基體表面粗糙度對(duì)HVOF 粒子沉積行為的影響

查柏林，賈旭東，王金金，石易昂，蘇慶東，曹曉恬，許可俊

（1.火箭軍工程大學(xué)，西安 710038；2.火箭軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100085）

HVOF 作為表面改性方法之一，相較于冷噴涂與等離子噴涂，其以高動(dòng)能、低熱能輸出，廣泛應(yīng)用于耐磨、防腐、絕熱涂層的制備[1-2]。WC-12Co 以其高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件表面強(qiáng)化與修復(fù)[3-4]。45#碳鋼以其高硬度、高強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、國(guó)防軍工等領(lǐng)域[5-6]，但是使用過(guò)程中的摩擦振動(dòng)，會(huì)加劇45#碳鋼材料的磨損失效。在45#碳鋼表面制備WC-12Co 耐磨涂層，可以對(duì)45#碳鋼實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)，延長(zhǎng)其使用壽命。研究結(jié)果表明[7]，涂層制備實(shí)質(zhì)上是噴涂粒子的沉積堆垛過(guò)程，而噴涂粒子與基體的結(jié)合行為將對(duì)粒子與基體的結(jié)合強(qiáng)度以及涂層的性能產(chǎn)生影響。因此，研究噴涂粒子的沉積行為對(duì)于提升涂層性能具有重要意義。

S. Gu 等[8]采用ABAQUS 軟件，針對(duì)不同速度、溫度、形狀下的噴涂粒子在基體上的沉積行為進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明，粒子與基體的成功結(jié)合存在臨界速度，低于臨界速度，粒子將產(chǎn)生反彈剝落，并夯實(shí)基體。粒子初始溫度或者速度越高，粒子扁平化程度越高，與基體結(jié)合越充分。非球形粒子相比球形粒子，需要更高的速度與溫度，才能與基體結(jié)合。在文獻(xiàn)[8]的研究基礎(chǔ)上，S. Gu 等[9]還探討了不同孔隙率的粒子的沉積變形行為。結(jié)果表明，粒子內(nèi)的孔隙在扁平化過(guò)程中，逐漸由球形向線形發(fā)生轉(zhuǎn)變，在一定范圍內(nèi)增加粒子孔隙率，不僅能夠增加粒子的扁平化程度，而且可以促進(jìn)粒子與燃?xì)馍淞髦械膭?dòng)量交換，獲得質(zhì)量更為優(yōu)異的涂層。袁曉靜、王漢功等[10]在單個(gè)粒子與基體碰撞的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了雙粒子沉積仿真研究。結(jié)果表明，后續(xù)粒子對(duì)已沉積粒子的撞擊行為將引起已沉積粒子的二次變形，已沉積粒子的塑性變形將對(duì)基體產(chǎn)生粗化作用，降低后續(xù)粒子的臨界沉積速度，有利于后續(xù)粒子的沉積。

綜上，針對(duì)噴涂粒子的沉積行為，人們已進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究，但是研究?jī)?nèi)容多針對(duì)粒子與基體沉積前的狀態(tài)參數(shù)對(duì)粒子沉積行為的影響，同時(shí)數(shù)值模擬過(guò)程均將基體表面理想平面化，忽略了基體表面粗糙度對(duì)粒子沉積行為的影響。實(shí)際噴涂作業(yè)過(guò)程中，不同基體表面粗糙度下，粒子-基體結(jié)合強(qiáng)度具有顯著差異[11]。因此，深入研究基體粗糙度對(duì)粒子沉積行為的影響，對(duì)于改進(jìn)涂層結(jié)構(gòu)，提升涂層結(jié)合強(qiáng)度具有重要意義。

