王 蟬 彭衛(wèi)平 張東斌 鞠鵬飛

（1 武漢大學(xué)，流體機(jī)械與動(dòng)力工程裝備技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

（2 上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200240）

文 摘 脈沖激光會(huì)燒蝕材料形成表面微納結(jié)構(gòu)，研究該刻蝕作用下的冷噴涂沉積過程，以提高表面修復(fù)質(zhì)量與效率。首先，結(jié)合脈沖激光作用過程與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果建立了單/多粒子與基板的沉積模型；其次，運(yùn)用熱-結(jié)構(gòu)耦合算法對(duì)存在表面微納結(jié)構(gòu)時(shí)的粒子/基板碰撞過程開展數(shù)值模擬，研究了脈沖激光刻蝕作用對(duì)冷噴涂材料沉積過程的影響；最后，分析了脈沖激光-冷噴涂復(fù)合修復(fù)過程中材料的沉積機(jī)理。結(jié)果表明，刻蝕作用形成的微納結(jié)構(gòu)使得粒子與基板的溫度分布更加均勻，形變更加復(fù)雜，特別是碰撞中心區(qū)域的形變得到顯著提升；且粒子碰撞在基板表面微納結(jié)構(gòu)的波峰處時(shí)應(yīng)變、溫升最大，波谷處時(shí)最??；脈沖激光-冷噴涂的沉積機(jī)理為塑性射流處的機(jī)械-物理結(jié)合與激光熔化區(qū)的冶金焊合。

0 引言

如何高質(zhì)高效地修復(fù)零件表面缺陷一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)之一。冷噴涂是一種低溫、高效的固相沉積涂層技術(shù)，也可應(yīng)用在表面修復(fù)領(lǐng)域［1-2］。但是，低壓設(shè)備的沉積效率和質(zhì)量較低，高壓設(shè)備復(fù)雜且不利于現(xiàn)場(chǎng)施工［3］。為提高其修復(fù)質(zhì)量與效率，可通過引入外來熱源等方式改善碰撞區(qū)域塑性能力［4］，使沉積更容易發(fā)生。但對(duì)于高強(qiáng)合金薄壁件，過大的熱載荷會(huì)導(dǎo)致材料整體發(fā)生熱變形，降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。采用熱影響區(qū)小、可控性好的脈沖激光輔助冷噴涂工藝能有效解決上述問題。而脈沖激光照射基板時(shí)會(huì)燒蝕材料形成等離子體并氣化，形成大量的周期性微/納米結(jié)構(gòu)［5-6］。因此，研究脈沖激光-冷噴涂修復(fù)沉積機(jī)理、刻蝕作用對(duì)沉積過程的影響，能幫助更好的理解與優(yōu)化相關(guān)工藝。

目前，沉積機(jī)理相關(guān)研究多集中在冷噴涂過程。絕熱剪切失穩(wěn)被認(rèn)為是最主流的冷噴涂結(jié)合機(jī)制［7］，其通常被描述為由顆粒撞擊帶來的溫度提升效應(yīng)和加工硬化之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。A.MORIDI［8］認(rèn)為顆粒與基板材料在沖擊壓力下發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)產(chǎn)生金屬塑性射流，使材料互相咬合，形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。T.HUSSAIN［9］認(rèn)為絕熱剪切失穩(wěn)產(chǎn)生的射流會(huì)破壞材料表面氧化膜，使得干凈金屬直接接觸從而形成鍵合。S.YIN［10］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)冶金結(jié)合現(xiàn)象，形變產(chǎn)生的熱能使得碰撞界面局部達(dá)到材料熔點(diǎn)。Y.XIE［11］在將Ni 顆粒噴涂到鋁基板上時(shí)，在界面處發(fā)現(xiàn)了Ni3Al 金屬間化合物，說明材料形變過程的絕熱溫升會(huì)誘導(dǎo)化學(xué)結(jié)合。

由于冷噴涂過程中粒子與基板碰撞時(shí)間極短（從發(fā)生接觸到碰撞完成大約幾十納秒），只能對(duì)碰撞結(jié)束后的表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，因此現(xiàn)有研究結(jié)合機(jī)理的方法主要為計(jì)算機(jī)模擬或理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。李文亞［12］采用彈塑性模型研究了Cu 顆粒碰撞后的變形行為，發(fā)現(xiàn)顆粒速度增加到某一速度后的絕熱剪切失溫現(xiàn)象。殷碩等［13］基于Euler 法計(jì)算得到銅粒子與銅基體在碰撞結(jié)束后的沉積形貌，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。盡管到目前已通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)冷噴涂粒子碰撞過程進(jìn)行了大量研究，但冷噴涂粒子的實(shí)際結(jié)合機(jī)理尚無定論，特別是脈沖激光作用下的冷噴涂復(fù)合機(jī)理相關(guān)研究還較少。

