葉福興,牛安寧,郭 磊,丁坤英
(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072;2. 天津市先進(jìn)連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;3. 中國(guó)民航大學(xué)理學(xué)院,天津 300300)
HVOF噴涂WC-17Co粉末的粒子撞擊行為研究
葉福興1,2,牛安寧1,2,郭 磊1,2,丁坤英3
(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072;2. 天津市先進(jìn)連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;3. 中國(guó)民航大學(xué)理學(xué)院,天津 300300)
超音速火焰(HVOF)噴涂粒子與基體的撞擊是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,了解粒子與基體高速高溫的撞擊行為對(duì)控制HVOF噴涂過(guò)程至關(guān)重要.本文采用ABAQUS/Explicit有限元程序,依據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)建立模型與施加載荷,研究在HVOF噴涂中WC-17Co粒子與IN718基體的撞擊行為.結(jié)果表明:WC-17Co粒子在撞擊過(guò)程中由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴廴趹B(tài);撞擊發(fā)生后,粒子的撞擊變形與基體撞擊凹坑的幾何尺寸與粒子初始直徑的比值基本恒定,但粒子初始直徑對(duì)粒子撞擊變形及基體凹坑的形貌基本沒(méi)有影響;粒子與基體撞擊的動(dòng)態(tài)持續(xù)時(shí)間與粒子的初始直徑成正比,粒子的初始直徑越大,撞擊過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng).
超音速火焰(HVOF);有限元分析;粒子撞擊;WC-17Co;IN718
超音速火焰(high velocity oxy-fuel,HVOF)噴涂是自等離子噴涂之后出現(xiàn)的一種熱噴涂技術(shù),HVOF涂層結(jié)合強(qiáng)度高、致密性好、耐磨損性能優(yōu)越,HVOF噴涂技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于零件表面的耐腐蝕及耐磨防護(hù)等領(lǐng)域[1-3].與等離子噴涂相比,HVOF噴涂粒子速度高、溫度較低,在與基體表面撞擊前粒子的溫度一般在固相線附近,因此粒子溫度軟化現(xiàn)象明顯,使得其高速撞擊的動(dòng)力學(xué)過(guò)程甚為復(fù)雜[4-5].為了能更好地控制 HVOF噴涂過(guò)程,了解粒子與基體高速高溫撞擊的動(dòng)力學(xué)行為至關(guān)重要[6-7].但迄今為止,相關(guān)的研究鮮有報(bào)道.
IN718合金高溫環(huán)境下仍能保持較高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度,因而大量應(yīng)用在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件.在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境下,燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流對(duì)合金構(gòu)件的沖蝕嚴(yán)重影響相關(guān)構(gòu)件的壽命,在構(gòu)件表面涂覆 WC-17Co耐磨涂層可顯著改善合金的耐磨損性能,從而延長(zhǎng)壽命[8-9].鑒于此,筆者針對(duì)在 IN718基體上噴涂 WC-17Co耐磨涂層的工藝過(guò)程,采用數(shù)值計(jì)算的方法,研究HVOF噴涂條件下的粒子撞擊行為.
在 HVOF噴涂過(guò)程中,撞擊粒子的運(yùn)動(dòng)速度為400~800,m/s,溫度為1,500~2,000,K,撞擊過(guò)程中粒子變形劇烈,幾何非線性情況嚴(yán)重.本文使用在求解非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題上有突出優(yōu)勢(shì)的 ABAQUS/ Explicit有限元程序求解和分析 WC-17Co粒子對(duì)IN718基體的動(dòng)態(tài)撞擊過(guò)程.
1.1有限元撞擊模型
HVOF熱噴涂實(shí)驗(yàn)使用的是美國(guó) TAFA公司生產(chǎn)的1343VM型WC-17Co粉末,其產(chǎn)品形狀近似球形(見(jiàn)圖1),粒徑范圍在 15~45,μm之間.為此,采用1/4球形粒子建立WC-17Co粒子與IN718基體撞擊的三維幾何模型(見(jiàn)圖2).
圖1 1343VM型WC-17Co粒子形態(tài)Fig.1 Morphology of type 1343VM WC-17Co particles
圖2 粒子與基體的1/4對(duì)稱模型Fig.2 1/4 symmetric model of particle and substrate
在圖2的幾何模型中,IN718基體尺寸在長(zhǎng)度和寬度方向上均為WC-17Co粒子直徑的4倍,高度方向?yàn)榱W又睆降?7倍.相對(duì)大的基體尺寸可以避免模型邊界對(duì)粒子撞擊區(qū)域的影響.在計(jì)算中,WC-17Co粒子直徑分別取為15,μm、30,μm和45,μm.
