感應釬涂中涂層與基體的熱耦合效應

趙夢琪，石秋生，陳林，楊冠軍

熱噴涂與冷噴涂技術

感應釬涂中涂層與基體的熱耦合效應

趙夢琪，石秋生，陳林，楊冠軍

（西安交通大學 a.材料科學與工程學院 b.金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

研究釬涂中涂層感應熱和基體感應熱對基體溫度場的耦合效應。建立二維有限元模型，研究涂層制備全周期熱載荷作用下涂層與基體的溫度場變化規律，揭示涂層與基體感應熱對基體熱影響的耦合作用機制。以鈦合金表面感應重熔鈦基合金涂層為例，研究涂層和基體感應熱耦合作用對基體的熱影響，同時，對比研究涂層和基體感應熱單獨作用對基體的熱影響。在涂層感應熱和基體感應熱共同作用下，發現了熔化界面從涂層表面和涂層/基體界面向涂層內部雙向推移的現象，基體感應熱對涂層熔化具有反向熱輸入作用。在本研究條件下，表面開始熔化后，經歷0.38 s可以實現涂層熔透。兩個單因素的作用并非簡單疊加，共同作用下基體最高溫度低于單因素作用之和，但基體最大相變深度和相變時間均高于單因素作用之和，涂層感應熱與基體感應熱存在耦合效應。在基體感應熱使得基體具有高界面溫度（但低于相變溫度）的基礎上，溫度更高的涂層，通過進一步提高基體表層的最高溫度，使得基體發生相變。

感應重熔；涂層；有限元法；熱源模型；溫度場

作為表面工程的關鍵技術之一，熱噴涂可以使材料表面具備耐磨損、耐腐蝕、抗氧化等優異性能[1-3]，對提高工件壽命和服役可靠性具有重要意義。熱噴涂層與基體的界面結合通常以機械結合為主[4]，涂層組織中存在孔隙和殘余應力[5-6]，影響材料優異耐磨性的發揮，并可能降低疲勞強度，因此有必要進一步通過后處理[7]的方式改善涂層界面結合。研究表明，對涂層進行重熔[8]處理可以使重熔層與基體之間形成冶金結合[9-10]，同時也可改善涂層的片層間結合狀態與致密度[11]，從而提高涂層的綜合服役性能。

涂層重熔工藝有多種，如氧乙炔火焰加熱重熔[12]、爐內重熔[13]、激光加熱重熔[14-15]、感應重熔[16]等。火焰重熔是利用火焰對噴涂層進行加熱、熔化，使涂層與基體形成良好的冶金結合的技術，因其操作簡單、成本低廉，廣泛應用于實際生產[17]。但由于火焰功率有限，多數為手工操作，工作環境惡劣，生產效率低，重熔層質量穩定性較差。爐內重熔是指工件在電爐內進行加熱重熔的方法。真空爐重熔層具有內部缺陷少、內應力小的優點，但是爐中重熔高溫時間長，對基體材料的組織和性能會產生較大的影響[18]。激光重熔是利用高能激光束加熱涂層并快速熔化的方法。激光重熔過程中，加熱、冷卻速度快，容易產生裂紋，以及氣孔來不及排除，易形成孔洞[19]。感應重熔技術是以感應渦流作為熱源熔化重熔層的工藝方法，具有加熱速度快、對基體影響小、工作環境清潔等特點。在感應重熔中，利用感應線圈中的交變磁場在基體表面產生渦流，渦流產生的熱量熔化合金涂層，從而使涂層與基體實現冶金結合[20-23]。利用感應加熱的集膚效應，即加熱僅僅發生在工件表面的薄層區域，可以使涂層重熔而最大限度地減少對工件的熱損傷，在提高熱噴涂生產效率和涂層質量、減少對工件的熱損傷和變形、改善操作者的勞動環境等方面，都具有明顯的優勢。此外，在避免涂層材料被過度熔化的基體稀釋方面，也明顯優于激光重熔[24]。釬涂，作為一種新的涂層制備技術，它是一種介于熱噴涂與焊接之間的特殊涂層制備工藝，它能夠實現在基體不熔化的前提下涂層快速熔化，在涂層與基體界面處形成牢固的冶金結合，不會對基體產生過大的熱沖擊。與噴涂工藝相比，可以改善噴涂態涂層與基體界面的機械結合，提高界面結合強度；另一方面，相比于激光加熱，可以改善涂層過度的稀釋，并減少對基體的破壞作用。