本文采用有限元分析來模擬脈沖激光-冷噴涂修復(fù)過程中粒子與基板的碰撞過程，通過建立存在刻蝕結(jié)構(gòu)的粒子/基板沉積模型，分析不同時(shí)間、不同位置粒子與基板的溫度分布、等效塑性應(yīng)變（PEEQ），研究脈沖激光刻蝕作用對(duì)材料形變、結(jié)合強(qiáng)度的影響，為傳統(tǒng)冷噴涂工藝與薄壁件表面修復(fù)領(lǐng)域提供一種合適的策略。

1 粒子/基板沉積模型的建立

脈沖激光與材料的熱作用過程見圖1，刻蝕結(jié)構(gòu)尺寸與激光功率P、頻率f、脈寬a、光束直徑r、相間距L、掃描速度v等相關(guān)。

使用納秒激光掃描基板實(shí)際形成的微納結(jié)構(gòu)及尺寸結(jié)果見圖2，具體參數(shù)為P=60 W，f=20 kHz，a=60 ns，r=10 μm，v掃描=500 mm/s，L相間距=0.1 mm。可近似認(rèn)為此時(shí)結(jié)構(gòu)寬度50 μm，深度為20 μm。

圖1 脈沖激光作用過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed laser action

圖2 選定激光參數(shù)下的基板表面結(jié)構(gòu)Fig.2 Substrate surface structure with selected laser parameters

圖3 選定脈沖激光參數(shù)作用下的沉積模型Fig.3 Deposition model under selected laser parameters

單粒子沉積模型見圖3（a），多粒子沉積模型見圖3（b）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)粉末形態(tài)，假設(shè)粒子形狀為球形，且不考慮自旋，粒子半徑為20 μm。單粒子碰撞時(shí)基板尺寸為顆粒半徑的10倍，足以覆蓋整個(gè)沉積區(qū)域，將刻蝕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為波浪形的周期凹坑，基板底部完全約束。多粒子碰撞時(shí)粒子個(gè)數(shù)為30。碰撞過程中，粒子初速度均為500m/s?；跓?結(jié)構(gòu)耦合算法與Lagrange算法進(jìn)行顯式離散求解。

在探究顆粒沉積過程時(shí)采用Von Mises 塑性屈服準(zhǔn)則，以航天薄壁件常用材料2219鋁合金為例，涉及到的材料參數(shù)通過JMatPro 軟件計(jì)算見表1，熱導(dǎo)率、比熱容、剪切模量隨溫度變化見圖4。

表1 2219鋁合金材料性能Tab.1 Properties of 2219Al alloy

脈沖激光-冷噴涂碰撞時(shí)間極短，沖擊過程為絕熱過程、應(yīng)變率大、塑性變形導(dǎo)致溫度升高。據(jù)此，選取經(jīng)典的JOHNSON-COOK 材料本構(gòu)模型，能較好地反映金屬加工時(shí)材料的應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變率強(qiáng)化以及溫度軟化效應(yīng)。此外，根據(jù)脈沖激光-冷噴涂瞬時(shí)性、大形變的特點(diǎn)，選擇廣泛應(yīng)用于固體材料沖擊過程計(jì)算的Mie-Grüneisen 狀態(tài)方程，描述脈沖激光-冷噴涂粒子碰撞過程中固體壓力與體積之間的關(guān)系，確定沖擊壓縮下固體的壓力。

圖4 2219鋁合金材料部分參數(shù)隨溫度變化曲線Fig.4 Material parameters of 2219 aluminum alloy with temperature

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 單粒子沉積過程

圖5為不同碰撞位置時(shí)碰撞結(jié)束后的PEEQ、溫度分布云圖，可以看出，粒子與基板的變形情況隨碰撞位置不同而產(chǎn)生較大區(qū)別，且PEEQ 與溫度分布趨勢(shì)基本相同。當(dāng)碰撞中心為波谷時(shí)，基板擠壓粒子往中心區(qū)域形變，所以PEEQ、溫度峰值發(fā)生在粒子底部中心。當(dāng)碰撞位置為中間時(shí)，粒子往基板波谷方向滑移，破壞界面間的氧化膜，同時(shí)產(chǎn)生二次碰撞，因此峰值發(fā)生在相鄰波谷附近，將導(dǎo)致兩側(cè)結(jié)合強(qiáng)度較大區(qū)別。當(dāng)碰撞中心為波峰時(shí)，基板形變明顯，波峰被壓扁，顆粒材料往兩側(cè)形成射流，隨著碰撞進(jìn)一步發(fā)生，粒子與基板形成的射流會(huì)“插入”相鄰基板表面，形成機(jī)械咬合結(jié)構(gòu)。

