第12期 巫湘坤等：多颗粒沉积模型预测铜和铝冷喷涂层微观形貌 ·1395· 100 9外a 90 4m 7 0 6 中 60 50 40 -300ms- 30 ◆400ms1 +500ms 20 600m"s1 10 0 0102030405060708090 300 400 500 600 时间ns 速度m·s) 图5特征单元格（图4中箭头所示）等效塑性应变演变(a)及颗粒压缩率(b) Fig.5 Temporal evolution of particle strain at the selected element (as marked by arrows in Fig.4)(a)and compression ratio at different particle impact velocities (b) 和温度都比较低，颗粒变形程度小，压缩率小，在多 粒的沉积模型，计算不同速度条件下颗粒的扁平化 个颗粒的交界处存在明显的孔洞，如图中圆圈所示， 程度，界面应变大小以及是否存在孔洞，可以预见涂 与图4(a)中的模拟结果相对应.此工艺条件下，根 层的孔隙率，颗粒间的结合强度.从而指导冷喷涂 据文献9]中气固加速模型，颗粒在喷嘴出口速度 工艺参数的选择，制备性能优异的涂层 为472ms1,但是由于Al颗粒密度小，喷管出口到 2.2材料特性的影响 基板表面段，颗粒速度会下降，实际碰撞速度小于 实验结果和单颗粒模拟结果表明，颗粒及基板 472m·s'.此时，Al颗粒在钢基板表面形成了涂 材料特性0-)、颗粒/基板材料特性的匹配m都会 层，但涂层孔隙率高，颗粒间结合不紧密，涂层质量 影响颗粒沉积行为和结合行为.为了研究材料特性 不高.颗粒速度增加之后，颗粒变形充分，界面发生 对多颗粒沉积过程的影响，模拟了A1和Cu在Al、 流变，材料流变使交界处的孔洞消失，涂层致密性增 C、Q235钢基板上的沉积过程，然后通过冷喷涂工 加，如图4(b)~4(d)中，己经不存在孔洞.相对应 艺分别在Al、Cu和Q235钢基板上制备了Al和Cu 地，图6(b)为A1工艺下制备的A1涂层.喷涂压力 涂层.图7为A颗粒以600m·s1的速度分别碰撞 和温度升高会增加颗粒的速度，从而使颗粒变形更 Al、Cu和Q235钢基板后，形成的涂层沉积形貌及等 加剧烈，图中颗粒明显剧烈扁平化，变成扁平长条 效塑性应变分布.图8为Cu颗粒以500ms的速 状.交界处的孔洞也消失了，颗粒之间的结合面积 度分别碰撞A、Cu和Q235钢基板后，形成的涂层 相应增加. 沉积形貌及等效塑性应变分布.从图中可以看到， 颗粒速度直接决定涂层能否形成及涂层质量， 颗粒持续作用下，基板表面发生了不同程度的破坏 而颗粒速度依赖于加速气体的压力和温度等喷涂条 和变形，形成一定的形变区.随着基板硬度增加，沉 件，多颗粒沉积模型可以预测冷喷涂条件对沉积层 积层与基板的界面粗糙度逐渐减小，界面越来越 微观形貌的影响，从而预计涂层的性能。通过多颗 平滑. 204m 图6不同喷涂条件下A1涂层藏截面腐蚀扫描电镜形貌.(a)A2:(b)A1 Fig.6 Cross-sectional polished and etched scanning electron micrographs of aluminum coatings under different process conditions:(a)A2:(b)Al第 12 期 巫湘坤等: 多颗粒沉积模型预测铜和铝冷喷涂层微观形貌 图 5 特征单元格( 图 4 中箭头所示) 等效塑性应变演变 ( a) 及颗粒压缩率( b) Fig． 5 Temporal evolution of particle strain at the selected element ( as marked by arrows in Fig． 4) ( a) and compression ratio at different particle impact velocities ( b) 和温度都比较低，颗粒变形程度小，压缩率小，在多 个颗粒的交界处存在明显的孔洞，如图中圆圈所示， 与图 4( a) 中的模拟结果相对应． 此工艺条件下，根 据文献［19］中气固加速模型，颗粒在喷嘴出口速度 为 472 m·s － 1 ，但是由于 Al 颗粒密度小，喷管出口到 基板表面段，颗粒速度会下降，实际碰撞速度小于 图 6 不同喷涂条件下 Al 涂层截面腐蚀扫描电镜形貌 . ( a) A2; ( b) A1 Fig． 6 Cross-sectional polished and etched scanning electron micrographs of aluminum coatings under different process conditions: ( a) A2; ( b) A1 472 m·s － 1 ． 此时，Al 颗粒在钢基板表面形成了涂 层，但涂层孔隙率高，颗粒间结合不紧密，涂层质量 不高． 颗粒速度增加之后，颗粒变形充分，界面发生 流变，材料流变使交界处的孔洞消失，涂层致密性增 加，如图 4( b) ～ 4( d) 中，已经不存在孔洞． 相对应 地，图 6( b) 为 A1 工艺下制备的 Al 涂层． 喷涂压力 和温度升高会增加颗粒的速度，从而使颗粒变形更 加剧烈，图中颗粒明显剧烈扁平化，变成扁平长条 状． 交界处的孔洞也消失了，颗粒之间的结合面积 相应增加． 颗粒速度直接决定涂层能否形成及涂层质量， 而颗粒速度依赖于加速气体的压力和温度等喷涂条 件，多颗粒沉积模型可以预测冷喷涂条件对沉积层 微观形貌的影响，从而预计涂层的性能． 通过多颗 粒的沉积模型，计算不同速度条件下颗粒的扁平化 程度，界面应变大小以及是否存在孔洞，可以预见涂 层的孔隙率，颗粒间的结合强度． 从而指导冷喷涂 工艺参数的选择，制备性能优异的涂层． 2. 2 材料特性的影响 实验结果和单颗粒模拟结果表明，颗粒及基板 材料特性［20--21］、颗粒/基板材料特性的匹配［11］都会 影响颗粒沉积行为和结合行为． 为了研究材料特性 对多颗粒沉积过程的影响，模拟了 Al 和 Cu 在 Al、 Cu、Q235 钢基板上的沉积过程，然后通过冷喷涂工 艺分别在 Al、Cu 和 Q235 钢基板上制备了 Al 和 Cu 涂层． 图 7 为 Al 颗粒以 600 m·s － 1 的速度分别碰撞 Al、Cu 和 Q235 钢基板后，形成的涂层沉积形貌及等 效塑性应变分布． 图 8 为 Cu 颗粒以 500 m·s － 1 的速 度分别碰撞 Al、Cu 和 Q235 钢基板后，形成的涂层 沉积形貌及等效塑性应变分布． 从图中可以看到， 颗粒持续作用下，基板表面发生了不同程度的破坏 和变形，形成一定的形变区． 随着基板硬度增加，沉 积层与基板的界面粗糙度逐渐减小，界面越来越 平滑． ·1395·