积,形 成喷油层。关于电弧喷油过程中的温度场变化的研 究,据报道通过热电偶、高温计或红外热像仪等设备测 量喷油过程中涂层温度场的变化规律[34 ] ,也有利用有 限差分或有限元等数值方法模拟喷油过程中涂层温度 的瞬态变化规律[ 35 - 37 ] ,并分析喷油工艺与温度场之间 的关系,这些研究对改善涂层中的温度场分布起到了 极大的推动作用。 在国内,对热喷油雾化过程中的粒子温度场及速 度场分布情况研究颇多,对热喷油沉积过程中涂层温 度场的变化主要集中在数值分析阶段[38 ,39 ] ,但有关实 验研究的报道尚少。华中科技大学的张海鸥等人已开 展了等离子喷油制模的涂层温度场的红外热像仪测 量[40 ] 。对机器人等离子喷油制模工艺中不同的路径 对涂层温度场分布进行了实验优化。 热喷油内应力产生的原因,通常包括两个方面:金 属液滴撞击基体,快速冷却凝固之后,金属薄片的收缩 受到自身及基体限制,在金属薄片内产生拉应力。熔 点越高,收缩内应力越大,甚至可以超过金属薄片间的 结合强度。在喷油过程中,基体被加热,喷油结束后基 体冷却,在这种加热、冷却过程中,涂层与基体的膨胀 系数不匹配,也会产生应力。另外,当喷油诸如高碳钢 之类的材料时,在含氧气氛中喷油时合金相会发生组 织转变,碳被大量烧损,同时生成贝氏体和马氏体,具 有抑制残余拉应力增大的作用[26 ] 。 热喷油涂层内应力的测量方法主要有两种: X2 ray Diff raciton (XRD) 宏观应力测定以及弯曲法应力 测定[ 41 ] 。其中XRD 法不能实现在线测量,并且对试 样的形状、大小、表面质量有特殊的要求。另外,因为 X2ray 在金属中有限的穿透深度,XRD 主要用于测量 涂层表面的应力。采用弯曲法时,假设涂层不受剪切 力的作用,在整个涂层厚度上,弹性模量均匀一致。但 实际情况是,涂层与基体的膨胀系数的不匹配以及涂 层沉积过程的温度载荷,界面间以及涂层内部不可避 免存在剪切应力,而且涂层的弯曲程度与基体材料性 能、厚度等参数有关。因此,为了揭示涂层内部的残余 应力分布的真实情况,还需要突破很多技术瓶颈。实 际研究中,往往结合实验分析结果并采用有限元等数 值方法模拟喷油过程中及喷油后的应力规律,为成形 涂层的性能评价、破坏机理的分析等提供重要的依 据[42 - 44 ] 。 3. 2. 3 电弧喷油层的氧化与控制 电弧喷油时存在很严重的氧化问题,生成的氧化 物膜一般比较硬且脆,它的存在降低了涂层颗粒间的 结合强度(内聚强度) ,并且容易在氧化物膜内萌生微 裂纹,由于氧化反应时生成的气体未及时排出,进而产 生微孔隙,另一方面,由于氧化反应会放出热量,使熔 滴沉积时具有相对较高的热量,使颗粒充分扁平化,减 小了飞溅, 一定程度上改善了涂层的性能。例如, Hoile S. 等人研究了电弧喷油高碳钢丝材时涂层的氧 化行为[25 ] 。他们认为在成形过程中,要将氧化降到最 低限度,因此研究中采用了N2 作为雾化气体,并在有 抽气除尘装置的密闭仓中进行,试验测试了不同喷油 工艺(如喷油距离、雾化气压、送丝速度和机器人的运 动速度) 对涂层氧化物含量的影响,结果发现,喷油距 离是影响氧化物含量的最重要因素,喷油距离从160 mm 减至120 mm 时,组织中氧化物成分可降低一半。 Newbery A. P. 和Grant P. S. 也研究了在不同含O2 量(0 , 5 %, 10 %, 15 % , 20 % (体积分数) ) 的N2 混合 气体中喷油高碳钢丝材时涂层的氧化特点[45 ] ,结果发 现,氧的存在造成了大量的碳烧损,含氧量越高,碳烧 损越严重,由于氧化使得沉积温度升高,恶化了涂层的 组织均匀性,降低了涂层的硬度,增加了脆性。因此, 如果将涂层的氧化控制在合适的范围内,抑制氧化造 成的不利因素,将有助于厚成形零件的性能。 4 结束语 综上所述,决定电弧喷油厚成形的关键因素在于 两个方面:涂层的原始强度(即无应力状态时的结合强 度,或称为固有强度) 和残余应力。通常情况下涂层最 终表现为拉应力,因此涂层的内聚强度可理解为涂层 的原始强度减掉涂层的残余应力。所以分析认为,解 决电弧喷油厚成形(尤其高熔点材料) 的中心问题是提 高涂层的内聚强度。为此,建议今后电弧喷油快速成 形技术的研究重点应放在提高涂层的固有强度和降低 涂层的残余应力这两个方面,具有解决方法可从以下 几个方面考虑: (1) 材料的选择与设计。包括耐氧化非晶/ 纳米晶 等新材料设计,以降低氧含量;添加合金素,使氧化物 94 材料工程/ 2010 年2 期 包覆在颗粒中间;硬软相复合的涂层设计,使软质相通 过塑性变形可以释放部分应力。 (2) 电弧喷油成形工艺控制与优化。通过红外控温 等技术优化喷油路径,以减小残余应力,同时,优化喷油 距离、电流、电压、移动速度等工艺,以提高内聚强度。 (3) 设备升级改造。通过改造喷油设备,或者考虑 采用N2 等保护气氛喷油,降低氧化并提高强。 |