所有的涂層制備技術對基體都有一定程度的熱影響。感應加熱是一個涉及電、磁、熱、相變、力等多方面的綜合場，目前為止尚沒有一個合適的耦合理論可以用解析數學對感應加熱物理過程進行描述，在實際生產應用中很難通過簡單計算求得感應加熱某一材料時的最優參數。現代科技的迅猛發展，使得采用計算機數值模擬來描述感應加熱過程成為一種可能。目前，關于感應加熱數值模擬的研究大多都集中在對基體熱效應的數值研究，而在基體表面噴涂一定厚度的涂層，隨后采用高頻感應加熱電源對涂層進行釬涂重熔的數值模擬在國內外未見有研究資料發表。為分析釬涂中涂層感應熱和基體感應熱對基體溫度場[25]的耦合效應，本文開展了涂層感應重熔對基體熱影響的數值研究。建立了二維有限元模型，研究涂層制備全周期熱載荷作用下涂層與基體的溫度場變化規律。以鈦合金表面感應重熔鈦基合金涂層為例，研究了涂層和基體感應熱共同作用對基體的熱影響，同時，對比研究了涂層和基體感應熱單獨作用對基體的熱影響，從而揭示出涂層與基體感應熱對基體熱影響的耦合作用機制。

1 物理模型及網格劃分

涂層重熔感應加熱基體的物理模型如圖1所示。由于集膚效應的影響，涂層和基體表層都會有感應熱產生。由于工件橫向尺寸可以被感應加熱線圈完全覆蓋，因此可將模型簡化為沿深度方向的二維傳熱。

本研究用COMSOL Multi-physics有限元軟件分析了上述模型的二維傳熱過程。由于基體的溫度場受涂層熱效應和基體熱效應的共同作用，為深入探究兩者的相互關系，建立了涂層和基體熱效應共同作用模型、涂層熱效應單獨作用模型和基體熱效應單獨作用模型等3種模型。其網格劃分如圖2所示。由于涂層

圖1 涂層重熔感應加熱基體的物理模型

圖2 3種模型中模擬區域的計算網格

在感應加熱及后續冷卻過程中會發生固液態之間的相變，因此模型將精確追蹤熔化界面。以涂層上表面為基準，建立坐標系，沿基體深度向內為軸正方向。

本模型所采用的參數、初始和邊界條件如下：基體和預置涂層的初始溫度為298 K，基體和涂層兩側的邊界條件設置為自然對流換熱、基體的下表面恒溫。所施加的感應熱源的熱流密度由涂層表面向內部呈指數規律衰減，涂層表面的熱流密度為5.35×109W/m3，熱源作用時間為2 s，作用深度為1.5 mm。基體材料以鈦合金TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr）為例，密度為4480 kg/m3。鈦合金基體的(α+β)/β相變點溫度為1308 K，在本研究中作為基體敏感的代表性熱影響溫度參數。涂層材料以鈦基釬料合金Ti49Zr49Be為例，固液相變溫度為1233 K，相變潛熱為320 kJ/kg，固相密度為4512 kg/m3。

2 涂層和基體感應熱耦合作用下基體的熱效應

2.1 不同時刻溫度沿深度分布規律

首先研究了涂層和基體熱效應耦合作用下涂層與基體的溫度場分布規律。涂層和基體感應熱耦合作用下，幾個不同特征時刻的溫度分布如圖3所示。從圖3中可以發現，涂層表面溫度先升高、后降低，且對基體的熱影響深度逐漸增大。整個過程依次經歷涂層熔化、基體開始相變、涂層表面達到最高溫度、基體相變結束、涂層凝固和基體繼續冷卻等多個階段。

