CN112949155A - 一种全周期ac-hvaf热喷涂溅射与沉积行为的数值模拟方法 - Google Patents

一种全周期ac-hvaf热喷涂溅射与沉积行为的数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

一种混合式全周期AC‑HVAF热喷涂的数值模拟方法。利用前处理软件建立计算域几何模型，并对其划分网格。设置气相模型及燃烧模型，将离散相与气相耦合来预测粒子飞行行为。定义气相及粉末粒子的材料属性，为数学模型模型施加边界条件，使用SIMPLE算法求解多相流溅射行为，获取流场瞬态规律和粒子飞行动态信息。建立粒子碰撞沉积数学模型，赋予几何模型材料属性，装配几何模型并划分网格。对几何模型施加边界条件、确定载荷步，并以CFD结果中粒子动态信息作为粒子初始加载条件，设定粒子与基体间使用面面接触算法。利用显示动态算法求解数学模型，提取计算结果。为探究工艺参数对粒子沉积行为、涂层结构和质量影响奠定重要理论基础。

Description

一种全周期AC-HVAF热喷涂溅射与沉积行为的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及热喷涂技术领域，特别涉及活性高速空气燃料(AC-HVAF)热喷涂技术的一种全周期数值模拟方法，即一种预测和分析AK07热喷涂过程中焰流气相特性、粒子飞行行为和粒子碰撞与沉积机理的数值方法。
背景技术
随着工业的发展，对机械零件表面性能要求越来越高，要求能在高速、高温、高压、重载及腐蚀介质工况下可靠持续工作，这对制造技术提出了挑战。TC18钛合金具有较好耐蚀性和较高比强度，在高负载承力航空结构件制造中得到广泛应用，但其在海洋性盐雾、湿热环境中服役时，会产生严重磨损和腐蚀。急需一种针对钛合金表面进行强化处理的工艺方法，以提高其耐蚀、耐磨性能。碳化钨(WC)是金属陶瓷中硬度最高的碳化物，具有极高的硬度、耐磨性，被广泛用于制备高耐磨涂层。超音速火焰喷涂是碳化物喷涂的标准技术，能够在大尺寸基体表面快速沉积形成综合性能优异的WC-Co基涂层，可有效提高零部件耐磨性和使役寿命，对节能、节材具有重要意义。
与传统HVOF热喷涂技术相比，AC-HVAF热喷涂具有粒子冲击速度大、极低氧化物含量和极高致密度涂层等特点，其喷涂速率是传统HVOF热喷涂的5～10倍。AC-HVAF热喷涂过程复杂，涉及到燃烧、可压缩湍流流动、气-固多相流等复杂多样的物理/化学反应。AC-HVAF热喷涂粒子与基体的撞击过程是一个极其复杂的冲击动力学过程，准确的模拟撞击过程涉及到冲击动力学、材料非线性、结构非线性以及温度软化等多方面问题。涂层质量受到多种工艺参数影响，且各参数间相互作用、相互制约。为了提高涂层性能，常依靠大量终端静态金相实验来研究喷涂参数对涂层物理及化学性能的影响。该方法依赖大量反复实验，费时费力且单次实验仅能对应一种喷涂工艺，不能准确把握喷涂过程中焰流气相动力学及粒子溅射、碰撞沉积的微观机理。
由于超音速火焰喷涂出现较晚，国内外对其研究相对较少，针对HVAF喷涂的研究极少。利用数值计算方法确定粒子在喷涂中的动力学特性，建立热喷涂粒子温度场和速度场，为计算粒子沉积行为提供输入条件，为探究喷涂参数对粒子结合行为、涂层结构和性能影响奠定基础。本发明基于混合的数值模拟方法建立AC-HVAF热喷涂全周期数值模型，可对不同喷涂工艺方案进行多次反复试验，可有效揭示热喷涂过程中焰流气相动力学规律、粒子飞行行为和粒子碰撞沉积机理，为确定优化工艺奠定重要理论基础。因此对于AC-HVAF热喷涂过程的预测必须采用一种混合式的全周期数值模拟方法以提高涂层质量。
发明内容
为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种基于混合式的全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟方法，填补现有数值模拟技术上的空白与不足，目的在于使用一种混合式的全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟方法来揭示热喷涂过程中焰流气相动力学演变规律、粒子飞行行为和粒子碰撞沉积机理。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于混合式的全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟方法，包括如下步骤：
(1)利用前处理软件建立AK07喷枪内部几何尺寸及自由射流区域几何模型，并对其划分网格以建立计算区域。
(2)以步骤(1)的计算区域为对象，设置组分传输气相模型、重归一组化(RNG)k-ε湍流模型、涡耗散燃烧(EDM)模型和StandardWall Fn壁面函数。
(3)在步骤(2)的基础上，将离散相模型与气相模型采用耦合方法以预测粒子飞行行为。
(4)定义材料属性，其中设置气相密度为ideal gas，比热容为mixing law，以及WC-12Co粒子物性参数。
(5)为上述模型施加边界条件，使用压力关联的半隐式算法(SIMPLE)处理压力与速度耦合，所有方程均采用二阶迎风离散化方法计算求解。
(6)确定监控变量及收敛标准，对计算区域进行标准初始化，利用商业代码Fluent18.2软件对模型反复迭代计算，依据监控变量时时变化曲线判断结果收敛与否。
(7)利用后处理软件提取计算结果，获取焰流气相特性和粒子飞行动态信息。