如圖6所示，當(dāng)碰撞位置為波谷時(shí)，顆粒受擠壓被“拉長”，所以扁平度較低；當(dāng)碰撞位置為中間時(shí)，垂直于接觸面方向的扁平度達(dá)到30%左右；當(dāng)碰撞位置為波峰時(shí)，豎直方向扁平度最高。當(dāng)顆粒撞擊位置不同時(shí)，接觸面積均受基板結(jié)構(gòu)形狀影響；碰撞位置在波峰與波谷之間時(shí)，由于發(fā)生二次碰撞，接觸面積大大地增加，但接觸區(qū)域結(jié)合強(qiáng)度取決于后續(xù)剩余動(dòng)能。

圖5 單粒子沉積云圖Fig.5 Contours of single particle deposition

如圖7圖8為粒子/基板不同位置由碰撞帶來的PEEQ 與溫升變化曲線，可以看出，當(dāng)碰撞位置為波峰時(shí)，顆粒與基板的應(yīng)變、溫升最大，絕熱剪切失穩(wěn)程度最高。其次是波峰與波谷中間，碰撞位置為波谷時(shí)最小。在碰撞區(qū)域顆粒與基板的局部溫升超過200 K，即若初始溫度較高，材料可能發(fā)生局部熔化。

圖6 單粒子沉積的豎直方向扁平度及接觸面積Fig.6 Flat rate and contact area of single particle deposition

綜上所述，刻蝕作用形成的微納結(jié)構(gòu)對(duì)冷噴涂沉積過程影響較大，且不同碰撞位置的結(jié)合質(zhì)量也有一定區(qū)別。其中，碰撞位置為波峰時(shí)，絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象帶來的塑性射流最明顯，機(jī)械咬合程度也最高。碰撞位置在波峰波谷之間時(shí)，由于滑移破壞氧化膜，物理結(jié)合程度較高，且加大顆粒初始動(dòng)能可有效增加二次碰撞結(jié)合強(qiáng)度。實(shí)際過程中，顆粒隨機(jī)分布且不可控，適當(dāng)增大基板表面的微納結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度能改善顆粒的碰撞情況，從而提高結(jié)合質(zhì)量。

圖7 不同位置的粒子參數(shù)Fig.7 Particle parameters at different positions

圖8 不同位置的基板參數(shù)Fig.8 Substrate parameters at different positions

2.2 多粒子沉積過程

圖9圖10分別為多粒子撞擊基板各時(shí)刻溫度/PEEQ 分布云圖。可以看出，結(jié)合界面的形貌表現(xiàn)為顆粒與基板上表面材料的互相嵌合，即刻蝕形成的微納結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了材料形變，還顯著提高了結(jié)合界面的機(jī)械咬合程度。由于顆粒在撞擊、擠壓的作用下材料具有往旁邊孔隙流動(dòng)形成射流的趨勢(shì)，結(jié)合界面、射流交匯處容易形成“渦流”狀咬合，氧化膜破壞程度也更高。后續(xù)顆粒的持續(xù)夯實(shí)作用也能顯著降低顆粒與基板之間、顆粒與顆粒之間的孔隙率，當(dāng)沉積層達(dá)到一定厚度后，底層顆粒與基板基本不再發(fā)生形變，已形成穩(wěn)定固連。同時(shí)多顆粒撞擊基板時(shí)整體形變量更大，溫升也較高。原孔隙存在處也是溫度、PEEQ的較高值區(qū)域。

圖9 多粒子沉積各時(shí)刻溫度分布云圖Fig.9 Contours of multi-particles deposition temperature at different times

圖10 多粒子沉積各時(shí)刻PEEQ分布云圖Fig.10 Contours of multi-particles deposition PEEQ at different times

2.3 復(fù)合修復(fù)沉積機(jī)理

冷噴涂工藝中材料的結(jié)合機(jī)理主要是機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合，且一般發(fā)生在碰撞區(qū)域邊緣，即射流形成處。通過上述模擬，將脈沖激光-冷噴涂修復(fù)過程中的沉積行為歸納為以下3種。

