戰(zhàn)祥華，劉衍聰,2，伊鵬，孫嘉偉，李成凱，賈德龍

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；3.東營(yíng)市科技創(chuàng)新服務(wù)中心，山東 東營(yíng) 257000）

基于表面仿生原理誕生的激光表面織構(gòu)技術(shù)是一種先進(jìn)的表面工程技術(shù)，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，其已在摩擦學(xué)、仿生學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注[1-4]。將表面織構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于涂層制備是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，其可以提高涂層的結(jié)合性、耐磨性，從而改善涂層在工程中的服役性能[5-6]。例如將表面織構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于等離子噴涂涂層制備過(guò)程中，可以替代傳統(tǒng)的噴砂預(yù)處理過(guò)程，從而解決因噴砂造成的基體表面開(kāi)裂、砂粒嵌入、表面塑性變形等問(wèn)題，良好的涂層結(jié)合力提升效應(yīng)還可以省去等離子噴涂粘結(jié)層制備工序[7]。

在等離子噴涂涂層與表面織構(gòu)復(fù)合領(lǐng)域，法國(guó)Lamraoui、Kromer 等[8-10]率先在不同基材的織構(gòu)化表面上開(kāi)展了一系列研究，其研究證實(shí)了凹坑型表面織構(gòu)在提高等離子噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度、替代噴砂預(yù)處理方案、去除粘結(jié)層、改善涂層熱疲勞等方面效果顯著。路易斯安納州立大學(xué)的 Akbarzadeh 等[11]則對(duì)比了表面織構(gòu)化、噴砂、先織構(gòu)再噴涂以及先噴涂再織構(gòu)幾種處理方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)摩擦力、磨合時(shí)間等摩擦行為的影響，結(jié)果表明，先織構(gòu)再等離子噴涂的活塞環(huán)涂層服役性能最優(yōu)，佐證了表面織構(gòu)應(yīng)用于等離子噴涂涂層的可行性。為解決等離子噴涂在未來(lái)聚變反應(yīng)堆領(lǐng)域存在的不足，捷克布拉格等離子體物理研究所的Matějí?ek 等[12]亦對(duì)表面織構(gòu)化替代噴砂預(yù)處理制備鎢基等離子噴涂涂層的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。為了彌補(bǔ)織構(gòu)參數(shù)的相互作用在提高涂層結(jié)合強(qiáng)度方面的不足，哈爾濱工程大學(xué)的徐濱士等[13-14]研究了徑距比（凹坑直徑與中心距的比值）對(duì)等離子噴涂Ni60 涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響，并從涂層與織構(gòu)化表面的結(jié)合機(jī)理角度分析了表面織構(gòu)對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的作用機(jī)理。Zhang 課題組[15]也探索性研究了正弦織構(gòu)的織構(gòu)間距及織構(gòu)邊緣凸起的存在，對(duì)等離子噴涂Ni 基MoS2涂層結(jié)合強(qiáng)度及涂層斷裂機(jī)理的影響，表面織構(gòu)作為一種新型的表面預(yù)處理技術(shù)，在等離子噴涂及其他種類涂層方面具有良好的應(yīng)用潛力，但當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究尚處探索階段，仍需大量研究。

對(duì)等離子噴涂涂層的成形機(jī)理進(jìn)行詮釋，有助于深入了解涂層與基體間的結(jié)合機(jī)制。但等離子噴涂涂層是由無(wú)數(shù)熔滴堆疊而成，熔滴處于微米級(jí)，且熔滴撞擊基體并冷卻的過(guò)程只有幾微秒，熔滴的微尺度、高速特性使得熔滴在基體表面的撞擊鋪展過(guò)程難以通過(guò)試驗(yàn)直接觀測(cè)，因此有眾多學(xué)者嘗試借助仿真手段來(lái)揭示等離子噴涂中熔滴撞擊基體表面的成形規(guī)律[16-17]。20 世紀(jì)90 年代初，Trapaga 等[18]使用Flow 3D軟件對(duì)Ni 熔滴撞擊固體平面的鋪展、凝固過(guò)程進(jìn)行了建模，該模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合性良好，其在2D 和3D 模擬范圍內(nèi)具有良好的可推廣性。Pasandideh[19]和Bhola[20]等則依據(jù)數(shù)值模擬方法推導(dǎo)了熔滴在固體平面上的鋪展率預(yù)測(cè)模型，該類模型為后續(xù)等離子噴涂模擬工作的開(kāi)展提供了重要參考。Tabbara 等[21]還基于CFD 方法建立了半熔融態(tài)陶瓷顆粒的撞擊模型，模擬了半熔融態(tài)陶瓷顆粒的沖擊、鋪展和凝固過(guò)程，其深化了對(duì)熱噴涂過(guò)程中粒子撞擊過(guò)程的見(jiàn)解。張勇等[22]基于FLUNT 數(shù)值模擬建立了Al2O3熔滴在平面上的鋪展數(shù)學(xué)模型，研究了熔滴直徑、碰撞速度、前鋪展、雷諾數(shù)、接觸熱阻、基體表面粗糙度對(duì)熔滴鋪展形貌的影響。山東大學(xué)的張永昂等[23-24]基于 FLUNT 數(shù)值模擬，利用流體體積法（VOF）追蹤固-液界面，建立了一種Ni 熔滴撞擊平面的計(jì)算模型，研究了熔滴溫度、撞擊速度、接觸角度、基體預(yù)熱溫度等因素對(duì)熔滴鋪展規(guī)律、氣孔等的影響。大量熔滴數(shù)值模擬方法及研究成果為噴涂工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，有利于提高涂層質(zhì)量。但當(dāng)前的熔滴模擬報(bào)道均是針對(duì)熔滴撞擊平面，鮮有針對(duì)熔滴撞擊織構(gòu)化表面的研究報(bào)道，有必要對(duì)該類問(wèn)題進(jìn)行研究，以輔助織構(gòu)化表面等離子噴涂制備成形機(jī)理的詮釋。