1 仿真模型

飛行粒子測(cè)速實(shí)驗(yàn)以及仿真研究結(jié)果表明[12]：超音速火焰噴涂粒子撞擊速度通常可達(dá)400～800 m/s，粒子溫度可達(dá)800～1500 K。粒子沉積過(guò)程中，接觸區(qū)域?qū)a(chǎn)生劇烈的塑性應(yīng)變，發(fā)生物理結(jié)合，甚至冶金結(jié)合。因此，本文在非線性動(dòng)力沖擊背景下，使用LS-DYNA 軟件，對(duì)不同表面粗糙度下45#碳鋼基體上的WC-12Co 粒子沉積行為進(jìn)行建模分析，計(jì)算結(jié)果綜合考慮了粒子沉積過(guò)程中的應(yīng)變強(qiáng)化、升溫熔化、摩擦以及塑性功與熱能之間的轉(zhuǎn)化。

1.1 有限元撞擊模型

超音速火焰噴涂實(shí)驗(yàn)使用具有良好耐磨性[13]的Metco-WOKA-3102 型WC-12Co 噴涂粉末，微觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其形狀近似為球形，具有良好的流動(dòng)性，粉末粒徑分布范圍為15～45 μm。

圖1 噴涂粒子形貌Fig.1 Morphology of spray particles

根據(jù)粒子與基體的幾何與物理參數(shù)，建立二維超音速火焰噴涂WC-12Co 粒子與45#碳鋼基體的撞擊模型。圖2 所示為Ra分別為2.51、5.34、10.26 μm時(shí)，基體表面形貌圖以及橫截面形貌波動(dòng)圖。由圖可知，當(dāng)Ra=2.51 μm 時(shí)，波峰-波谷最大深度差小于粒子半徑；Ra=5.34 μm 時(shí)，波峰-波谷最大深度差介于粒子半徑與粒子直徑之間；Ra=10.26 μm 時(shí)，波峰-波谷最大深度差大于粒子直徑，基體表面波動(dòng)幅度顯著增加，存在明顯溝壑。

圖2 不同表面粗糙度下基體表面形貌與橫截面形貌波動(dòng)曲線Fig.2 Fluctuation curves of surface morphology and cross section morphology of substrate under different surface roughness

由于基體表面形狀復(fù)雜多變，為降低模型復(fù)雜程度，對(duì)圖2 所示的基體截面形貌波動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，波峰與波谷均采用光滑曲線構(gòu)成，基體表面無(wú)不規(guī)則折線存在，構(gòu)建如圖3 所示的不同表面粗糙度下的基體表面形貌。在圖3 所示的計(jì)算模型中，WC-12Co粒子直徑取粉末粒徑分布的平均值，即30 μm。45#碳鋼基體的長(zhǎng)度、寬度分別為粒子直徑的6 倍及4 倍，較大的基體尺寸可以有效忽略粒子沉積過(guò)程中基體邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)基體中心變形區(qū)域的影響[14]。根據(jù)表面粗糙度定義[15-16]，設(shè)定相鄰兩波峰或者波谷的水平距離為l，相鄰兩波峰與波谷的水平位差為波高h(yuǎn)。當(dāng)50

圖3 不同表面粗糙度下基體表面形貌Fig.3 Surface morphology of substrate under different surface roughness

考慮到網(wǎng)格尺寸對(duì)材料的熱傳導(dǎo)以及塑性變形會(huì)產(chǎn)生很大影響[20]，因此對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以保證計(jì)算精度。本模型網(wǎng)格劃分過(guò)程中，粒子與基體的網(wǎng)格尺寸為0.5 μm。

針對(duì)圖3 所示的二維有限元模型，對(duì)基體的底面施加全約束，對(duì)基體側(cè)面施加Non-Reflecting 邊界條件，其余表面均設(shè)置為自由狀態(tài)。粒子與基體的接觸算法采用2D-Automatic-Single-Surface 接觸算法，基體預(yù)熱溫度設(shè)置為常溫298 K。

1.2 材料模型

WC-12Co 粒子與45#碳鋼基體的彈性響應(yīng)采用線彈性模型，塑性響應(yīng)采用Johnson-Cook 塑性模型，該模型綜合考慮了粒子沉積過(guò)程中的應(yīng)變強(qiáng)化、升溫熔化、摩擦以及塑性功與熱能之間的轉(zhuǎn)化。粒子與基體的熱材料模型選取Thermal-Isotropy-Phase-Change模型。為減少計(jì)算誤差，計(jì)算所用數(shù)據(jù)均來(lái)自實(shí)驗(yàn)測(cè)量。Johnson-Cook 塑性模型具體表達(dá)式[21]如下：

