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噴涂顆粒與基體的垂直相互作用

  顆粒與基體的相互作用模型

  噴涂顆粒與基體的相互作用模型,主要是硏究單個或多個處于熔融狀態的飛行顆粒以液滴形式與基體發生碰撞后,其形變的過程與機理。具體來說,主要是建立諸如液滴大小、速率以及材料特性這類參數與最后液滴散流大小、散流時間之間的關系。這類模型對于深入分析涂層的微觀形成機理,從而進一步實現對涂層宏觀性能的預測具有十分重要的意義。

  由于無氣噴涂機涉及瞬間發生的變形機制,噴涂時熔融粒子碰撞冷基體將發生凝固,且這兩個過程同時進行,所以這是一類非常復雜的問題。根據研究的重點和方向不同,國內外已提出了各種不同的模型。比較典型的有顆粒與基體的垂直相互作用和顆粒與基體的傾斜相互作用,其

  重點是從流體力學、熱學及形態學的角度來研究熔融粒子在基體表面的變形機制及傳熱規律等。此外,研究顆粒與基體相互作用時瞬態壓力的形成與發展規律,對于分析涂層的形成也具有極為重要的意義。

  顆粒與基體的垂直相互作用模型是其他模型的基礎,根據變形與變溫處理方法的不同,可將其分為等溫過程和變溫過程。對于等溫過程,在計算過程中只考慮了粒子變形流動的流動力學過程,主要文獻均沒有考慮粒子變形過程中的傳熱和粒子的冷卻凝固過程,即利用先變形,后冷卻凝固”的假設前提。

  對于變溫過程,則將粒子的流變和泠卻凝固過程結合起來,即同時考慮了顆粒與基體之間的熱相互作用,這無疑是對噴涂粒子的沉積過程更為接近的模擬。arlo等人最初于1967年采用標記單元法(Marker-and-CellMAC)研究了碰撞最初瞬間的熔滴變形過程,試圖通過數值模擬結果解釋髙速攝影所拍攝的實驗現象。計算中忽略了表面張力和黏性的影響,因而沒有得到最終的變形粒子的尺寸。

  rapala等人利用FM-3D分析了等溫條件下液滴在固體表面及已沉積顆粒上的沖擊變形隨時間的變化規律,該軟件使用了在MAC基礎上發展起來的 SOLA-VOF計算方法。Feng等人四對熔滴扁平模擬的計算采用了拉格朗日坐標下的有限元方法。在計算中采用自適應網格( Adaptive Grid),即自動重新劃分網格的方法來處理自由表面由于要不斷地進行網格的重新劃分控制因素較多,計算過程比較復雜。較為成熟的顆粒與基體的相互作用模型是由 Pasandideh回等人提出來的。他們利用經過修改的SOLA-√OF法對NS方程和能量方程進行了求解,研究了平面基體上錫液滴的撞擊和凝固過程,成功模擬了液滴的變形、凝固以及與基體之間的熱傳導。

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