基于以上分析，本文擬利用Flow 3D 數(shù)值模擬手段對(duì)熔滴撞擊正弦形激光表面織構(gòu)的鋪展凝固過(guò)程進(jìn)行分析，分析織構(gòu)邊緣有無(wú)凸起對(duì)熔滴鋪展成形的影響，并對(duì)比正弦形織構(gòu)及常見(jiàn)凹坑和直線織構(gòu)對(duì)熔滴凝固形貌的影響。在激光織構(gòu)化表面進(jìn)行Ni 基MoS2噴涂試驗(yàn)，借助SEM 對(duì)織構(gòu)化表面涂層的截面形貌進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)合模擬結(jié)果，對(duì)涂層的成形性進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 織構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前已被探索的織構(gòu)類型眾多，例如直線形、圓形、橢圓形、正方形等，其中以圓形和直線形織構(gòu)的研究最為廣泛[1]。但在某一應(yīng)用領(lǐng)域何種織構(gòu)最優(yōu)，以及如何有針對(duì)性地選擇織構(gòu)，尚無(wú)定論。研究發(fā)現(xiàn)，自然界中的生物在進(jìn)化過(guò)程中形成了各種獨(dú)特的體表結(jié)構(gòu)，以使它們適應(yīng)各自的生存環(huán)境。例如一種生活在珊瑚礁附近的龍鱗貝，其外殼表面具有正弦狀的特殊結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。研究發(fā)現(xiàn)，在該類貝殼表面可以生長(zhǎng)共生珊瑚。珊瑚在幼蟲(chóng)階段需要固著于棲息基體上，才能繼續(xù)生長(zhǎng)形成珊瑚蟲(chóng)。龍鱗貝表面能夠存在共生珊瑚，說(shuō)明珊瑚幼蟲(chóng)可以牢固附著而不被洋流沖刷掉，由此推測(cè)龍鱗貝的正弦狀結(jié)構(gòu)可能具有提高附著力的作用。受此啟發(fā)，筆者所在課題組前期設(shè)計(jì)了一種可參數(shù)化的正弦形表面織構(gòu)，并初步探討了該類織構(gòu)對(duì)等離子噴涂Ni 基MoS2涂層結(jié)合性的影響[15]。在摩擦學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域也有文獻(xiàn)提及類正弦形表面織構(gòu)[25-26]，初步證明了正弦形表面織構(gòu)在改善材料表面性能方面的有效性，但所述文獻(xiàn)中的織構(gòu)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)參數(shù)控制和可復(fù)制性方面存在一定的不足，并且尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)正弦形織構(gòu)在涂層制備領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道。

圖1 龍鱗貝表面的正弦結(jié)構(gòu)特征Fig.1 The sinusoidal structures of the scallop shells

為進(jìn)一步了解龍鱗貝表面正弦結(jié)構(gòu)的數(shù)值特性，利用德國(guó)ATOS 3D 激光掃描儀，基于逆向工程原理，對(duì)龍鱗貝表面進(jìn)行點(diǎn)云模型提取。將所獲點(diǎn)云模型導(dǎo)入U(xiǎn)G 軟件，進(jìn)行表面不同位置特征線的數(shù)據(jù)提取，然后利用MATLAB 中的Curve Fitting 工具箱對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合。分析擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，龍鱗貝表面正弦結(jié)構(gòu)具有明顯的正弦特征，其形態(tài)符合公式（1）的形式。正弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和提取過(guò)程已在文獻(xiàn)[15, 27]中報(bào)道，此處不再?gòu)?fù)述。

式中：A為正弦織構(gòu)的幅值（μm）；ω為角速度（rad/s）；φ為初始相位。實(shí)際上只有幅值A(chǔ)和角速度ω可以控制正弦織構(gòu)的形狀，初始相位只影響正弦曲線在坐標(biāo)系中的位置，因此將φ設(shè)為0。則公式（1）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

