基于爆炸焊和能量分配的HVAF喷涂半熔化粒子共沉积理论与高结合强度机理

One typical characteristic of HVAF sprayed coatings is the high bonding strength, which gives a promising method to improve the low bonding strength of general thermal sprayed coatings. To investigate the high bonding strength mechanisms of HVAF sprayed coatings, the reference of bonding theory of explosive welding and the simulation using ANSYS/LS-DYNA software and experimental nano-micro-observation using FIB-SEM will be adopted in this study. The energy distribution and transfer between the splat and substrate, and between the splat and splat will be used to examine the effective plastic strain, temperature change in their interface and the particle depositon behaviors. The efforts will be emphasized on the intermediate variables' changes of the interface phase compositions, bonding status, bonding type and bonding area. The mechanical model between the intermediate variables and the coating bonding strength will be derived and the bonding mechanism of HVAF sprayed coating will be proposed referring to the bonding mechanisms of explosion welding. Furthermore, the differences of the influences of WC particles size on the HVAF sprayed coating properties will be clarified. These research results will enrich the thermal spray and explosive welding fundamental theories, and provide some possible suggestions to get higher bonding strength coatings for the next gerneration high speed and heavy load applications.

HVAF喷涂层具有高结合强度的显著特征，为解决长期以来困扰热喷涂层结合强度较低的关键难题带来曙光。基于HVAF与爆炸焊的相似性，为了阐明HVAF喷涂层高结合强度机理，首次提出借鉴爆炸焊波形界面形成和结合理论，突破常规结合强度等涂层宏观性能为目标函数的研究方法，利用ANSYS/LS-DYNA数值仿真和新一代聚焦离子束扫描电镜微观观察技术相结合，从能量分配新视角，重点研究HVAF喷涂粒子碰撞过程中能量分配和转移过程，阐明粒子共沉积行为；分析粒子有效塑性分布和界面微区温度演化；专注涂层内三类界面的相组分、结合方式、结合率等粒子微观中间参量，建立中间参量与结合强度之间的力学模型；参考爆炸焊界面结合学说，提出HVAF喷涂层的结合机理，明确高结合强度的纳微观原因；明晰WC颗粒尺寸对喷涂涂层性能的影响分歧，提炼出复合涂层的设计准则。研究成果将丰富热喷涂和爆炸焊理论，为满足大型装备涂层的苛刻要求提供指导。

中国制造2025指出：建设制造强国任务艰巨而紧迫，需加强关键核心技术研发，其中开发服役于苛刻环境下的长寿命涂层是核心技术。本项目聚焦超音速火焰喷涂先进技术，从纳微观角度深入研究飞行粒子的高速碰撞沉积过程和涂层高结合强度的机理，开发大型螺杆钻具马达转子表面耐磨涂层并用于替代电镀工艺的技术方案，有利于促进环保、推动国家可持续发展。通过借鉴爆炸焊波形界面形成和结合理论，采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件并结合实验方法，对超音速火焰喷涂粒子在不同基体上的沉积行为进行研究，阐明了超音速火焰喷涂过程中粒子尺寸与基体撞击的时空关系，分析了超音速火焰喷涂过程中基体的状态参数与界面结合、飞溅的关联行为，提出了能量分配系数用于表征粒子与基体的变形状态，用来定性预测粒子与基体的结合率。探究了超音速火焰喷涂过程中高速飞行粒子的速度和温度动态参数对结合强度的影响规律，阐明了超音速火焰喷涂半熔化粒子所制备的涂层接合强度高的微观结合机理，提出了形变比用来预测和评估粒子与基体的结合强度。设计了微米、亚微米、纳米和双峰结构的四种WC颗粒尺度的金属陶瓷WC-12Co粉末，阐明了粉末结构对涂层组织性能的影响规律，总结了不同WC颗粒尺度对脱碳、断裂韧性、微纳尺度力学行为的影响机理。双峰金属陶瓷涂层表现出最好的韧性10.76MPa•m1/2，并兼备优越的硬度1291HV0.1。总结得到了双峰结构涂层的设计准则。研究成果丰富了热喷涂技术理论，为“双高”金属陶瓷涂层的结构设计提供了方案，研究成果已应用于大型螺杆钻具马达转子表面涂层的制造。