τ表示材料屈服應(yīng)力，εp表示材料等效塑性應(yīng)變，ε˙p表示材料等效塑性應(yīng)變率，ε˙0表示材料參考等效塑性應(yīng)變率，T表示材料溫度，Tr表示材料參考溫度，Tm表示材料熔化溫度（固液相分界線），A表示靜態(tài)屈服強(qiáng)度，B表示應(yīng)變強(qiáng)化模量，C表示應(yīng)變率強(qiáng)化模量，m表示溫度軟化指數(shù)，n表示應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)。表達(dá)式第一項(xiàng) [A+B(εp)n]表示等溫狀態(tài)下，材料應(yīng)力與應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系；表達(dá)式第二項(xiàng) (1+Clnε˙*)與第三項(xiàng) [1 -(T*)m]分別表示材料應(yīng)變率以及材料溫度對(duì)材料屈服應(yīng)力的影響。WC-12Co 粒子與45#碳鋼基體的材料屬性如表1 所示。

表1 粒子與基體參數(shù)[5,12]Tab.1 Particle and substrate parameters[5,12]

2 結(jié)果與討論

2.1 噴涂粒子沉積動(dòng)態(tài)變形行為

設(shè)定粒子與基體表面的接觸位置為基體表面波谷最深處，以最大程度表征波峰與波谷高度差對(duì)粒子沉積行為的影響。由于粒子沉積過(guò)程絕熱，二者的溫升均源于二者塑性功的轉(zhuǎn)化與摩擦生熱[22]。針對(duì)粒子沉積過(guò)程中的能量流動(dòng)，存在如下關(guān)系：

式中，EKp為粒子初始動(dòng)能，UKp為粒子內(nèi)能變化，UKs為基體內(nèi)能變化，Up為粒子彈性勢(shì)能，Us為基體彈性勢(shì)能，Tp為粒子溫升，Ts為基體溫升。

圖4 為初始速度Vp=500 m/s、初始溫度Tp=800 K的球形粒子在不同表面粗糙度的45#碳鋼基體上的最終沉積形貌。圖4a 為Ra=0 μm 時(shí)（理想表面）粒子沉積形貌示意圖，粒子扁平化變形均勻明顯，但粒子邊緣存在明顯翹曲，基體中心存在輕微凹陷，變形程度較低，粒子與基體結(jié)合面積有限。非理想表面情況下，伴隨基體表面粗糙度增加，基體表面的波峰與波谷高度差增加，粒子與基體的結(jié)合面積逐漸增大，但是粒子扁平化程度逐漸下降，粒子沉積形貌由Ra=0 μm 時(shí)的形狀規(guī)則對(duì)稱逐漸向不規(guī)則變形轉(zhuǎn)變。此外，同一基體表面粗糙度下，粒子兩側(cè)波峰高度的不同，將導(dǎo)致粒子兩側(cè)不同程度的塑性變形，觀察圖4b—d 可得，波峰高度相對(duì)較低的一側(cè)的粒子，塑性變形程度較高。當(dāng)Ra增加至10.26 μm 時(shí)，波峰與波谷的高度差相當(dāng)于粒子直徑，粒子水平鋪展對(duì)兩側(cè)波峰造成擠壓，并增加波谷深度，粒子變形全過(guò)程均在波谷內(nèi)完成，并對(duì)波谷產(chǎn)生填充彌補(bǔ)作用。

圖4 不同基體表面粗糙度下的粒子沉積形貌（等效塑性應(yīng)變）Fig.4 Particle deposition morphology under different substrate surface roughness (equivalent plastic strain)

