·1392· 北京科技大学学报 第34卷 合机理，研究工艺参数、材料特性、颗粒尺寸和形 了15个颗粒与基板冷喷涂沉积模型，模拟了不同颗 貌、基板表面状态可等对沉积过程的影响.但是， 粒速度时，AI颗粒与钢基板的碰撞过程，以及A1和 所报道的模拟研究工作主要集中在单个颗粒与基板 Cu颗粒分别与Al、Cu和钢基板的碰撞过程.通过 的碰撞过程，而实际冷喷涂工艺中，大量颗粒碰撞基 多颗粒沉积模型预测了喷涂工艺、不同的颗粒/基板 板，以及颗粒之间相互作用，沉积过程更复杂.Bae 材料组合时冷喷涂颗粒沉积行为及微观形貌，然后 等网在研究冷喷涂钛涂层时，模拟了12个钛颗粒与 采用自主研制的冷喷涂设备在AI、Cu和钢基板上 软钢基板的碰撞过程，分析了三种喷涂工艺条件时 制备了A!和Cu涂层，观察了涂层截面形貌，并与模 冷喷涂钛涂层的沉积行为和微观组织.Ym等回也 拟结果进行了对比 研究了冷喷涂铜颗粒之间的夯实作用，以及颗粒 1实验方法及数学模型 之间的间距对冷喷涂沉积的影响.此外，Zhou 等0也研究了多颗粒之间的夯实、挤压和互锁作 1.1实验材料与方法 用.以上研究表明冷喷涂多颗粒沉积过程复杂，颗 冷喷涂实验所用原始粉末为商业雾化C山粉和 粒的变形特点、多个颗粒与基板的交互作用，喷涂 A1粉，Cu粉末的形貌及粒度分布如图1所示，粉末 工艺、材料特性对多颗粒沉积过程的影响都有待 为球形，颗粒直径为5~75μm,Do为28m.Al粉 进一步研究 末的形貌及粒度分布如图2所示，粉末为近球形，颗 本文采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立 粒直径为5~65μm,Ds0为23μm. 8 6 100 14 80 12 60 6 40 % 2 0 0 102030405060 70 100μm 0 颗粒直径/m 图1Cu粉末形貌(a)及粒度分布(b) Fig.1 Scanning electron micrograph (a)and particle size distribution (b)of the copper powder 16 100 12 10 60 86 4 20 2 0 0 0 10 20304050 60 70 30m 颗粒直径μm 图2A1粉末形貌(a)及粒度分布(b) Fig.2 Scanning electron micrograph (a)and particle size distribution (b)of the aluminum powder 基板材料分别为Al、Cu和Q235,为了考察基板 和2000砂纸打磨，再用2μm金刚石抛光膏抛光，然 材料的变形能力，测试了基板材料的维氏硬度，A、 后超声波酒精清洗. Cu和Q235三种材料硬度值依次增加，HV。3分别为 利用自主研制的冷喷涂设备进行喷涂实验， 66.9、79.8和146.6.为了观察颗粒与基板的界面 采用圆形截面的拉瓦尔喷管喷涂，喷管各部分尺 特征，喷涂实验前，基板分别采用800°、1200、1500 寸分别为：入口直径D=20mm,喉部直径D,=北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 合机理，研究工艺参数、材料特性［4］、颗粒尺寸和形 貌［6］、基板表面状态［7］等对沉积过程的影响． 但是， 所报道的模拟研究工作主要集中在单个颗粒与基板 的碰撞过程，而实际冷喷涂工艺中，大量颗粒碰撞基 板，以及颗粒之间相互作用，沉积过程更复杂． Bae 等［8］在研究冷喷涂钛涂层时，模拟了 12 个钛颗粒与 软钢基板的碰撞过程，分析了三种喷涂工艺条件时 冷喷涂钛涂层的沉积行为和微观组织． Yin 等［9］也 研究了冷喷涂铜颗粒之间的夯实作用，以及颗粒 之间 的 间 距 对 冷 喷 涂 沉 积 的 影 响． 此 外，Zhou 等［10］也研究了多颗粒之间的夯实、挤压和互锁作 用． 以上研究表明冷喷涂多颗粒沉积过程复杂，颗 粒的变形特点、多个颗粒与基板的交互作用，喷涂 工艺、材料特性对多颗粒沉积过程的影响都有待 进一步研究． 本文采用有限元软件 ANSYS /LS--DYNA 建立 了 15 个颗粒与基板冷喷涂沉积模型，模拟了不同颗 粒速度时，Al 颗粒与钢基板的碰撞过程，以及 Al 和 Cu 颗粒分别与 Al、Cu 和钢基板的碰撞过程． 通过 多颗粒沉积模型预测了喷涂工艺、不同的颗粒/基板 材料组合时冷喷涂颗粒沉积行为及微观形貌，然后 采用自主研制的冷喷涂设备在 Al、Cu 和钢基板上 制备了 Al 和 Cu 涂层，观察了涂层截面形貌，并与模 拟结果进行了对比． 1 实验方法及数学模型 1. 1 实验材料与方法 冷喷涂实验所用原始粉末为商业雾化 Cu 粉和 Al 粉，Cu 粉末的形貌及粒度分布如图 1 所示，粉末 为球形，颗粒直径为 5 ～ 75 μm，D50为 28 μm． Al 粉 末的形貌及粒度分布如图 2 所示，粉末为近球形，颗 粒直径为 5 ～ 65 μm，D50为 23 μm． 图 1 Cu 粉末形貌( a) 及粒度分布( b) Fig． 1 Scanning electron micrograph ( a) and particle size distribution ( b) of the copper powder 图 2 Al 粉末形貌( a) 及粒度分布( b) Fig． 2 Scanning electron micrograph ( a) and particle size distribution ( b) of the aluminum powder 基板材料分别为 Al、Cu 和 Q235，为了考察基板 材料的变形能力，测试了基板材料的维氏硬度，Al、 Cu 和 Q235 三种材料硬度值依次增加，HV0. 3分别为 66. 9、79. 8 和 146. 6． 为了观察颗粒与基板的界面 特征，喷涂实验前，基板分别采用 800# 、1200# 、1500# 和 2000# 砂纸打磨，再用 2 μm 金刚石抛光膏抛光，然 后超声波酒精清洗． 利用自主研制的冷喷涂设备进行喷涂实验， 采用圆形截面的拉瓦尔喷管喷涂，喷管各部分尺 寸分别为: 入 口 直 径 Di = 20 mm，喉 部 直 径 Dt = ·1392·