(8)利用求解非线性方面有突出优势的商业软件Abaqus/Explicit来建立粒子碰撞沉积几何模型。
(9)定义材料属性，设置TC18钛合金基体和WC-12Co粉末粒子的Johnoson-Cook本构参数以赋予几何模型材料属性。
(10)以步骤(8)建立的几何模型为对象，将粒子与基体调整合适位置装配几何模型；以步骤(8)建立几何模型为对象，将粒子与基体采用结构化网格进行网格划分。
(11)施加边界条件，对基体施加面固定约束，粒子与基体1/2对称面上施加对称约束。基体初始温度设置为600K，从步骤(7)后处理软件计算结果中提取的粒子动态信息作为粒子初始加载条件。
(12)定义接触，粒子与基体间使用面面接触算法，且假设粒子与基体一旦接触就不再分离。
(13)定义分析步，利用显示动态求解算法计算，其中时间步长Time period为1E-007，提交任务Job以分析计算。
(14)通过可视化模块查看提取计算结果数据，最终完成全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于计算流体动力学和冲击动力学软件开发了一种混合式的全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟方法，为探究工艺参数对粒子沉积行为、涂层结构和质量影响奠定重要理论基础，对优化喷涂工艺，制备高性能涂层具有重大意义。
附图说明
图1为本发明中AC-HVAF热喷涂过程中气相温度分布云图；
图2为本发明中AC-HVAF热喷涂过程中气相速度分布云图；
图3为本发明中AC-HVAF热喷涂过程中粒子飞行路径云图；
图4为本发明中AC-HVAF热喷涂粒子碰撞沉积几何模型图；
图5为本发明中AC-HVAF热喷涂几何模型网格划分示意图；
图6为本发明中AC-HVAF热喷涂过程中粒子沉积温度云图；
图7为本发明中AC-HVAF热喷涂过程中粒子沉积等效塑性应变云图；
图8为本发明中AC-HVAF热喷涂过程中粒子沉积等效塑性应力云图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
一种全周期AC-HVAF热喷涂溅射与沉积行为的数值模拟方法。
(1)利用前处理软件ANSYSY软件中的Design Modeler建立AK07喷枪内部几何尺寸及自由射流区域几何模型，并使用Meshing对其划分网格以建立计算区域。
(2)将步骤(1)的网格读入Fluent软件，设置模型为二维轴对称，对计算区域进行Scale将尺寸单位m转换为mm，检查是否存在负体积。
(3)以步骤(2)计算区域为对象，设置组分传输模型、重归一组化(RNG)k-ε湍流模型、涡耗散燃烧(EDM)模型以及丙烷燃烧一步平衡化学方程式为：
C3H8+4.762O2+0.014N2→0.447CO+2.553CO2+0.009H+0.129H2
+3.843H2O+0.027NO+0.002O+0.047OH+0.026O2
(4)在步骤(3)基础上，将离散相模型(DPM)与气相模型采用耦合方法以预测粒子飞行行为。
(5)从数据库中调用材料，其中设置丙烷和氧气混合气体密度为ideal gas，比热容为mixing law，WC-12Co粒子密度为14320kg/s，比热容为295J/kg·K。
(6)为上述模型设置边界条件，丙烷和空气的流量分别为0.0032kg/s、0.00046kg/s，载气和粒子的流量分别为0.000325kg/s、0.00139kg/s，压力出口设置为1atm，温度均为350K，并取消滑移度的选择。
(7)使用压力关联的半隐式算法(SIMPLE)求解器在二维、轴对称、稳态环境下对数学模型计算，且所有方程均采用二阶迎风离散化方法。
(8)确定监控变量及收敛标准，对计算区域进行标准初始化，利用商业代码Fluent18.2软件对模型反复迭代计算，依据监控变量时时变化曲线判断结果收敛与否。
(9)利用CFD-Post后处理软件提取计算结果，获取焰流温度场、速度场和粒子飞行动态数据信息，如图1-3所示。
(10)利用求解非线性方面有突出优势的商业软件Abaqus/Explicit来建立1/2三维粒子碰撞沉积数学模型，使用草图工具绘制半圆形半径为7.5μm，旋转180°得到球形实体，再创建一个基体宽为55μm的正方体。
(11)以步骤(10)建立的几何模型为对象，装配粒子与基体的竖直中心轴线相重合，且粒子与距离基体表面距离为50μm，如图4所示。
(12)以步骤(10)建立几何模型为对象，将粒子与基体采用结构化网格进行划分，单元类型分别为C3D8T、C3D8RT，如图5所示。
(13)定义材料属性，设置WC-12Co粉末粒子的Johnoson-Cook本构参数以赋予几何模型材料属性。
(14)定义分析步，利用显示动态求解算法计算，其中时间步长Time period为1E-007，其余均采用默认设置。
(15)定义接触，粒子与基体间使用面面接触算法，法向硬接触，切向摩擦接触，摩擦系数根据罚函数定义，即粒子与基体一旦接触不再分离。
(16)施加边界条件，对基体施加面固定约束，粒子与基体1/2对称面上施加对称约束，将粒子位移限制在一个方向。基体初始温度设置为600K，将步骤(9)中CFD计算结果中获取粒子温度和速度作为粒子初始加载条件，提交任务Job计算及后处理。
(17)通过可视化模块提取粒子碰撞基体过程温度场、应变场和应力场，如图6-8所示，最终完成全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (3)