原因在于粒子沉積過(guò)程主要包括粒子垂直壓縮與水平鋪展兩個(gè)過(guò)程。Ra=0 μm 時(shí)，基體表面光滑平整，粒子在各方向受力均勻，且扁平化變形消耗的動(dòng)能較低，粒子可以實(shí)現(xiàn)自由鋪展變形且形貌對(duì)稱[11]。伴隨基體表面粗糙度增加，粒子的扁平化將受到波峰的阻礙作用，波峰與波谷的高度差越大，粒子水平鋪展所受阻力越大，從而抑制粒子扁平化變形。當(dāng)Ra增加至10.26 μm 時(shí)，波峰與波谷的高度差相當(dāng)于粒子直徑，由于粒子水平鋪展擠壓兩側(cè)波峰，將消耗極大的動(dòng)能，剩余能量不足以變形，越過(guò)波峰，因此粒子的變形過(guò)程均在波谷內(nèi)完成，并在谷底以及波峰側(cè)面堆積。此外，當(dāng)Ra=10.26 μm 時(shí)，粒子沉積至波谷底部與沉積至波峰不同位置處的形貌具有顯著差異。

圖5 為不同沉積位置處粒子的沉積形貌示意圖。圖5a 為粒子撞擊波峰頂部時(shí)的沉積形貌示意圖，粒子撞擊波峰頂部后，波峰受到粒子擠壓下陷，并嵌入粒子內(nèi)部，此時(shí)波峰僅受到垂直壓縮力，同時(shí)粒子沿波峰兩側(cè)向下鋪展，并填充波谷，粒子中部的塑性變形明顯高于兩側(cè)，粒子撞擊點(diǎn)附近形變充分，其余部分無(wú)明顯形變。圖5b 為粒子撞擊波峰中部時(shí)的沉積形貌示意圖。粒子撞擊波峰中部后，波峰將對(duì)粒子產(chǎn)生“切割”作用。粒子左側(cè)部分與波峰產(chǎn)生明顯的塑性變形，波峰既垂直壓縮嵌入粒子內(nèi)部，又同時(shí)產(chǎn)生水平位移鋪展于基體表面；粒子右側(cè)部分沿波峰側(cè)面切向鋪展，并對(duì)波谷進(jìn)行填充彌補(bǔ)，但是二者之間的填充僅局限于二者一定程度上的塑性變形，且填充部分存在明顯的間隙。

圖5 不同沉積位置處粒子沉積形貌示意圖Fig.5 Schematic diagram of deposition morphology of particles at different deposition positions: a) crest top; b) middle of the wave crest

粒子撞擊波峰頂部時(shí)，波峰的塑性變形消耗了粒子大量動(dòng)能，粒子中部受壓產(chǎn)生變形，兩側(cè)受慣性影響向下鋪展；當(dāng)粒子撞擊波峰中部時(shí)，波峰同時(shí)受到水平與垂直壓縮力，因此產(chǎn)生雙向位移，由于右側(cè)部分粒子溫度遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)，粒子僅產(chǎn)生塑性變形而非粘性流動(dòng)[23]，無(wú)法完全沿波峰側(cè)面切向變形，因此二者存在一定間隙。

綜上，不同基體表面粗糙度下粒子最終沉積形貌存在明顯差異，隨基體表面粗糙度增加，粒子與基體結(jié)合面積逐漸增大，但粒子扁平化變形程度下降，粒子沉積形貌由Ra=0 μm 時(shí)的規(guī)則對(duì)稱形狀逐漸向不規(guī)則變形轉(zhuǎn)變。粒子沉積過(guò)程中，需具備足夠動(dòng)能越過(guò)波峰，完成扁平化變形，否則將完全填充彌補(bǔ)波谷。粒子沉積位置不同，將引起粒子最終沉積形貌的不同。不同點(diǎn)在于：沉積至波峰頂部，將引起波峰劇烈壓縮變形，并嵌入粒子內(nèi)部；沉積至波峰中部，將引起波峰垂直壓縮與水平鋪展，同時(shí)對(duì)粒子產(chǎn)生“切割”作用，部分位置塑性應(yīng)變劇烈；沉積至波谷，底部粒子對(duì)兩側(cè)波峰造成擠壓，并增加波谷深度。相同點(diǎn)在于，粒子均會(huì)對(duì)波谷進(jìn)行不同程度地填充，并存在一定間隙。

