等离子喷涂工艺及热障涂层数值模拟理论及应用

第1章 等离子喷涂及热障涂层数值模拟发展现状 1

1.1 等离子喷涂数值模拟概述 2

1.1.1 等离子体射流模型 2

1.1.2 等离子体与颗粒的相互作用模型 3

1.1.3 涂层的沉积模型 5

1.1.4 颗粒与基体的相互作用模型 5

1.2 热障涂层性能预测研究现状 7

1.2.1 涂层有限元模型构建 7

1.2.2 涂层基本属性计算 9

1.2.3 涂层结合强度预测 11

1.2.4 涂层热循环失效机理分析 11

1.2.5 涂层热循环寿命预测 14

参考文献 15

第2章 等离子喷枪出口关键参数预测方法及实例分析 19

2.1 数学模型 19

2.1.1 能量守恒方程与输入功率 20

2.1.2 冷却水带走的热功率 22

2.1.3 气体的受热功率 22

2.1.4 气体电离功率 23

2.1.5 喷枪出口处基本参量的确定 24

2.2 工程应用实例分析 25

2.2.1 基本试验参数 25

2.2.2 电流强度的影响 25

2.2.3 工质气体的影响 26

2.2.4 电流强度与气体流率的综合影响 30

2.2.5 喷枪出口处温度与速度的分布 31

参考文献 32

第3章 等离子体二维射流场数值模拟及实例分析 33

3.1 数学模型 33

3.1.1 连续性方程 33

3.1.2 动量守恒方程 34

3.1.3 能量守恒方程 34

3.1.4 k-ε双方程 35

3.1.5 化学反应方程 35

3.2 基本物性参数与输运系数 36

3.3 工程应用实例分析 38

3.3.1 几何模型与边界条件 38

3.3.2 典型工况下射流温度场与速度场 39

3.3.3 典型工况下射流场内的组分分布 41

3.3.4 电流强度对射流场的影响 43

3.3.5 Ar流率的影响 46

3.3.6 He流率的影响 48

参考文献 50

第4章 等离子体二维射流场中飞行颗粒数值模拟及实例分析 53

4.1 数学模型 54

4.1.1 颗粒的受力平衡方程 54

4.1.2 热量交换方程 54

4.2 飞行颗粒关键参量试验验证方法 55

4.3 工程应用实例分析 56

4.3.1 几何模型与边界条件 56

4.3.2 颗粒的飞行轨迹 57

4.3.3 固定轴向位置颗粒直径、速度与温度的分布状况 58

4.3.4 颗粒的速度变化历程 62

4.3.5 颗粒的表面温度变化历程 64

4.3.6 电流强度对颗粒的影响 66

4.3.7 Ar流率对颗粒的影响 68

4.3.8 He流率对颗粒的影响 70

4.3.9 颗粒在飞行过程中的熔化状态 72

参考文献 77

第5章 等离子喷涂三维场数值模拟及实例分析 79

5.1 数学模型 79

5.1.1 连续性方程 80

5.1.2 动量守恒方程 80

5.1.3 能量守恒方程 80

5.1.4 k-ε双方程 81

5.1.5 化学反应方程 81

5.1.6 射流与基体相互作用方程 82

5.1.7 颗粒轨道模型 82

5.1.8 等离子体－颗粒热量交换方程 83

5.2 工程应用实例 84

5.2.1 几何模型与边界条件 84

5.2.2 无基体三维空间射流场 85

5.2.3 有基体三维空间射流场 87

5.2.4 三维空间颗粒群 89

参考文献 90

第6章 等离子喷涂涂层的数值模拟 93

6.1 计算模型及计算过程 94

6.1.1 蒙特卡洛随机模型介绍 94

6.1.2 随机操作过程 94

6.1.3 网格的划分 95

6.2 模拟涂层三维形貌及其生长过程 96

6.2.1 涂层三维形貌计算过程及表征参量 96

6.2.2 涂层密度的计算 98

6.2.3 涂层生长时间的确定 98

6.3 模拟涂层的二维组分分布 98

6.4 随机模型的影响因素 99

6.4.1 材料组分的影响 100

6.4.2 随机操作数的影响 101

6.4.3 初始输入颗粒数的影响 102

