热喷涂工艺仿真
理论：飞行中的加热与熔化
概述
我们的喷涂涂层里混有未熔颗粒，孔隙很多。
颗粒从喷枪飞到基体不到1毫秒。在此期间颗粒中心必须超过熔点，还要吸收熔化潜热，否则会以固态撞击，被弹开或留下空隙堆积。颗粒很小，内部温度可视为均匀，加热速度由周围气体的换热决定。热量入口是表面积，与直径平方成正比，要加热的量是体积，与直径立方成正比，所以熔化时间与直径平方成正比。颗粒越大越难熔化，因此粉末粒径上限很重要。
熔化时间
T_g为气体温度，T_m为熔点，L为熔化潜热，T̄为升温期间颗粒平均温度（初温与熔点的中间）。前项为加热到熔点的时间，后项为熔化时间。
颗粒毕渥数与飞行时间
x_sd为喷涂距离，v_p为颗粒速度。毕渥数大于0.1时，容易出现表面熔化而内部仍为固态的情况。
Schoop的金属喷涂
热喷涂由瑞士的Schoop于20世纪初发明。据说他看到孩子用玩具枪把铅弹射到墙上，弹丸压扁粘在墙上，由此得到启发。最初是用压缩空气吹喷熔化的金属，后来发展为用气体火焰熔化线材、电弧、等离子、HVOF，热源越来越高温高速，这是为了用更高熔点的材料得到更致密涂层的演进。
算例
例1：等离子喷涂（气体平均8,000 K、导热系数1.0 W/mK、颗粒150 m/s、距离0.1 m → 飞行0.67毫秒）
| 材料 | 毕渥数 | 直径20 μm | 直径40 μm | 直径60 μm | 完全熔化上限 |
|---|---|---|---|---|---|
| 镍 | 0.014 | 0.04 毫秒 | 0.18 毫秒 | 0.40 毫秒 | 77 μm |
| 氧化铝 | 0.17 | 0.07 毫秒 | 0.29 毫秒 | 0.65 毫秒 | 61 μm |
| WC-Co（Co熔化） | 0.013 | 0.04 毫秒 | 0.18 毫秒 | 0.40 毫秒 | 78 μm |
物性：镍（密度8,900 kg/m³、比热500 J/kgK、熔点1,728 K、潜热298 kJ/kg），氧化铝（3,950、1,200、2,327 K、1,070 kJ/kg）。
例2：HVOF（气体2,800 K、导热系数0.15 W/mK、颗粒500 m/s、距离0.2 m → 0.40毫秒）
| 材料 | 直径20 μm | 直径40 μm | 完全熔化上限 |
|---|---|---|---|
| 镍 | 1.3 毫秒 | 5.4 毫秒 | 11 μm |
| 氧化铝 | 3.4 毫秒 | 13.7 毫秒 | 7 μm |
| WC-Co（Co熔化） | 1.4 毫秒 | 5.7 毫秒 | 11 μm |
HVOF中几乎所有颗粒都不熔化，这样还能形成涂层吗？
能。HVOF不是把颗粒完全熔化，而是在软化状态下高速撞击，靠动能使其变形结合。静止气体公式（努塞尔数2）低估了加热，实际上与气体的相对速度使换热提高数倍，表面已半熔，但不完全熔化反而是优点。硬质合金WC-Co过热时碳化物分解变脆，用HVOF在较低温度下打入能形成硬而致密的涂层。反之，要熔化氧化铝陶瓷形成涂层，就需要等离子喷涂。即使在等离子喷涂中，60 μm的氧化铝也很勉强，而且实际等离子偏离中心温度骤降，所以粉末多分级到10～45 μm左右使用。
模拟流程
- 计算喷枪内与射流的气体流动和温度（等离子物性随温度变化很大）。
- 给定粉末粒径分布和送粉位置、速度，追踪大量颗粒。
- 逐颗粒计算加热、熔化和速度，统计到达时的状态。
- 由扁平粒子铺展与凝固估算涂层孔隙率和结合力。
- 由涂层与基体温度历程计算残余应力。
“按平均粒径是熔化了的”
某氧化铝涂层未熔颗粒多，但按平均粒径30 μm计算颗粒已充分熔化，原因不明。调查粉末粒径分布发现，超过60 μm的颗粒按重量占约一成。熔化时间与直径平方成正比，60 μm需要30 μm的4倍时间，在飞行时间内熔不透。分级去除大颗粒后，未熔颗粒和孔隙大幅减少。只按平均值计算会漏掉引起问题的少数大颗粒。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只用平均粒径 | 漏掉大颗粒未熔 | 按粒径分布追踪 |
| 气体物性取常数 | 加热严重算错 | 随温度变化的物性 |
| 毕渥数大却按均温 | 漏掉中心未熔 | 求解颗粒内导热 |
| 喷涂距离固定考虑 | 漏掉再凝固 | 查看到达时状态 |
| 忽略基体温度 | 残余应力算错 | 计算温度历程 |
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