2.2 基體表面粗糙度對(duì)粒子屈服應(yīng)力的影響

前文描述了不同基體表面粗糙度下粒子沉積變形行為的總體變化趨勢(shì)，本節(jié)將重點(diǎn)探討基體表面粗糙度對(duì)粒子屈服應(yīng)力的影響。設(shè)定粒子初始速度Vp=500 m/s，初始溫度Tp=800 K，設(shè)定粒子等效塑性應(yīng)變最大處作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以進(jìn)行粒子屈服應(yīng)力觀察。

圖6 為不同基體表面粗糙度下粒子屈服應(yīng)力云圖。粒子沉積過(guò)程中，粒子中下部的屈服應(yīng)力均高于粒子頂部，粒子先接觸基體的部分的屈服應(yīng)力高于后接觸部分。原因在于沉積過(guò)程中，粒子中下部產(chǎn)生劇烈塑性變形，發(fā)生加工硬化與應(yīng)變率強(qiáng)化現(xiàn)象[24]，導(dǎo)致屈服應(yīng)力增加，粒子頂部無(wú)形變，因此粒子中下部的屈服應(yīng)力均高于粒子頂部。同理，粒子先接觸基體的部分的塑性應(yīng)變程度高于后接觸部分，加工硬化與應(yīng)變率強(qiáng)化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，因此粒子先接觸基體的部分的屈服應(yīng)力高于后接觸部分。

圖6 不同基體表面粗糙度下粒子屈服應(yīng)力云圖Fig.6 Distribution of yield stress of particles under different substrate surface roughness

圖7 為不同基體表面粗糙度下粒子屈服應(yīng)力峰值變化曲線。由圖可得，理想表面的屈服應(yīng)力峰值與Ra=5.34 μm 時(shí)近似相等，約為2.8 GPa。基體表面粗糙度Ra<10.26 μm 時(shí)，粒子的屈服應(yīng)力峰值變化曲線趨勢(shì)總體相同，均呈現(xiàn)先升、后降、再震蕩。當(dāng)基體表面粗糙度Ra=0 μm 時(shí)，粒子屈服應(yīng)力最終下降至0。非理想表面狀態(tài)下，Ra逐漸增加時(shí)，粒子的屈服應(yīng)力穩(wěn)定變化范圍逐漸減小。當(dāng)Ra=10.26 μm 時(shí)，粒子的屈服應(yīng)力波動(dòng)劇烈，且出現(xiàn)“二次激增”趨勢(shì)。

圖7 不同基體粗糙度下粒子屈服應(yīng)力變化曲線Fig.7 Yield stress curve of particles with different substrate surface roughness

粒子沉積過(guò)程中，等效塑性變形峰值位于粒子與基體的結(jié)合薄壁界面處，當(dāng)?shù)刃苄宰冃我鹱銐驕厣龝r(shí)，熱軟化效應(yīng)相對(duì)加工硬化以及應(yīng)變率硬化占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)，粒子將發(fā)生絕熱軟化現(xiàn)象[25]，加之材料熱力性質(zhì)波動(dòng)以及應(yīng)變、應(yīng)變率、溫升等因素干擾，絕熱軟化會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^熱剪切局部化，粒子局部區(qū)域屈服應(yīng)力迅速下降為0。Ra=0 μm 時(shí)，粒子熱軟化效應(yīng)占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)，因此產(chǎn)生上述現(xiàn)象；Ra=10.26 μm 時(shí)，波峰與波谷的高度差逐漸接近于粒子直徑，粒子的扁平化過(guò)程受波峰阻力較大，加工硬化以及應(yīng)變率硬化相對(duì)熱軟化效應(yīng)占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致屈服應(yīng)力峰值逐漸上升；Ra=10.26 μm 時(shí)，粒子在沉積過(guò)程中產(chǎn)生“一次、二次形變”，“一次形變”發(fā)生于粒子與波峰“側(cè)壁”碰撞，側(cè)壁對(duì)粒子產(chǎn)生擠壓，粒子屈服應(yīng)力發(fā)生突變，“二次形變”發(fā)生于粒子與波谷底部接觸，粒子擠壓波峰的同時(shí)，將加深波谷深度，形成沉積坑，粒子自身塑性變形增加，導(dǎo)致屈服應(yīng)力二次增加。

