热喷涂中热质耦合对涂层微结构影响的机理研究

It is essential to investigate the droplet-substrate interaction in thermal spraying in order to control the grain structure of the coating. The microstructure of the coating is determined by the cooling rate and solidification of the splat, which control the nuclei formation at the interface and the followed grain growth. The understanding of this interaction can guide the formation of coating microstructure and help to extend the traditional thermal spray technology for advanced surface coatings in new applications. By simulation and modeling of the physics phenomena involved in the spray, including the fluid dynamics, heat transfer and material sciences, we try to understand the coupling of the flow and heat, the cooling rate and the phase change, and the nuclei formation and growth process. By the validated model we can analysis the influence of the most important spray parameters on the coating structure and find the control mechanism of grain structure for different coatings, thus we can guide the formation of non-crystalline or polycrystalline in the coatings to provide excellent performance in the field of aviation, aerospace and defense.

从传热学的角度来研究热喷涂中熔融微粒子和基体的相互作用过程，了解冷却速度和相变凝固以及涂层形成中晶核的形成和生长，为制备非晶、纳米晶和复合晶结构的涂层提供可靠、可行的理论指导对研制和发展新型陶瓷涂层有重要意义。本课题将发展针对陶瓷涂层的完善可靠又实用的模型和计算程序，研究热喷涂中的流体流动（对流和自由表面流动等），热量传输（热传导，热对流，表面热辐射等）的耦合以及涂层晶体成核和生长过程等，经过模型检验和直接实验验证后，用来分析喷涂中关键参数的影响，结合宏观物理量与涂层的微观结构，为提高涂层质量提供新思路。本研究将为控制陶瓷涂层的微结构奠定理论基础，并为高性能涂层在航空、航天及国防领域的应用提供科学依据。

热喷涂技术是一种表面强化加工技术，通过在基体材料表面喷涂一层材料使其具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、隔热、防辐射和减磨等性能。可以制备不同的涂层厚度以满足不同的涂层特性需求，在航天、航空、冶金、机械、造纸、石油化工等几乎所有工业领域以及家庭用品等得到广泛的应用。..本研究侧重熔融微粒子扁平化形成片层的过程，因为片层堆积形成的涂层性能与片层的形貌和晶体结构直接相关，而片层的形貌和微结构取决于喷涂中所发生的热传输过程及凝固过程。研究喷涂过程中多相流所伴随的传热和凝固相变机理可以了解片层的形成，从而指导提高涂层性能。..本研究结合涂层形成过程影响因素复杂的特点，首先对熔滴入射速度、初始温度、熔滴和基板间的接触热阻、基板初始温度等对涂层形成过程有较大影响的因素做深入研究，探究以上几个因素对扁平粒子的形貌、冷却速率等的影响。根据熔滴存在过热度的特征，对已有的凝固公式进行修正；根据修正后的模型，得出影响扁平粒子形貌的临界曲线和临界曲面，同时通过模拟计算YSZ熔滴在不同状态条件下的铺展凝固过程，对上述几个关键喷涂参数的影响做系统分析，探究以上几个参数对扁平粒子形貌的综合影响。 ..对于一定状态的熔融液滴，存在一个临界曲线或临界曲面的得出可以指导涂层制备：在该临界曲线或曲面内，熔滴铺展为盘状扁平粒子，此时扁平粒子具有较好的性能。对于某些参数范围内的熔滴，通过改变喷涂设置，以及控制熔滴入射速度、初始温度、接触热阻、基板初始温度等参数，可以使扁平粒子的形貌可控，能对实际涂层制备过程提供指导。