在圖2的有限元幾何模型中,在基體底面上施加全約束,在WC-17Co粒子與IN718基體的1/4對(duì)稱面上施加面對(duì)稱約束,模型其他表面為自由狀態(tài).基體的初始溫度設(shè)為常溫,為 298,K.粒子與基體的撞擊接觸采用面-面接觸算法,并假設(shè)粒子與基體一旦接觸就不再分離.
1.2材料屬性
在本文計(jì)算中,WC-17Co粒子與 IN718基體撞擊的彈性響應(yīng)采用線彈性模型,塑性響應(yīng)使用Johnson-Cook材料模型[10],此模型同時(shí)考慮了材料的應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變率強(qiáng)化和溫度軟化效應(yīng),適合動(dòng)態(tài)沖擊模型,其具體表達(dá)式為
表1 WC-17Co粉末與IN718基體的材料屬性Tab.1 Material properties of WC-17Co powder and IN718 substrate
1.3WC-17Co粒子飛行參數(shù)測(cè)量
HVOF噴涂實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)TAFA公司的JP-5000超音速火焰噴涂設(shè)備進(jìn)行,燃料介質(zhì)為煤油,助燃劑為氧氣,噴槍口與基體表面的距離為 400,mm.用芬蘭Osier公司的Spray Watch 2i型熱噴涂在線監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量噴涂粒子的飛行特征,測(cè)量傳感器安裝在噴涂火焰?zhèn)让?250,mm處,正對(duì)火焰中心.實(shí)際測(cè)得的WC-17Co粒子的飛行速度和溫度如圖3所示.由圖3可見(jiàn),WC-17Co粒子到達(dá)IN718基體表面時(shí),粒子的平均飛行速度為 722,m/s,平均溫度為 1,590,K,環(huán)境溫度為室溫.
圖3 飛行過(guò)程中WC-17Co噴涂粒子的速度與溫度Fig.3 Velocity and temperature of WC-17Co particles during flight
圖4為直徑 30,μm的 WC-17Co單個(gè)粒子與IN718基體撞擊后,有限元計(jì)算與HVOF噴涂試驗(yàn)的粒子變形形貌對(duì)比,其中有限元結(jié)果為等效塑性應(yīng)變?cè)茍D.由圖4可見(jiàn),計(jì)算的與試驗(yàn)觀測(cè)的粒子變形形態(tài)類似,均出現(xiàn)了粒子中心內(nèi)凹、邊緣濺射以及撞擊對(duì) IN718基體的擠壓,表明使用此有限元模型研究HVOF噴涂過(guò)程中粒子的撞擊行為是可行的.
圖4 30,μm直徑粒子的計(jì)算撞擊形態(tài)與試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison between computed impact morphology and experimental observation of 30,μm particle
2.1粒子與基體撞擊的動(dòng)態(tài)變形行為
由于1343VM型WC-17Co粉末的平均直徑為30,μm,本節(jié)將以直徑 30,μm的 WC-17Co粒子來(lái)研究粒子的撞擊變形行為.圖5為直徑30,μm的WC-17Co粒子與IN718基體撞擊動(dòng)態(tài)變形過(guò)程中不同時(shí)刻的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D.如圖5所示,撞擊起始階段粒子變形劇烈,40,ns之后撞擊變形趨緩,到 80,ns時(shí),WC-17Co粒子成扁平狀,上部中心內(nèi)凹,邊緣向側(cè)上方濺射,粒子嵌入 IN718基體上的撞擊凹坑,該凹坑邊緣稍微向上凸起.
圖5 30,μm直徑粒子的動(dòng)態(tài)撞擊過(guò)程Fig.5 Impacting process of 30,μm particle
高速撞擊使 WC-17Co粒子和 IN718基體升溫.圖6為直徑30,μm的粒子撞擊后80,ns時(shí)粒子與基體的溫度分布云圖.由圖6可見(jiàn),80,ns時(shí),粒子和基體的最高溫度均位于撞擊區(qū)邊緣內(nèi)側(cè).WC-17Co粒子的溫度高于其初始撞擊溫度(1,590,K),位于固相線與液相線之間,說(shuō)明在撞擊過(guò)程中粒子由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴廴趹B(tài).IN718基體的溫升幅度較小,80,ns時(shí)撞擊凹坑內(nèi)的最高溫度僅為342.5,K.