6.5 工程应用实例 103

6.5.1 涂层的三维形貌 103

6.5.2 涂层的二维组分分布 110

参考文献 111

第7章 颗粒与基体相互作用过程数值模拟及实例分析 113

7.1 数学模型 114

7.2 颗粒倾斜入射的数值模拟参数定义 114

7.3 计算方法 115

7.4 工程应用实例 115

7.4.1 熔融颗粒垂直碰撞瞬间变形历程分析 115

7.4.2 熔融颗粒倾斜入射过程的数值模拟 118

参考文献 121

第8章 基于涂层显微组织的有限元模型生成方法 123

8.1 涂层显微组织图像的数字图像处理 123

8.1.1 图像数字化 124

8.1.2 阈值分割处理 125

8.1.3 有限元网格模型的生成 126

8.2 基于Micro-CT的涂层三维模型的构建 128

8.2.1 Micro-CT测试系统 128

8.2.2 三维微观组织有限元模型的生成 129

参考文献 131

第9章 缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属性的影响 133

9.1 缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属性影响的数学模型 133

9.1.1 缺陷及片层粒子间界面对涂层弹性模量影响的数学模型构建 133

9.1.2 缺陷及片层粒子间界面对涂层热导率影响的数学模型构建 136

9.2 缺陷对涂层基本属性影响系数的确定 137

9.2.1 缺陷对涂层弹性模量影响系数的确定 139

9.2.2 缺陷对涂层热导率影响系数的确定 140

9.2.3 缺陷对涂层弹性模量及热导率的影响比较 141

9.3 片层粒子间界面对涂层基本属性影响系数的确定 141

9.3.1 涂层基本属性的试验测定 142

9.3.2 片层粒子间界面对涂层基本属性影响系数的计算 142

9.4 缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属性的影响分析 143

参考文献 144

第10章 涂层拉伸结合强度预测方法及实例分析 145

10.1 涂层拉伸结合强度的试验测试 145

10.1.1 涂层拉伸试验 145

10.1.2 结合强度试验值Weibull统计分析 145

10.1.3 涂层拉伸失效位置 146

10.2 涂层结合强度预测的有限元方法 146

10.3 解析法预测涂层拉伸结合强度 147

10.3.1 解析模型 147

10.3.2 结合强度解析解Weibull统计分析 149

10.3.3 涂层结合强度预测的解析方法 150

10.4 涂层拉伸结合强度预测有限元法与解析法的比较 151

10.5 工程应用实例1 151

10.5.1 有限元模型、材料性能参数与载荷施加 152

10.5.2 拉伸失效裂纹扩展模拟 153

10.5.3 涂层典型区域拉伸结合强度计算 155

10.5.4 结合强度有限元计算值Weibull统计分析 156

10.6 工程应用实例2 158

10.6.1 基本参数及三维有限元模型的构建 158

10.6.2 施加载荷及边界条件 158

10.6.3 模拟结果与试验结果的对比 160

10.6.4 涂层失效过程及机理分析 161

参考文献 164

第11章 涂层热循环寿命预测方法及实例分析 165

11.1 涂层热循环试验 165

11.1.1 试验条件 165

11.1.2 TGO生长动力学曲线 165

11.1.3 涂层热循环试验寿命 167

11.2 涂层热循环应力计算有限元方法 168

11.3 多因素耦合计算方法 171

11.4 工程应用实例分析 172

11.4.1 几何模型及边界条件 172

11.4.2 陶瓷层高温阶段的应力 174

11.4.3 陶瓷层室温阶段的应力 176

11.4.4 陶瓷层热循环应力影响因素分析 177

参考文献 180