·1394· 北京科技大学学报 第34卷 400、500和600m's-1,研究颗粒与Al、Cu和钢基板 突变点不断提前，而且能达到的最大应变值不断增 的碰撞过程时，Al颗粒的速度为600m·s,铜颗粒 加，由300ms时的4.5左右增加到600m·s1时 的速度为500ms-1. 的9左右.界面区域大应变薄层在颗粒间的结合过 程中具有关键作用，在几十纳秒内等效应变达到 2实验结果与讨论 900%,应变速率很大，达到10°s1,碰撞中大应变 2.1喷涂工艺的影响 和大应变速率的极端变形条件使材料发生一系列复 图4为铝颗粒以不同的速度碰撞钢基板时，颗 杂的物理化学过程和微观组织演变，如动态再结 粒的变形形貌及等效塑性应变分布.A1颗粒碰撞钢 晶2-0、非晶化回和界面材料相互混合s一0.普遍 基板之后，颗粒发生了不同程度的变形，大形变区域 认为，界面薄层在碰撞中发生绝热剪切失稳，破碎表 主要集中在颗粒与基板以及颗粒之间的界面.相对 面氧化皮，形成射流，露出新鲜的金属表面，实现原 于A!而言，钢基板硬度高，变形比较困难，模拟结果 子间的结合-，图4(d)中界面变形特别剧烈，可 可见基板变形比较小，系统的动能主要通过颗粒变 以观察到明显的界面射流.高速碰撞形成的剧烈塑 形耗散.随着碰撞速度不同，颗粒的沉积特点也不 性变形及复杂过程促进颗粒之间的相互结合，提高 同.图4(a)中，由于碰撞速度低，颗粒初始动能小， 涂层性能.除了在颗粒界面形成大应变区外，碰撞 碰撞中颗粒没有充分变形，多个颗粒的交界处容易 过程中，后续颗粒的持续夯实作用下，某些颗粒内部 形成孔洞，如图4(a)中圆圈标识，从而涂层致密性 也会形成大应变带，如图4(b)所示，一些颗粒内形 下降，势必影响涂层导电、硬度等性能.碰撞速度增 成贯穿整个颗粒的大应变带，碰撞速度增加，这种大 加之后，变形加剧，颗粒充分伸展，填充了交界处的 应变带累积甚至使颗粒发生断裂，如图4(c)和4 孔洞，如图4(b)~4(d)所示，碰撞速度大于400m· (d)所示.此外，随着碰撞速度的增加，由于颗粒塑 s后，涂层中没有明显孔洞存在，孔洞消除增加了 性变形的增加，颗粒扁平化程度也增加，图4(a)中 颗粒之间的结合面积，从而结合力也会增加，同时提 所示I、Ⅱ、、IV和V五个颗粒在不同速度下的压 高涂层其他性能.从图4(a)到4(d),碰撞速度逐渐 缩率如图5(b)所示.整体来看，随着碰撞速度增 增加，颗粒界面的应变也逐渐增加，红色和黄色区域 加，颗粒压缩率增加.但是，实际喷涂过程中，大量 比例不断增加，这表明界面的变形越来越剧烈.不 颗粒同时或先后在基板表面沉积，颗粒的扁平化过 同碰撞速度条件下，颗粒Ⅱ上箭头所示区域单元格 程不仅和颗粒速度相关，同时还受到周围颗粒的相 的等效塑性应变随碰撞时间的演变过程如图5(a) 互作用，颗粒间夯实作用使颗粒压缩率增加，相互间 所示，在颗粒与基板接触的开始阶段，颗粒发生 的挤压作用限制颗粒扁平化，相同条件下颗粒的扁 一定塑性应变，在后续颗粒夯实作用下，等效塑性应 平化程度并不一致. 变急剧增加.由图可知，随着碰撞速度的增大，应变 图6(a)为A2工艺下制备的Al涂层，喷涂压力 等效塑性应变 0.0 2.0- 1.8- 1.6- 14 12- (d) 1L0- 0.6- 0.4- 0.2 0 图4铝颗粒以不同的速度碰撞钢基板时形成的的变形形貌及等效塑性应变分布.(a)300m·s1:(b)400m·s1:(c)500m·s1:(d) 600ms1 Fig.4 Deformation patterns and effective plastic strain profiles of aluminum particle deposition onto a steel substrate at different particle velocities: (a)300ms-1:(b)400ms-l:(c)500ms-:(d)600ms1北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 400、500 和 600 m·s － 1 ，研究颗粒与 Al、Cu 和钢基板 的碰撞过程时，Al 颗粒的速度为 600 m·s － 1 ，铜颗粒 的速度为 500 m·s － 1 ． 