綜上，粒子沉積過(guò)程中，粒子中上部與先接觸基體部分的屈服應(yīng)力均高于粒子底部與后接觸部分，理想表面的屈服應(yīng)力峰值與Ra=5.34 μm 時(shí)近似相等，約為2.8 GPa。Ra=0 μm 時(shí)，因發(fā)生“絕熱剪切局部化現(xiàn)象”，粒子屈服應(yīng)力下降至零。Ra一定程度的增加將降低粒子屈服應(yīng)力，但Ra過(guò)大將導(dǎo)致粒子產(chǎn)生二次形變，屈服應(yīng)力出現(xiàn)“二次激增”現(xiàn)象。

2.3 基體表面粗糙度對(duì)粒子等效塑性應(yīng)變的影響

前文描述了不同基體表面粗糙度下粒子屈服應(yīng)力的變化情況，本節(jié)將重點(diǎn)探討基體表面粗糙度對(duì)粒子等效塑性應(yīng)變的影響。設(shè)定粒子初始速度Vp=500 m/s，初始溫度Tp=800 K。設(shè)定粒子等效塑性應(yīng)變峰值處作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以進(jìn)行粒子等效塑性應(yīng)變觀察。

根據(jù)圖4 不同基體表面粗糙度下粒子等效塑性應(yīng)變?cè)茍D可知，4 種情況下，粒子中下部的等效塑性應(yīng)變程度均高于粒子頂部，同時(shí)粒子中心軸線對(duì)稱位置處的塑性應(yīng)變程度亦不相同，粒子先接觸基體的部分的等效塑性變形程度高于后接觸部分。原因在于粒子中下部與基體表面直接接觸產(chǎn)生形變，消耗大量粒子動(dòng)能，而粒子中上部無(wú)法與基體直接接觸，因此粒子中下部等效塑性應(yīng)變程度高于粒子頂部。由于基體表面形貌不均勻，粒子中心軸線對(duì)稱位置與基體表面波峰接觸存在先后順序，率先與基體表面接觸的粒子將消耗大量動(dòng)能，產(chǎn)生劇烈塑性變形，而后接觸的粒子則消耗較少動(dòng)能，導(dǎo)致變形程度較低。

圖8 為不同基體粗糙度下粒子等效塑性應(yīng)變曲線。由圖可得，不同基體表面粗糙度下，粒子的等效塑性應(yīng)變變化趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)先升、后平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)基體表面粗糙度Ra=0 μm 時(shí)，粒子的等效塑性應(yīng)變峰值最大為2.03，伴隨基體表面粗糙度逐漸增加，粒子的等效塑性應(yīng)變均低于理想表面情況，Ra=2.51、5.34、10.26 μm 時(shí)，對(duì)應(yīng)等效塑性應(yīng)變峰值分別為1.57、1.83、0.46，呈現(xiàn)出先增后降趨勢(shì)，且Ra=10.26 μm 時(shí)的等效塑性應(yīng)變明顯低于其他情況。

圖8 不同基體粗糙度下粒子等效塑性應(yīng)變變化曲線Fig.8 Equivalent plastic strain curve of particles with different substrate roughness

