热喷涂制备钢基模具型腔尺寸稳定性及应力变化分析

论文摘要

由于热喷涂沉积过程是连续的，对涂层内部及界面的温度、应力难以实现实时测量，故有必要建立传热模型来模拟涂层的温度场和应力场。运用传热学理论，对单个金属粒子和涂层在基体表面沉积过程中的温度场和应力场进行了计算，建立了粒子扁平化的传热模型。运用理论公式推导出金属粒子的初始温度等边界条件。运用大型有限元模拟软件ANSYS计算涂层的温度场和应力场，建立了合适的有限元计算模型，采用微小厚度层逐层叠加法，使用间接耦合的方法，即先模拟涂层的温度场，然后转换单元类型到结构分析单元，将温度场计算结果作为应力场计算时的载荷施加，运用单元生死方法逐层激活后续单元参与计算，实现可移动边界以模拟实际的涂层沉积过程。研究得出了涂层和基体的温度场分布情况，喷涂刚完成，在涂层与界面处存在最大温度梯度，先喷涂的底层涂层与基体界面保持一个相对稳定的温度，而上表面温度较高。随着冷却时间的增加，涂层上下表面温度趋于一致。涂层破坏的危险阶段是喷涂初期。涂层增厚，其临界弯曲应力越大，越不会发生失稳。在第一个微小涂层沉积到基体表面后，其最大收缩应力远小于涂层临界翘曲的应力，故不会发生涂层失稳状态。涂层最大应力主要分布于涂层与基体接触的下表面，其次是涂层中心部位。中心部位的应力场呈环形向外波形扩展，但应力值是逐渐增大的。而在涂层下表面特别是边缘地区，等效应力最大。应力在涂层边缘表现为斜向上指向中心的拉应力，这是涂层产生与基体脱离、翘曲变形的主要原因。涂层整体向中心收缩，收缩值从中心向边缘递增。喷涂涂层的收缩变形比较小。利用3Cr13不锈钢的马氏体相变膨胀补缩，计算出电弧喷涂模具型腔的尺寸偏差仅为0.018％，与实测偏差值相一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 有限元法的发展现状以及ANSYS软件介绍
• 1.1.2 电弧喷涂制作钢质模具的研究基础
• 1.2 研究方向
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 研究方法与特点
• 2 喷涂模型的制作及工艺
• 2.1 基于电弧喷涂的快速原形技术制模流程
• 2.2 电弧喷涂设备及喷涂工艺
• 2.2.1 电弧喷涂的设备
• 2.2.2 电弧喷涂工艺参数
• 2.2.3 电弧喷涂过程
• 3 金属液滴温度场的数值分析
• 3.1 金属液滴的温度数学模型
• 3.1.1 金属液滴形成涂层的过程
• 3.1.2 金属液滴的初始温度的确定
• 3.2 单个金属颗粒撞击基体过程的模拟
• 3.3 本章小结
• 4 涂层三维温度场的数值模拟
• 4.1 金属熔滴与基体的碰撞附着过程
• 4.2 涂层沉积过程温度场的研究
• 4.3 涂层温度场的计算
• 4.3.1 涂层温度场三维数学模型
• 4.3.2 求解瞬态导热方程的有限元解法
• 4.3.3 涂层温度场计算的边界条件和初始条件的确定
• 4.3.4 有限元模型的建立及网格划分
• 4.3.5 施加载荷及求解选项
• 4.4 涂层计算结果及分析
• 4.4.1 温度场的计算
• 4.5 本章小结
• 5 金属涂层的应力与模具型腔的变形分析
• 5.1 涂层内应力的形成
• 5.2 涂层弹塑性应力本构方程
• 5.3 三维弹塑性力学问题的六面体等参单元格式
• 5.4 温度对涂层下表面应力的影响
• 5.5 涂层失稳与临界失稳状态
• 5.6 涂层三维应力场计算
• 5.6.1 涂层材料热膨胀系数的测定
• 5.6.2 气流及金属射流对基体表面的冲击压力
• 5.7 计算及结果分析
• 5.8 模具型腔尺寸稳定性分析
• 5.9 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