2 实验结果与讨论 图 4 铝颗粒以不同的速度碰撞钢基板时形成的的变形形貌及等效塑性应变分布． ( a) 300 m·s － 1 ; ( b) 400 m·s － 1 ; ( c) 500 m·s － 1 ; ( d) 600 m·s － 1 Fig． 4 Deformation patterns and effective plastic strain profiles of aluminum particle deposition onto a steel substrate at different particle velocities: ( a) 300 m·s － 1 ; ( b) 400 m·s － 1 ; ( c) 500 m·s － 1 ; ( d) 600 m·s － 1 2. 1 喷涂工艺的影响 图 4 为铝颗粒以不同的速度碰撞钢基板时，颗 粒的变形形貌及等效塑性应变分布． Al 颗粒碰撞钢 基板之后，颗粒发生了不同程度的变形，大形变区域 主要集中在颗粒与基板以及颗粒之间的界面． 相对 于 Al 而言，钢基板硬度高，变形比较困难，模拟结果 可见基板变形比较小，系统的动能主要通过颗粒变 形耗散． 随着碰撞速度不同，颗粒的沉积特点也不 同． 图 4( a) 中，由于碰撞速度低，颗粒初始动能小， 碰撞中颗粒没有充分变形，多个颗粒的交界处容易 形成孔洞，如图 4( a) 中圆圈标识，从而涂层致密性 下降，势必影响涂层导电、硬度等性能． 碰撞速度增 加之后，变形加剧，颗粒充分伸展，填充了交界处的 孔洞，如图 4( b) ～ 4( d) 所示，碰撞速度大于 400 m· s － 1 后，涂层中没有明显孔洞存在，孔洞消除增加了 颗粒之间的结合面积，从而结合力也会增加，同时提 高涂层其他性能． 从图4( a) 到4( d) ，碰撞速度逐渐 增加，颗粒界面的应变也逐渐增加，红色和黄色区域 比例不断增加，这表明界面的变形越来越剧烈． 不 同碰撞速度条件下，颗粒 III 上箭头所示区域单元格 的等效塑性应变随碰撞时间的演变过程如图 5( a) 所示，在颗粒 III 与基板接触的开始阶段，颗粒发生 一定塑性应变，在后续颗粒夯实作用下，等效塑性应 变急剧增加． 由图可知，随着碰撞速度的增大，应变 突变点不断提前，而且能达到的最大应变值不断增 加，由 300 m·s － 1 时的 4. 5 左右增加到 600 m·s － 1 时 的 9 左右． 界面区域大应变薄层在颗粒间的结合过 程中具有关键作用，在几十纳秒内等效应变达到 900% ，应变速率很大，达到 109 s － 1 ，碰撞中大应变 和大应变速率的极端变形条件使材料发生一系列复 杂的物理化学过程和微观组织演变，如动态再结 晶［12--14］、非晶化［2］和界面材料相互混合［15--16］． 普遍 认为，界面薄层在碰撞中发生绝热剪切失稳，破碎表 面氧化皮，形成射流，露出新鲜的金属表面，实现原 子间的结合［17--18］，图 4( d) 中界面变形特别剧烈，可 以观察到明显的界面射流． 高速碰撞形成的剧烈塑 性变形及复杂过程促进颗粒之间的相互结合，提高 涂层性能． 除了在颗粒界面形成大应变区外，碰撞 过程中，后续颗粒的持续夯实作用下，某些颗粒内部 也会形成大应变带，如图 4( b) 所示，一些颗粒内形 成贯穿整个颗粒的大应变带，碰撞速度增加，这种大 应变带累积甚至使颗粒发生断裂，如图 4 ( c) 和 4 ( d) 所示． 此外，随着碰撞速度的增加，由于颗粒塑 性变形的增加，颗粒扁平化程度也增加，图 4( a) 中 所示 I、II、III、IV 和 V 五个颗粒在不同速度下的压 缩率如图 5( b) 所示． 整体来看，随着碰撞速度增 加，颗粒压缩率增加． 但是，实际喷涂过程中，大量 颗粒同时或先后在基板表面沉积，颗粒的扁平化过 程不仅和颗粒速度相关，同时还受到周围颗粒的相 互作用，颗粒间夯实作用使颗粒压缩率增加，相互间 的挤压作用限制颗粒扁平化，相同条件下颗粒的扁 平化程度并不一致． 图 6( a) 为 A2 工艺下制备的 Al 涂层，喷涂压力 ·1394·