Ra=0 μm 時(shí)，基體表面光滑平整，粒子在各方向受力均勻，且扁平化過(guò)程消耗動(dòng)能較低，粒子可以實(shí)現(xiàn)自由鋪展變形，因而扁平化塑性變形程度較高。伴隨基體表面粗糙度逐漸增加，波峰與波谷的高度差逐漸接近于粒子直徑，粒子的扁平化過(guò)程受波峰阻力影響，逐漸增大，波峰與波谷的存在將抑制粒子水平鋪展，降低粒子塑性變形程度，因此粒子的等效塑性應(yīng)變均低于理想表面情況。Ra=5.34 μm 時(shí)，粒子兩側(cè)碰撞基體的時(shí)間差較大，先接觸基體一側(cè)的粒子消耗大量動(dòng)能，塑性變形程度劇烈，且只有單側(cè)粒子跨越波峰進(jìn)行水平鋪展。而Ra=2.51 μm 時(shí)，粒子兩側(cè)幾乎同時(shí)與基體表面接觸，且兩側(cè)都越過(guò)波峰進(jìn)行水平鋪展，因此等效塑性變形程度相對(duì)Ra=5.34 μm 有所下降。Ra=10.26 μm 時(shí)，波峰與波谷的高度差超越粒子直徑，粒子沉積過(guò)程中，粒子擠壓兩側(cè)波峰形成波峰偏移，消耗大量粒子動(dòng)能，同時(shí)波谷深度增加，粒子整體鑲嵌于波峰之間，因此自身塑性變形程度較低。

綜上，粒子沉積過(guò)程中，粒子中下部的等效塑性應(yīng)變程度高于粒子頂部，同時(shí)粒子中心軸線對(duì)稱位置處的塑性應(yīng)變程度亦不相同，粒子先接觸基體的部分的等效塑性變形程度高于后接觸部分。Ra=0 μm 時(shí)，粒子等效塑性程度最大，等于2.03。非理想平面狀態(tài)下，一定程度增加Ra時(shí)，波峰波谷的存在可促進(jìn)粒子等效塑性變形，但是過(guò)度增加Ra將引起波峰變形偏移，導(dǎo)致粒子能量消耗殆盡，粒子等效塑性變形程度下降。

2.4 基體表面粗糙度對(duì)粒子溫度的影響

前文描述了不同基體表面粗糙度下粒子的等效塑性應(yīng)變變化情況，本節(jié)將重點(diǎn)探討基體表面粗糙度對(duì)粒子溫度的影響。設(shè)定粒子初始速度Vp=500 m/s，初始溫度Tp=800 K，設(shè)定粒子等效塑性應(yīng)變最大處作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以進(jìn)行粒子溫度觀察。

圖9 為不同基體粗糙度下粒子溫度云圖，由于粒子溫升均源自粒子自身等效塑性變形，因此粒子的溫度分布與等效塑性應(yīng)變分布相同。4 種情況下，粒子中下部的溫升幅度均高于粒子頂部，同時(shí)粒子中心軸線對(duì)稱位置處的溫升幅度亦不相同，先接觸基體的粒子部分的溫升幅度高于后接觸部分。

圖9 不同基體粗糙度下粒子溫度云圖Fig.9 Distribution of temperature of particles under different substrate surface roughness

粒子中下部與基體表面直接接觸產(chǎn)生形變，消耗大量粒子動(dòng)能，而粒子頂部無(wú)法與基體直接接觸，因此粒子中下部等效塑性應(yīng)變程度高于粒子頂部，從而粒子中下部的溫升幅度高于粒子頂部。由于基體表面形貌不均勻，粒子中心軸線對(duì)稱位置與基體接觸存在先后順序，率先與基體接觸的粒子部分將消耗大量動(dòng)能，產(chǎn)生劇烈塑性變形，而后接觸的粒子部分則變形程度較低，因此先接觸基體的粒子部分的溫升幅度高于后接觸部分。

圖10 為不同基體粗糙度下粒子溫度峰值變化曲線。由圖可得，4 種基體表面粗糙度下，粒子的溫升峰值變化趨勢(shì)相同。Ra=0 μm 時(shí)，粒子溫升峰值最高，為1562 K；Ra= 2.51、5.34、10.26 μm 時(shí)，相應(yīng)溫升峰值表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)，分別為1455、1496、1075 K。Ra=0 μm 與5.34 時(shí)，粒子溫升峰值幅度十分接近，二者溫差僅66 K。原因在于，粒子沉積過(guò)程中，粒子的溫升主要源于自身的等效塑性應(yīng)變，粒子與基體之間的摩擦可引起部分溫升，但是相對(duì)等效塑性應(yīng)變而言，對(duì)粒子的溫升峰值影響較小，粒子溫升峰值變化趨勢(shì)與粒子等效塑性應(yīng)變變化趨勢(shì)總體一致。