圖6 直徑30,μm粒子撞擊后80,ns時(shí)的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of 30,μm particle impacted at 80,ns
與圖5所示撞擊過(guò)程相對(duì)應(yīng),WC-17Co粒子上各追蹤點(diǎn)(見(jiàn)圖2)處的等效塑性應(yīng)變隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖7所示.從圖7顯示的不同追蹤點(diǎn)位置開(kāi)始出現(xiàn)等效塑性應(yīng)變的時(shí)間順序可以看出,在撞擊開(kāi)始后,塑性應(yīng)變首先從粒子底部中心位置(追蹤點(diǎn) 1)開(kāi)始,隨后按順序沿粒子表面向上發(fā)展.若定義某時(shí)刻追蹤點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變率為等效塑性應(yīng)變?cè)隽颗c時(shí)間增量的比值,則各追蹤點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變率在粒子撞擊塑性應(yīng)變啟動(dòng)時(shí)最大,之后隨時(shí)間推移逐漸減小直至為零(對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為 60,ns).從等效塑性應(yīng)變幅度上看,追蹤點(diǎn) 1處最小,追蹤點(diǎn) 3處最大,說(shuō)明追蹤點(diǎn)3處的粒子變形最為劇烈.
圖7 30,μm直徑粒子各追蹤點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變歷程Fig.7 Equivalent plastic strain histories at tracer positions of 30,μm particle
2.2WC-17Co粒子撞擊的動(dòng)能變化
設(shè)粒子動(dòng)能為 E,粒子初始直徑為 D,則單位表面積上的粒子動(dòng)能為 E/(πD2),定義 E/(πD2)值下降至5%,及以下時(shí)粒子撞擊過(guò)程結(jié)束.圖8示出了計(jì)算的 E/(πD2)值與撞擊時(shí)間的關(guān)系.由圖8可見(jiàn),對(duì)于不同直徑的粒子,E/(πD2)與撞擊時(shí)間首先表現(xiàn)為線性遞減關(guān)系,且粒子單位表面積上的初始動(dòng)能越大,撞擊持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng).
圖8 不同直徑粒子撞擊下E/(πD2)與時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationship between E/(πD2) and time for particles with different diameters
設(shè)粒子的動(dòng)能變化率為η,其表達(dá)式為
設(shè)tter為撞擊過(guò)程終止時(shí)間,則
撞擊過(guò)程中不同直徑粒子的η/(πD2)值如表2所示,其數(shù)值基本恒定.為此,由式(5)可知,WC-17Co粒子與 IN718基體撞擊過(guò)程的持續(xù)時(shí)間與粒子的初始直徑 D呈線性關(guān)系.直徑為 15,μm、30,μm和45,μm 的粒子撞擊過(guò)程結(jié)束的時(shí)間分別為 22.0,ns、41.5,ns和60.5,ns(如表3所示),表明粒子直徑越大,撞擊持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng).
表2 不同直徑粒子撞擊的η/(πD2)值Tab.2 η/(πD2) for particles with different diameters
表3 不同直徑粒子撞擊的E/(πD2)值Tab.3 E/(πD2) for particles with different diameters
2.3WC-17Co粒子直徑對(duì)撞擊變形的影響
圖9為不同直徑WC-17Co粒子撞擊IN718基體后粒子與基體的等效塑性應(yīng)變分布.WC-17Co粒子直徑對(duì)撞擊后粒子與基體的等效塑性應(yīng)變分布幾乎沒(méi)有影響,其最大等效塑性應(yīng)變值分別位于粒子下邊緣內(nèi)側(cè)和基體凹坑邊緣內(nèi)側(cè)(見(jiàn)圖9),表明此部位的撞擊變形最為劇烈.對(duì)于IN718基體而言,塑性應(yīng)變僅存在于撞擊界面附近,而對(duì)于粒子,撞擊塑性應(yīng)變則分布于整個(gè)粒子空間.相比于IN718基體,WC-17Co粒子的變形更為劇烈.
圖9中基體凹坑與變形粒子的相關(guān)幾何尺寸定義與標(biāo)識(shí)如圖10所示,其中Db表示基體凹坑直徑,hb表示基體凹坑深度,Dp表示撞擊變形后粒子的直徑,hp表示撞擊變形后粒子的中心厚度.不同直徑的WC-17Co粒子撞擊 IN718基體后,基體凹坑幾何尺寸(Db、hb)與變形粒子幾何尺寸(Dp、hp)的具體數(shù)值及其與初始粒子直徑的比值如表4所示.