不同時刻涂層及基體的溫度在深度方向的分布曲線如圖4a所示。可以看出，由涂層表面向基體內部，溫度逐漸遞減。幾個特征時刻涂層/基體界面附近溫度分布的局部放大如圖4b所示。=1.20 s時，涂層表面溫度達到1233 K，涂層開始熔化。繼續加熱至=1.58 s時，涂層整體溫度開始高于1233 K，熔化結束，涂層的整個熔化過程歷時0.38 s。=1.67 s時，基體表面溫度達到基體的相變溫度1308 K，基體開始發生(α+β)/β相變。=2.00 s時，停止加熱，涂層表面達到最高溫度1492 K，涂層開始冷卻。=2.23 s時，涂層/基體界面處的溫度降至相變溫度1308 K，基體相變結束。繼續冷卻到=2.41 s時，涂層/基體界面處的溫度降到1233 K，涂層開始凝固。=2.96 s，涂層表面冷卻至1233 K，涂層凝固結束，凝固過程歷時0.75 s。

圖3 涂層和基體在感應熱作用下不同特征時刻涂層和基體的溫度場

圖4 不同時刻涂層及基體的溫度隨深度方向的變化規律

由圖4b可以發現，涂層熔化完成（=1.58 s）時，涂層內部溫度分布曲線反映出最終熔化位置介于涂層表面和涂層/基體界面之間。因此，進一步提取了涂層熔化過程幾個時刻的溫度分布曲線，結果如圖4c所示。可以看出，在1.20～1.58 s涂層熔化過程中，固液界面從涂層表面、涂層/基體界面兩處向涂層內部推進，且涂層最終熔化處于距離涂層表面0.23 mm左右的位置。=1.52 s時，溫度分布曲線在涂層/基體附近以及涂層表面均有略微凸起，表明在目前條件下，固液界面從涂層/基體界面和涂層表面處同時向涂層內部推進。=1.58 s時，兩邊向涂層內推進的固液界面重合，熔化結束。在雙向推進過程中，熔化結束時，涂層由表面向涂層內部推進了0.23 mm左右，從涂層/基體界面處向涂層內部推進0.07 mm，由涂層表面向內部推進的速度更大，占據主導地位。通過分析，固液界面發生雙向推移，一方面是由于涂層表面的熱流密度高于界面處，且熔化發生前，界面處涂層向基體熱輸入較多，表面處積聚了更多熱量，固液界面從表面向界面推移；另一方面，由于涂層熔點較低，涂層熔化開始階段不斷吸收熔化潛熱，導致涂層與基體界面處有熱量累積，使得界面附近的基體溫度略高于界面處涂層，對界面處涂層存在反向熱輸入，使得固液界面從界面向表面推移，即涂層熱傳導和基體反向熱輸入耦合作用，使得涂層熔化。

2.2 不同位置處溫度隨時間的變化規律

為研究涂層感應釬涂過程對基體的熱影響，分別提取了涂層/基體界面處和基體相變最大深度處的溫度隨時間的變化曲線（如圖5所示），不同位置處溫度都呈現先升高、后下降的趨勢。涂層/基體界面處的溫度升高到涂層的熔點時，涂層在熔化潛熱的作用下發生等溫熔化。熔化結束后，涂層與基體表面溫度繼續升高。在=1.67 s時，涂層/基體界面處的溫度達到1308 K，基體開始發生相變。繼續加熱，涂層/基體界面的溫度升到最高，隨后進入冷卻階段。=2.23 s時，涂層/基體界面處的溫度降至1308 K，基體相變結束，整個相變過程持續0.56 s。繼續冷卻，當涂層/基體界面處的溫度降至1233 K時，由于結晶潛熱的作用，涂層開始發生等溫凝固。當基體內部距離涂層表面大于1.061 mm時，這些區域內基體的溫度均低于1308 K，即不會發生基體相變。基體相變深度隨時間的變化曲線如圖6所示。可以看出，曲線呈“尖角狀”分布，相變深度隨熱循環的進行先增加、后減小，最大深度為0.761 mm。

圖5 界面處和基體發生相變的臨界深度處的溫度隨時間的變化

圖6 涂層與基體感應熱效應下基體損傷深度隨時間的變化

首先提取了涂層及基體內部的幾個特征時刻溫度場分布云圖，隨后定量描述了涂層及基體內部溫度隨時間的變化規律，進一步對涂層在熔化過程中熔化界面的位置變化進行精確追蹤，最后研究了涂層和基體感應熱作用下基體內部的溫度及基體熱敏感深度隨時間的變化規律。結果表明，在涂層和基體感應熱的共同作用下，涂層表面溫度呈現先升高、后下降的趨勢；在涂層熔化過程中，發現了熔化固液界面從涂層/基體界面處、涂層表面向涂層內部雙向推移的現象，且從表面推進占據主導作用，整個過程歷時0.38 s，可以實現涂層完全熔透；在1.67～2.23 s，從基體表面至基體內部0.761 mm處深度范圍內，基體溫度超過基體熱敏感溫度，可能發生基體相變，持續時間不超過0.56 s。

