冷喷涂数值模拟研究现状及发展趋势

辛 锐 郭 纯 何梓良 魏宝丽 陈 丰

(安徽科技学院机械工程学院，安徽 凤阳 233100)

冷喷涂技术是利用载气使颗粒撞击基板并与基板结合的技术，目前其有着很多的用途，对于其作用过程的研究主要通过数值模拟与试验结论相结合方式进行，主要有流动场数值模拟和颗粒沉积过程的数值模拟。

1 冷喷涂技术的发展

早在20世纪80年代俄罗斯设立在西伯利亚诺沃西比尔斯克的理论与应用力学研究所就发现了冷喷涂技术[1]，由于其优越的特性[2]，越来越多的人开始研究，目前美国与一些欧洲国家已经开始运用冷喷涂技术到实际工程建设中[3]，我国有很多的国家单位在研究与开发冷喷涂技术，该技术在航空，航天、零件修复、电子等领域有着很好的发展潜力[4]。

2 主要研究成果

2.1 冷喷涂射流流动场数值模拟

喷涂颗粒通过拉伐尔管内载气的带动撞击到基板上，侯宇等人[5]利用RNGK-ε模型对拉伐尔管内超音速流动过程进行了数值模拟，发现拉伐尔管进口的气体温度以及压力对载气的喷出速度有很大的影响，适当的提高温度可以提高载气喷出速度，载气压力很难增加，所以一般控制在3.5MPa以内。考虑到温度对后续颗粒喷涂过程的影响，较大的颗粒喷涂时使用有一定长度直管段的喷管，较小颗粒使用较短直管段的喷管。

赵爱娃等人[6]利用PHOENICS分析软件进行流动场数值模拟，研究发现喷嘴与基板间距离不宜过大，否则流场会出现压缩波并影响喷涂效果。在运用双流体模型的IPSA算法模拟喷涂过程时对不同材料密度和不同颗粒直径的模拟结果进行了对比，结果显示当喷涂颗粒材料为铁时，喷涂气体为空气时颗粒直径为3μm～10μm比较合适，而喷涂颗粒的密度比铁大时最佳颗粒直径会略小些，比铁小时与之相反。在数值模拟过程中基板前约5mm出现处脱体激波，另外经过分析得出矩形口拉伐尔喷嘴比圆嘴好。

高丽娟等人[7]与单相流流体数值模拟结果对比，得出两相流流体数值模拟分析激波更合理。

张涛等人利用FLUENT模拟软件模拟了冷喷涂射流流场，发现用FLUENT软件模拟该过程并优化工艺参数是可行的。在数值模拟过程中发现基板前出现的脱体激波会使温度升高，而且温度的范围对颗粒冷喷涂过程是有利的。通过更换气体相的材料，认为氮气适合做冷喷涂气体，另外他们觉得使用多孔喷嘴对冷喷涂有利。

2.2 冷喷涂颗粒沉积过程数值模拟

高虹等人运用分子动力学模拟分析了Au团簇沉积在Au基板上的过程，得出沉积颗粒的入射速度为300～1200 m/s时，颗粒不会对基板造成严重的微观破坏，而基体表面上的原子会运动到基体表层与沉积颗粒的原子交错在一起形成向外延伸的原子层，沉积颗粒也逐渐变成椭圆状，沉积层与基体的结构类似。另外颗粒的粒径与入射速度对沉积结果有影响。

孟宪明等人使用有限元法模拟了304不锈钢粒子沉积在FI基板的过程，不同沉积速度的单个颗粒沉积结果的对比显示增加速度则颗粒的扁平率和碰撞界面接触面积都会增加。另外当沉积速度大于一定值时，颗粒与基板结合的边界区域出现热剪切失稳变形。

李岳等人运用ABAQUS软件进行有限元模拟，单颗粒子沉积过程使用Lagrange法，运用三维模型研究了温度、入射角度以及接触界面摩擦力对沉积结果的影响，发现增加颗粒与基板的初始温度能使得颗粒与基板更有效地结合，此外铜颗粒与铜基板结合的主要原因不是铜的熔化。而颗粒沉积偏离垂直于基板的角度大于20°时颗粒产生滑移不利于沉积。多颗粒子沉积使用Euler法，发现后续颗粒的夯实作用使得涂层里颗粒呈现内疏外密的分布情况，随涂层厚度的增加涂层的质量也会提高。在颗粒撞击基体的过程中会出现溅射现象使涂层的孔隙率变高。另外不同的材料沉积的涂层结构也不一样。

殷硕等人采用数值模拟和实验验证相结合的方式分析了多种工艺参数对冷喷涂过程的影响。对比多种计算模型得出的颗粒沉积模拟结果，他们发现运用二维Lagrange模型进行模拟对网格的要求很高，三维模型模拟的颗粒沉积外貌和实验结果一致，因此运用三维模型比二维模型更可靠。采用Euier模型对网格的划分没有太高的要求，单颗粒与多颗粒的沉积结果也与实验结果一致，但是颗粒沉积后的外貌不清晰。继李岳之后发现涂层上的颗粒呈内疏外密与粒子间的相互作用有关。更换基板的材料进行钛颗粒沉积过程的数值模拟，基体的硬度对颗粒沉积的结果有影响，较软的基体，颗粒沉积的时候易陷进基体里形成厚涂层，对于较硬的基体则涂层较薄。

杨攀等人对硅颗粒沉积过程进行了数值模拟，通过建立二维Lagrange模型模拟沉积过程，当选取不同的入射速度时发现速度大于一定值时沉积后颗粒与基板结合的边界外围会出现“缺口”。模拟多个硅颗粒沉积时发现涂层存在很大的空隙，多喷几次可以提高涂层质量，若减小硅颗粒的尺寸，可提高颗粒沉积的效率。在此处他们选取铜基板，载气温度使得铜基板发生变形，随之沉积效率也会有所提高，但是对硅颗粒的形貌影响不大。另外硅颗粒与铜基板的结合方式是机械结合。

赵明等人运用ABAQUS软件模拟了铝合金颗粒沉积在镁合金基板的过程，观察发现颗粒沉积的结果也受到颗粒形貌的影响，基板的表面特性对沉积结果也有一定的影响。

3 结语与展望

由于自身优越的特性，冷喷涂技术已经开始运用到一些加工制造上，对于其运用的更多方向还有待发现。目前冷喷涂数值模拟主要研究的是颗粒沉积过程的变形问题，还需要对喷涂颗粒与基板结合的机理进行研究，某些材料的颗粒与基板可能存在几种不同的结合机理有待研究讨论，对于喷涂装备的设计与开发还要继续，特殊材料的喷涂过程的研究也是一研究方向，相信数值模拟技术的不断发展将更准确地对冷喷涂过程进行研究。