等离子喷涂涂层微观结构的蒙特卡罗模拟

　　基于对等离子喷涂涂层电子扫描微观结构的分析制定一组层片形成及交互作用和孔隙形成的基本法则，利用蒙特卡罗方法建立等离子喷涂涂层形成的数值模型，预测涂层的微观结构及其孔隙率和表面粗糙度特征，并探讨粉末粒径与速度、喷枪移动速度和喷涂距离对其的影响。模拟结果表明，模型预测的涂层微观结构内的孔隙分布不均，这与实验结果符合;涂层的孔隙率和粗糙度均随着熔滴撞击速度和直径的增大而减小，但当撞击速度超过160 m/s 时，两者的影响均减小; 喷涂过程中改变喷枪的扫描速度，涂层孔隙率和粗糙度并无明显的变化; 喷涂距离的增大将使得涂层的孔隙率和粗糙度减小。

　　等离子喷涂技术因其可喷涂材料广、喷涂效率高、涂层质量好等优点而广泛应用于各个工业领域。等离子喷涂涂层的性能直接决定其最终的使用条件，而孔隙率和粗糙度是影响涂层质量的最重要的因素之一，因此研究工艺参数对涂层孔隙率和粗糙度的影响具有重要的意义。涂层的孔隙率和粗糙度与喷涂过程的诸多工艺参数相关，例如粉末颗粒尺寸、喷枪扫描速度及喷枪与基底的距离等。传统的方法是通过反复的试验获取经验数据来选择工艺参数，这样既耗时又耗资。

　　随着计算机技术的发展，近些年许多研究者开始使用数值模拟的方法进行研究，并取得了实质性的进展。Cirolini 等通过建立一套涂层增长和孔隙形成的规则模拟热障涂层的显微结构和孔隙率，Chen等考虑了喷涂角度不为90°的情况，预测喷涂角度对涂层孔隙率大小的影响。实际涂层内部的孔隙往往形成一个网状结构，二维横截面很难完全呈现出涂层的内部结构信息，Ghafouri-Azar 等则将模型扩展到了三维的情况，并假设孔隙的形成仅仅是由层片的翘曲引起的，Xue 等认为层片的翘曲只适用于金属层片，随后将Ghafouri-Azar 等的模型扩展到了陶瓷涂层的应用范围。Bobzin 等通过耦合CFD 和FEM 模型来预测涂层沉积过程，摆脱了对涂层堆积和孔隙形成的过多假设，但由于计算机的计算能力限制，其模型只能预测微米尺度范围的涂层。本文使用蒙特卡罗方法建立随机模型预测等离子喷涂涂层显微结构及其孔隙率和粗糙度，并研究工艺参数对涂层孔隙率和表面粗糙度的影响。

　　1、数值模型与方法

　　等离子喷涂过程中，金属或非金属粉末材料在送粉载气作用下，送入到高温、高速的等离子射流中，被加热、加速，并以极高的速度撞击在基底上铺展、凝固形成层片，继而通过层片的堆积形成涂层。本文根据喷涂涂层形成的形成过程，将模型的建立归结为如下三个过程：①粉末参数模型———粉末颗粒的加热、加速过程；②层片形成模型———层片的铺展、凝固过程；③层片堆积模型———层片堆积与涂层形成过程。

　　1.1、层片形成模型

　　在适当工艺参数条件下，多数粉末颗粒到达基底前可被射流加热至熔融状态。因此，本文假设熔滴撞击基底前处于完全熔化状态，且基底被预热至临界温度以上，熔滴撞击基底后不发生飞溅，最后铺展、凝固成圆盘状层片，如图1 所示。图2 为典型的熔融液滴撞击基底铺展后形成圆盘状形貌的扫描电镜(SEM) 图。

图1 熔融液滴撞击基底铺展示意图

图2 典型的圆盘状层片形貌

　　3、结论

　　本文基于对涂层形成机制的分析，利用蒙特卡罗方法建立等离子喷涂YSZ 涂层形成过程的模型，预测涂层的显微结构及其孔隙率和粗糙度，并研究了熔滴直径、速度、喷枪扫描速度和喷涂距离对涂层孔隙率和粗糙度的影响。结果表明，模型预测的微观结构与实验结果符合; 涂层的孔隙率和粗糙度均随着熔滴撞击速度的增大而减小，但在撞击速度超过160 m/s 时，这种影响减弱; 喷涂距离的增大使得涂层的孔隙率和粗糙度减小; 喷涂过程中喷枪的扫描速度对涂层孔隙率和粗糙度的影响并无明显规律。