3 單因素作用下基體的熱效應

3.1 涂層熱效應對基體溫度場的影響

為了深入理解涂層熱效應和基體熱效應的共同作用機制，分別研究了涂層和基體感應熱單獨作用對基體的熱影響。涂層熱效應單獨作用下的溫度分布規律如圖7所示，為了加強對比，提取的溫度時刻為前面所述的兩熱源共同作用下的特征時刻。與雙熱源共同作用類似，溫度從涂層表面向基體內部逐漸遞減。與基體內部相比，涂層內的溫度梯度較小。這是由涂層材料和基體的熱物性參數有差異造成的。可以發現，涂層熱效應單獨作用時，涂層表面最高溫度僅達到732 K，遠低于涂層的熔點以及基體相變點。因此，只考慮涂層熱效應時，基體不會發生相變。只考慮涂層熱效應時溫度隨時間的變化曲線如圖8所示。2個特征深度處的溫度隨時間的變化過程都經歷了平滑上升和下降階段。顯然，涂層界面處的最高溫度遠低于基體的相變點。

圖7 涂層熱效應單獨作用下不同時刻的溫度分布

圖8 涂層熱效應單獨作用下不同位置處溫度隨時間的變化

3.2 基體熱效應對基體溫度場的影響

進一步研究了基體熱效應單獨作用下的溫度分布規律，結果如圖9所示。與涂層熱效應單獨作用類似，溫度從基體表面向內部逐漸遞減，且基體表層的溫度梯度小于基體內部。從圖9可以看出，熱源作用2 s后，基體表面達到1246 K，低于基體的相變溫度（1308 K），基體不發生相變。只考慮基體熱效應時溫度隨時間的變化曲線如圖10所示。2個特征深度處的溫度隨時間的變化都經歷了平滑上升和下降階段，涂層界面處的最高溫度低于基體的相變點。

圖9 基體熱效應單獨作用大下溫度隨深度方向分布

圖10 基體熱效應單獨作用下不同位置處溫度隨時間的變化

綜上所述，在本研究條件下，涂層熱效應所產生的熱量不足以使涂層熔化，而基體感應熱會使涂層完全熔化，但不會使基體發生相變。與涂層熱效應相比，基體熱效應占據主導地位。

4 涂層熱效應與基體熱效應耦合機制

為了分析涂層熱效應與基體熱效應對基體相變的作用規律，對比了涂層和基體感應熱耦合作用、涂層熱效應以及基體熱效應單獨作用3種情況下界面最高溫度、相變深度以及相變時間，如圖11所示。涂層和基體感應熱耦合作用時，界面溫度最高，為1492 K；基體的熱效應單獨作用時，界面最高溫度為1246 K；涂層熱效應單獨作用時，界面最高溫度為732 K。從界面處最高溫度對比來看，基體熱效應起主導作用。可以看出，單獨的涂層熱效應和基體熱效應時，界面最高溫度之和大于涂層和基體感應熱耦合作用時的最高溫度。

圖11 涂層與基體感應熱的耦合作用或單獨作用下界面最高溫度、相變深度及相變時間的對比關系

進一步對比了三者的相變深度，發現涂層和基體感應熱共同作用時，相變深度最大，為0.761 mm。涂層熱效應和基體熱效應單獨作用時，基體不發生相變。涂層熱效應和基體熱效應單獨作用時，其相變深度之和小于涂層和基體感應熱共同作用時的相變深度。

綜上所述，涂層和基體感應熱的共同作用不是涂層熱效應和基體熱效應兩者單獨作用的簡單疊加，而是一種耦合關系。共同作用時，涂層發生等溫熔化時吸收熱量，但溫度幾乎不變，而基體吸收熱量，溫度逐漸升高，甚至界面處會高于涂層溫度，導致基體熱量向涂層傳遞，基體升溫減緩，基體的最高溫度低于2個單因素作用下的最高溫度之和。