圖10 不同基體粗糙度下粒子溫度峰值變化曲線Fig.10 Temperature curve of particles with different substrate roughness

綜上，粒子沉積過(guò)程中，粒子的溫升源于自身等效塑性應(yīng)變與摩擦生熱，粒子中下部的溫升幅度高于粒子頂部，同時(shí)粒子中心軸線對(duì)稱位置處的溫升幅度亦不相同，先接觸基體的粒子部分的溫升幅度高于后接觸部分。Ra=0 μm 時(shí)，粒子溫度峰值最高為1562 K；Ra=0、5.34 μm 時(shí)，粒子溫升幅度十分接近，二者溫差僅為66 K。

3 結(jié)論

本文采用線彈性本構(gòu)模型以及Johnson-Cook 塑性模型，開(kāi)展了基體表面粗糙度對(duì)WC-12Co 粒子在45#碳鋼基體上的沉積行為的影響分析，結(jié)論如下：

1）不同基體表面粗糙度下粒子最終沉積形貌存在明顯差異。Ra=0 μm 時(shí)粒子沉積形貌對(duì)稱但粒子-基體結(jié)合面積最小。伴隨基體表面粗糙度增加，粒子沉積形貌逐漸向不規(guī)則變形轉(zhuǎn)變，且粒子與基體結(jié)合面積逐漸增大。粒子沉積過(guò)程中，粒子動(dòng)能充足對(duì)于翻越波峰，完成扁平化變形至關(guān)重要，否則粒子將填充彌補(bǔ)波谷；粒子沉積位置對(duì)粒子最終沉積形貌影響甚重，沉積至波峰頂部將引起波峰壓縮變形，并嵌入粒子內(nèi)部，沉積至波峰中部將引起波峰垂直壓縮與水平鋪展，同時(shí)對(duì)粒子產(chǎn)生“切割”作用，沉積至波谷底部將對(duì)兩側(cè)波峰造成擠壓，并增加波谷深度。相同點(diǎn)在于粒子均會(huì)對(duì)波谷進(jìn)行不同程度的填充，并存在一定間隙。

2）粒子沉積過(guò)程中，受熱軟化、加工硬化以及應(yīng)變率硬化效應(yīng)綜合影響，粒子屈服應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變變化趨勢(shì)接近一致，粒子中下部與先接觸基體處均高于粒子頂部與后接觸部分。Ra=0 μm 時(shí)，粒子等效塑性程度最大，等于2.03，但粒子屈服應(yīng)力因熱軟化效應(yīng)相對(duì)加工硬化以及應(yīng)變率硬化占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)最終下降至零。非理想表面狀態(tài)下，一定程度增加Ra可促進(jìn)粒子等效塑性變形，降低粒子屈服應(yīng)力，但Ra過(guò)大將導(dǎo)致粒子等效塑性變形程度下降，屈服應(yīng)力出現(xiàn)“二次激增”趨勢(shì)。

3）粒子沉積過(guò)程中，粒子溫升與等效塑性應(yīng)變變化趨勢(shì)總體一致，粒子中下部與先接觸基體處的溫升程度均高于粒子頂部與后接觸部分；Ra=0 μm 時(shí)，粒子溫度峰值最高為1562 K，Ra=0 與5.34 μm 時(shí)，粒子溫升幅度十分接近，二者溫差僅為66 K。

4）綜合比較，Ra=5.34 μm 時(shí)，粒子屈服應(yīng)力、等效塑性變形程度、溫升幅度在非理想表面狀態(tài)下最佳，粒子與基體結(jié)合狀態(tài)最優(yōu)。因此，一定程度提升基體表面粗糙度有助于改進(jìn)粒子與基體之間的結(jié)合狀態(tài)，提升涂層性能，但過(guò)度提升基體表面粗糙度將抑制粒子變形，導(dǎo)致粒子-基體間存在間隙，增大涂層孔隙率，導(dǎo)致涂層性能下降。