2.3.1 塑性射流與氧化膜破碎

如圖11所示，剪切失穩(wěn)加速材料的切向流動(dòng)，導(dǎo)致局部剪切應(yīng)變并產(chǎn)生射流，同時(shí)破碎粒子和基板表面的氧化膜，使兩者露出的新鮮金屬表面在高壓下緊密接觸，從而形成物理鍵合，結(jié)合力的大小與氧化膜破壞區(qū)域的接觸面積有較大關(guān)系，只有該面積足夠大才能提供可靠的結(jié)合。

圖11 射流與氧化膜破壞導(dǎo)致的物理結(jié)合Fig.11 Physical bonding of jet and oxide film damage

2.3.2 顆粒間的交互作用

如圖12（a）所示，沉積過程中，中間顆粒產(chǎn)生的塑性射流與鄰近顆粒發(fā)生交互作用，射流嵌入鄰近顆粒，并與基板、鄰近顆粒的射流一起形成機(jī)械咬合結(jié)構(gòu)。如圖12（b）所示，鄰近顆粒還會(huì)對(duì)中間顆粒帶來嵌合作用，兩邊顆粒形成的塑性射流會(huì)將中間顆?！鞍逼饋恚瑥亩鴮?duì)中間顆粒形成了擠壓限制作用。

后續(xù)顆粒對(duì)先前顆粒的夯實(shí)作用也具有重要意義。如圖13所示，后續(xù)顆粒的撞擊使得沉積完成的先前顆粒產(chǎn)生二次形變，提高了粒子扁平度，使形成的射流更加明顯。多粒子沉積時(shí)后續(xù)顆粒的夯實(shí)會(huì)使材料繼續(xù)變形，降低涂層整體孔隙率。

圖12 鄰近顆粒間的交互作用Fig.12 Interaction between adjacent particles

圖13 后續(xù)粒子夯實(shí)作用引起的變形Fig.13 Deformation caused by subsequent particle compaction

2.3.3 局部熔化與重凝

沉積過程中，顆粒與基板的塑性耗散能轉(zhuǎn)化為熱量，可能在接觸界面局部達(dá)到熔點(diǎn)，發(fā)生熔化。冷噴涂工藝實(shí)際發(fā)生熔化的比例很小，但除了刻蝕作用外，脈沖激光的引入會(huì)帶來局部的熱量集中，導(dǎo)致材料氣化/熔化（圖14）。當(dāng)顆粒與基板的熔化區(qū)接觸或局部溫升達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，沉積機(jī)理主要為冶金結(jié)合。

綜上所述，脈沖激光-冷噴涂復(fù)合修復(fù)技術(shù)除了在射流處形成更牢固的機(jī)械咬合、物理鍵合，還會(huì)在脈沖激光作用區(qū)帶來一定的冶金焊合；同時(shí)，刻蝕形成的微納結(jié)構(gòu)加大了碰撞界面復(fù)雜程度，使得原本不易形成射流的地方，氧化膜也被破壞，能顯著提高其它接觸區(qū)域機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合程度。

圖14 脈沖激光作用下的冷噴涂冶金結(jié)合過程Fig.14 Metallurgical bonding process of cold spray under the action of pulsed laser

3 結(jié)論

（1）脈沖激光刻蝕形成的微納結(jié)構(gòu)使得粒子與基板的溫度分布更加均勻、形變更加復(fù)雜，特別是碰撞中心區(qū)域的形變得到顯著提升，會(huì)加大碰撞區(qū)域機(jī)械結(jié)合、物理結(jié)合程度。碰撞位置為波峰時(shí)，絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象帶來的塑性射流最明顯，機(jī)械咬合程度也最高；碰撞位置在波峰波谷之間時(shí)，由于滑移破壞氧化膜，物理結(jié)合程度較高。

（2）脈沖激光-冷噴涂復(fù)合修復(fù)技術(shù)中的沉積行為包括塑性射流與氧化膜破碎、顆粒間的咬合與夯實(shí)、局部熔化與重凝，即沉積機(jī)理除了在射流處形成機(jī)械咬合、物理鍵合外，還有脈沖激光作用區(qū)的部分冶金焊合。

（3）建議冷噴涂前使用脈沖激光進(jìn)行預(yù)處理，適當(dāng)增大基板表面的微納結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度來改善顆粒的碰撞情況，從而提高結(jié)合質(zhì)量；加大顆粒初始動(dòng)能以增加顆?；坪蟮亩闻鲎步Y(jié)合強(qiáng)度。