1.一种基于混合式的全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用前处理软件建立AK07喷枪内部几何尺寸及自由射流区域几何模型，并对其划分网格以建立计算区域；
2)以步骤1)建立计算区域为对象，设置组分传输气相模型、重归一组化k-ε湍流模型和涡耗散燃烧模型的参数；
3)在步骤2)模型基础上，将离散相模型与气相模型耦合以预测粒子飞行行为；
4)定义材料属性，设置混合气体参数及WC-12Co粒子物性参数；
5)为上述建模施加边界条件，使用SIMPLE算法处理压力与速度耦合，方程均采用二阶迎风离散化方法计算求解；
6)确定监控变量及收敛标准，对模型反复迭代计算，依据收敛标准判断结果收敛与否；
7)利用后处理软件提取计算结果，获取流场瞬态演变规律、粒子温度和速度；
8)利用Abaqus/Explicit软件建立粒子碰撞沉积数学模型；
9)设置基体和粉末粒子的Johnoson-Cook本构参数以赋予几何模型材料属性；
10)以8)步骤建立的几何模型为对象，将粒子与基体调整合适位置装配几何模型，并划分网格；
11)对基体施加面固定约束，粒子与基体1/2对称面上施加对称约束；以步骤7)的后处理软件计算结果中提取粒子温度和速度作为粒子初始加载条件；
12)设定粒子与基体间使用面面接触算法，且假设粒子与基体一旦接触就不再分离；
13)利用显示动态算法求解，其中时间步长Time period为1E-007，提交任务Job以分析计算；
14)通过可视化模块查看提取计算结果数据，最终完成全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合式的全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟方法，其特征在于，所述的步骤6)中，利用Fluent18.2软件对模型反复迭代计算。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合式的全周期AC-HVAF热喷涂数值模拟方法，其特征在于，所述的步骤8)中，利用商业软件Abaqus/Explicit建立粒子碰撞沉积数学模型。
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