高速电弧喷涂成形基础

　　金属快速成形技术克服了传统加工工艺的缺陷，为制造业的发展打开了新的道路，被认为是“21 世纪的维修技术”。本书总结了高速电弧喷涂成形技术的最新研究结果，系统深入地论述了电弧喷涂成形中喷涂射流雾化沉积、成形涂层温度场与残余应力分布、喷涂成形工艺的优化设计等前沿性关键问题，建立了雾化粒子飞行、熔滴沉积、涂层形成一系列过程的相关数学模型，研究了其中的传热、传质及应力行为，并在上述研究基础上，结合系统集成和工艺优化，进行了高熔点材料的厚成形试验。为电弧喷涂高熔点材料的高性能快速成形与再制造提供了重要的理论基础和工艺指导，具有重要的参考价值。

　　陈永雄，2013年全国优秀博士论文提名奖获得者，时为装甲兵工程学院博士。 徐滨士，男， 1931年3月 生于哈尔滨市，1961年至今历任装甲兵工程学院讲师、副教授、教授，曾任装甲兵工程学院副院长。1990年6月晋升少将军衔。1995年当选中国工程院院士。现任装甲兵工程学院材料科学与工程系装备再制造技术国防科技重点实验室主任，教授、博士生导师。装备维修工程、表面工程和再制造工程领域专家。

第１章绪论………………………………………………1
1.1 技术背景…………………………………………………………1
1.2 金属喷涂快速成形技术研究应用现状…………………………3
1.2.1 快速成形技术的基本原理…………………………………………3
1.2.2 近终喷射成形技术…………………………………………………4
1.2.3 等离子喷涂快速成形技术…………………………………………4
1.2.4 电弧喷涂成形技术…………………………………………………4
1.3 电弧喷涂快速成形技术发展现状………………………………5
1.3.1 快速模具制造………………………………………………………5
1.3.2 电弧喷涂快速成形系统……………………………………………7
1.4 电弧喷涂快速成形关键技术……………………………………8
1.4.1 喷涂材料……………………………………………………………9
1.4.2 电弧喷涂快速成形工艺……………………………………………12
1.5 本书的目的及内容……………………………………………15
第２章电弧喷涂成形熔滴雾化与沉积……………………18
2.1 引言……………………………………………………………18
2.2 高速电弧喷涂雾化气体的流场分析…………………………19
2.2.1 喷涂气流场的数值建模与求解……………………………………19
2.2.2 计算结果与分析……………………………………………………21
2.3 雾化粒子的飞行行为…………………………………………27
2.3.1 雾化熔滴飞行模型的建立与求解…………………………………27
2.3.2 计算结果与分析……………………………………………………29
2.3.3 电弧喷涂粒子雾化性能的试验……………………………………31
2.4 高速电弧喷涂弧区动态行为…………………………………32
2.4.1 弧区动态行为高速摄像试验方法…………………………………32
2.4.2 喷涂电弧的形成分析………………………………………………33
2.4.3 阴阳极丝材熔化与熔滴过渡行为…………………………………36
2.5 飞行熔滴沉积与凝固过程的分析……………………………37
2.5.1 熔滴沉积模型建立与求解…………………………………………38
2.5.2 计算结果与分析……………………………………………………40
2.6 小结……………………………………………………………49
第３章涂层形成过程及其瞬态热传输行为………………51
3.1 引言……………………………………………………………51
3.2 有限元建模……………………………………………………52
3.2.1 控制方程与边界条件………………………………………………52
3.2.2 有限元计算法则……………………………………………………54
3.2.3 逐层叠加模型………………………………………………………55
3.2.4 随机沉积模型………………………………………………………56
3.2.5 实例研究……………………………………………………………57
3.3 有限元分析结果与讨论………………………………………59
3.3.1 逐层叠加模型与随机沉积模型之间的比较………………………59
3.3.2 喷枪移动速度对传热的影响………………………………………63
3.3.3 间歇喷涂模式对传热的影响………………………………………64
3.4 成形过程中温度变化行为的试验研究………………………65
3.4.1 试验方法……………………………………………………………65
3.4.2 红外测温结果与分析………………………………………………67
3.5 小结……………………………………………………………69
第４章电弧喷涂成形涂层的残余应力……………………71
4.1 引言……………………………………………………………71
4.2 涂层沉积导致的骤冷应力解析模型…………………………72
4.2.1 沉积第一薄层后的应力……………………………………………73
4.2.2 沉积第二薄层后的应力……………………………………………76
4.2.3 沉积第n 薄层后的应力……………………………………………78
4.3 涂层冷却导致的热应力………………………………………80
4.4 总体残余应力…………………………………………………81
4.5 考虑相变时的残余应力………………………………………82
4.6 实例分析………………………………………………………83
4.6.1 NiCoCrAlY 涂层残余应力分析……………………………………84
4.6.2 高碳钢涂层残余应力分析…………………………………………88
4.7 轴类涂层零件残余应力的有限元分析………………………92
4.7.1 问题的描述及有限元模型…………………………………………92
4.7.2 涂层温度分布………………………………………………………94
4.7.3 残余应力分布………………………………………………………95
4.8 小结……………………………………………………………97
第５章自动化高速电弧喷涂系统与工艺…………………100
5.1 引言……………………………………………………………100
5.2 机器人自动化高速电弧喷涂系统的开发……………………101
5.2.1 设计方案…………………………………………………………101
5.2.2 开发流程…………………………………………………………102
5.2.3 自动化电弧喷涂系统作业过程…………………………………104
5.3 喷涂参数的均匀-正交优化设计……………………………105
5.3.1 试验方法…………………………………………………………105
5.3.2 喷涂参数与粒子飞行状态的关系………………………………106
5.3.3 喷涂参数与涂层残余应力的关系………………………………108
5.3.4 喷涂参数与涂层组织结构的关系………………………………109
5.4 喷涂成形路径的优化设计……………………………………111
5.4.1 喷枪平行移动偏移间距的确定…………………………………112
5.4.2 典型喷涂路径的优化……………………………………………118
5.5 小结……………………………………………………………122
第６章高速电弧喷涂成形典型材料及性能………………124
6.1 引言……………………………………………………………124
6.2 热处理对高碳钢喷涂层组织性能的影响……………………125
6.2.1 试验材料与方法…………………………………………………125
6.2.2 热处理对涂层显微硬度的影响…………………………………126
6.2.3 热处理对涂层组织结构的影响…………………………………127
6.3 高碳钢+Al复合喷涂层的组织性能…………………………134
6.3.1 试验方法…………………………………………………………135
6.3.2 喷涂后Fe/Al 复合涂层的组织结构………………………………136
6.3.3 热处理后Fe/Al 复合涂层的组织性能……………………………139
6.4 小结……………………………………………………………143
第7 章高速电弧喷涂厚成形试验…………………………145
7.1 引言……………………………………………………………145
7.2 试验材料及方法………………………………………………145
7.3 高碳钢电弧喷涂厚成形………………………………………146
7.4 电弧喷涂厚成形高碳钢+Al复合涂层………………………149
7.5 小结……………………………………………………………151
参考文献………………………………………………………152