5 結論

本文為研究釬涂中涂層和基體感應熱對基體溫度場的耦合效應，建立了二維有限元模型，研究了涂層制備全周期熱載荷作用下涂層與基體的溫度場變化規律，揭示了涂層與基體感應熱對基體熱影響的耦合作用機制。以鈦合金表面感應重熔鈦基合金涂層為例，研究了涂層和基體感應熱耦合作用對基體的熱影響，同時對比研究了涂層和基體感應熱單獨作用對基體的熱影響。得出如下主要結論：

1）涂層和基體感應熱耦合作用時，隨著涂層加熱和冷卻過程的進行，涂層表面溫度先升高、后下降，對基體的熱影響深度越來越大。

2）涂層和基體感應熱耦合作用時，發現了熔化界面從涂層表面和涂層/基體界面向涂層內部雙向推移的現象，表面開始熔化后的0.38 s，可以實現涂層熔透。基體溫度最高為1492 K，1.67～2.23 s內，基體發生了相變，最大相變深度為0.761 mm。

3）涂層與基體感應熱單獨作用時，基體最高溫度分別為732、1246 K，產生的熱效應不足以使基體發生相變。

4）涂層和基體感應熱耦合作用下，基體的最高溫度低于單因素作用之和，并且單因素作用下無相變產生，表明兩個單因素的作用并非簡單疊加。在基體感應熱使得基體具有高界面溫度（但低于相變溫度）的基礎上，溫度更高的涂層，通過進一步提高基體表層最高溫度，使得基體發生相變。

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DING Shu-yu, MA Guo-zheng, CHEN Shu-ying, et al. Research State on Heat Accumulation Behavior and Temp-erature Control in Thermal Spraying Forming Pro-cess[J]. Materials Reports, 2019, 33(21): 3644-3653.

Thermal Coupling Effect between Coating and Substrate in Induction Brazing Coating

,,,

(a. School of Materials Science and Engineering, b. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

In order to study the coupling effect of coating induced heat and substrate induced heat on substrate temperature field in brazing coating process, a two-dimensional finite element model was established to study the change law of the temperature field between coating and substrate under thermal load during the full cycle of coating preparation, revealing the coupling mechanism of thermal effect of induced heat between coating and substrate on substrate. Taking the induction-remelted titanium-based alloy coating on the surface of titanium alloy as an example, thermal effect of induction thermal coupling between coating and substrate on substrate was studied. At the same time, thermal effect of separate action of induced heat of coating and substrate on substrate was compared. Under combined action of coating induced heat and substrate induced heat, it was found that the melting interface moved from the coating surface and coating/substrate interface to the interior of the coating in both directions. Substrate induced heat had reverse heat input effect on coating melting. Under conditions of the present study, melting of the whole coating finished after 0.38 s when the coating surface started to melt. Comparative research showed that the action of two individual factors was not simple superposition. Under combined action, the maximum temperature of substrate was lower than the sum of individual factor, but the maximum depth and time of phase transformation of substrate were higher than the sum of individual factor.There was a coupling effect between coating induced heat and substrate induced heat. On the basis of substrate induced heat making substrate have a high interface temperature (but lower than the phase transformation temperature), coating with higher temperature could make substrate phase transform by further increasing the maximum temperature of substrate surface.KEY WORDS: induction remelting; coating; finite element method; heat source model; temperature field

2021-04-01；

2021-07-02

ZHAO Meng-qi (1996—), Female, Postgraduate, Research focus: protective coating.

楊冠軍（1977—），男，博士，教授, 主要研究方向為防護涂層。

Corresponding author：YANG Guan-jun (1977—), Male, Doctor, Professor, Research focus: protective coating.

趙夢琪, 石秋生, 陳林, 等. 感應釬涂中涂層與基體的熱耦合效應[J]. 表面技術, 2022, 51(1): 296-302.

TG174

A

1001-3660(2022)01-0296-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.032

2021-04-01；

2021-07-02

國家科技重大專項（2017- VII-0012-0107）

Fund：Supported by the National Science and Technology Major Project (2017- VII-0012-0107)

趙夢琪（1996—），女，碩士生，主要研究方向為防護涂層。

ZHAO Meng-qi, SHI Qiu-sheng, CHEN Lin, et al. Thermal Coupling Effect between Coating and Substrate in Induction Brazing Coating[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 296-302.