圖9 不同直徑WC-17Co粒子撞擊的等效塑性應(yīng)變分布Fig.9 Equivalent plastic strain distributions for WC-17Co particles with different diameters
圖10 基體凹坑與變形粒子的尺寸定義與標(biāo)識(shí)Fig.10 Definitions and identifiers of the dimensions for substrate dent and deformed particle
表4 WC-17Co粒子撞擊IN718基體后基體凹坑和變形粒子的相關(guān)幾何尺寸Tab.4 Dimensions for substrate dents and deformed particles after WC-17Co particles impacting on IN718 substrate
由表4可見(jiàn),不同直徑的 WC-17Co粒子撞擊IN718基體后,基體凹坑和變形粒子的幾何尺寸與粒子初始直徑的比值(Db/D、hb/D、Dp/D、hp/D)基本恒定.結(jié)合圖9可知,撞擊后基體凹坑和變形粒子的幾何尺寸與 WC-17Co粒子的初始直徑成正比,而粒子初始直徑對(duì)粒子的撞擊變形與基體凹坑形貌幾乎沒(méi)有影響.
圖11為不同直徑的WC-17Co粒子上追蹤點(diǎn)3處(見(jiàn)圖2)的等效塑性應(yīng)變歷程.由圖11可見(jiàn),不同直徑的WC-17Co粒子撞擊后追蹤點(diǎn)3處達(dá)到的最大等效塑性應(yīng)變值基本相同,約為 2.9;對(duì)于直徑分別為15,μm、30,μm 和45,μm的粒子,撞擊后達(dá)到最大等效塑性應(yīng)變的時(shí)間分別為32,ns、64,ns和96,ns,表明粒子直徑越大,粒子達(dá)到最大變形所需要的時(shí)間越長(zhǎng).
圖11 WC-17Co粒子追蹤點(diǎn)3處的等效塑性應(yīng)變歷程Fig.11 Equivalent plastic strain histories at tracer position 3 of WC-17Co particles
(1) 測(cè)定了 WC-17Co熱噴涂粒子撞擊 IN718基體的速度和溫度參數(shù),采用有限元計(jì)算的 WC-17Co粒子在 IN718基體撞擊形態(tài)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,表明使用有限元模型研究 HVOF噴涂過(guò)程中粒子的撞擊行為可行.
(2) 高速撞擊使 WC-17Co粒子與 IN718基體升溫,WC-17Co粒子最高溫度可達(dá) 1,627,K,粒子在撞擊過(guò)程中發(fā)生固態(tài)到半融熔狀態(tài)的轉(zhuǎn)變.
(3) WC-17Co粒子與IN718基體撞擊的動(dòng)態(tài)持續(xù)時(shí)間與粒子的初始直徑成正比,粒子的初始直徑越大,撞擊過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng).
(4) WC-17Co粒子的撞擊變形和IN718基體撞擊凹坑的幾何尺寸與粒子初始直徑的比值基本恒定,但粒子初始直徑對(duì)粒子的撞擊變形及基體凹坑的形貌基本沒(méi)有影響.
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(責(zé)任編輯:田 軍)
Impact Behavior of WC-17Co Particle in HVOF Spraying
Ye Fuxing1,2,Niu Anning1,2,Guo Lei1,2,Ding Kunying3
(1.School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology,Tianjin 300072,China;3.School of Science,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)
The impact process of high velocity oxy-fuel(HVOF)thermal spraying particles on substrate is complex.To better control the spraying process,it's important to understand the high temperature and high velocity impact behavior.The impact behavior of HVOF spraying WC-17Co particle upon IN718 substrate was analyzed by using finite element analysis program ABAQUS/Explicit.The data used to create finite element models and apply loading conditions came from experiments.The results showed that WC-17Co particle was transformed from solid state into semi-molten state when it impacted on substrate.After impacting,the ratios of dimensions of deformed particles and substrate dents to initial particle diameters were constant.But initial diameter had no effect on the morphology of deformed particles and substrate dents.The dynamic duration of particle impacting on substrate was proportional to initial particle diameter.The larger the initial particle diameter was,the longer the duration of the impact process was.
high velocity oxy-fuel(HVOF);finite element analysis;particle impact;WC-17Co;IN718
TG178
A
0493-2137(2016)08-0882-06
10.11784/tdxbz201502042
2015-02-15;
2015-05-12.
工信部重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011zx04014-021);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375332);天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(16JCYBJC18700).
葉福興(1974— ),男,博士,教授,yefx@tju.edu.cn.
牛安寧,niuanninghappy@163.com.