鑒于當(dāng)前尚未見(jiàn)關(guān)于熔滴填充正弦形表面織構(gòu)的報(bào)道，通過(guò)對(duì)龍鱗貝體表結(jié)構(gòu)特征的縮放，此處取y=0.1sin(10x)正弦結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。此外，筆者所在課題組前期工作只對(duì)正弦形表面織構(gòu)提高涂層結(jié)合強(qiáng)度的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，為方便后續(xù)研究正弦形表面織構(gòu)是否比其他形狀織構(gòu)優(yōu)越，此處還將與常用的凹坑和直線織構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。由于不同形狀的織構(gòu)在加工過(guò)程中，其周圍會(huì)形成不同的邊緣凸起，為消除邊緣凸起帶來(lái)的影響，不同形狀的織構(gòu)對(duì)比時(shí)，將邊緣凸起拋光掉?？棙?gòu)形貌如圖2 所示。

圖2 不同形狀的織構(gòu)形貌Fig.2 Morphology of different texture shapes: a) dimple texture, b) straight line and bionic sinusoidal textures

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)基材選用機(jī)械行業(yè)制造齒輪、曲軸、活塞桿等零部件常用的40Cr 合金鋼，試驗(yàn)中切割成?25.4 mm×5.1 mm 的圓樣。表面織構(gòu)加工前，使用400、600、800、1000、1200、1500 目的水砂紙對(duì)試樣依次打磨。打磨后的試樣在PG-1 型金相拋光機(jī)上，使用W1.5的金剛石研磨膏拋光至鏡面（Ra約為0.047 μm）。拋光后的試樣在表面織構(gòu)化前后，分別放入酒精中超聲清洗20 min，以去除試樣表面的污染物。噴涂粉末選用北京聯(lián)合涂層技術(shù)有限公司的商用Ni（75%）包MoS2（25%）粉末作，粉末粒經(jīng)為45～106 μm。

表面織構(gòu)加工在大族激光的IPG 納秒光纖激光器（YLP-MP20）上進(jìn)行，激光加工參數(shù)分別為：激光器功率16 W，激光波長(zhǎng)1064 nm，脈沖頻率25 kHz，掃描速度400 mm/s，脈沖寬度200 ns。仿生正弦織構(gòu)和直線織構(gòu)掃描5 次，凹坑織構(gòu)采用環(huán)形掃描方式掃描1 次。激光表面織構(gòu)化后，采用美國(guó)Zeta 公司的Zeta-20 表面三維形貌儀對(duì)表面織構(gòu)的三維形貌進(jìn)行測(cè)量。凹坑織構(gòu)平均加工直徑約為85.6 μm，深度約為63.7 μm；直線織構(gòu)加工寬度約為53.3 μm，深度約為26.9 μm；仿生正弦織構(gòu)加工寬度約為54.2 μm，深度約為24.4 μm。在織構(gòu)化試樣表面，采用中國(guó)航空制造技術(shù)研究院生產(chǎn)的7M 型等離子噴涂系統(tǒng)進(jìn)行涂層制備。該系統(tǒng)配備7M-B 噴槍，等離子噴涂工藝參數(shù)如表1 所示。采用JEOL 的JSM-7200F 掃描電鏡進(jìn)行織構(gòu)化表面和涂層界面的形貌觀測(cè)。

表1 等離子噴涂參數(shù)Tab.1 Plasma spraying parameter

1.3 熔滴撞擊微織構(gòu)數(shù)值模型

基于Flow 3D 流體計(jì)算軟件進(jìn)行熔滴撞擊表面織構(gòu)數(shù)值模擬。等離子噴涂過(guò)程中，熔滴與基體的作用過(guò)程比較復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：（1）織構(gòu)化基體表面為光滑壁面；（2）熔滴為層流不可壓縮流體；（3）所涉材料具有各向同性，材料物理參數(shù)僅與溫度有關(guān)，而與材料位置、尺寸等無(wú)關(guān)；（4）接觸熱阻和表面張力保持恒定；（5）忽略周圍環(huán)境變化的影響；（6）忽略熔滴與周圍環(huán)境氣體之間的對(duì)流換熱及熱輻射。

受熔滴體積的限制，單個(gè)熔滴無(wú)法充滿整條正弦織構(gòu)，且正弦形織構(gòu)的波峰、波谷位置曲率較大，特征相對(duì)特殊，而在波峰-波谷間的其他區(qū)域類似直線織構(gòu)，故取正弦形織構(gòu)波峰、波谷位置進(jìn)行建模。不同表面織構(gòu)的熔滴填充模型如圖3 所示，微織構(gòu)模型是以Zeta-20 三維形貌儀中獲得的表面織構(gòu)截面輪廓數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)獲得的。建模過(guò)程中，首先使用Origin軟件對(duì)表面織構(gòu)的截面輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，然后將提取的截面輪廓數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD 中進(jìn)行輪廓曲線繪制、修正并生成建?；鶞?zhǔn)草圖，最后將基準(zhǔn)草圖導(dǎo)入SolidWorks 中進(jìn)行正弦掃略建模，生成Flow 3D 數(shù)值分析可識(shí)別的STL 模型。

圖3 表面織構(gòu)熔滴填充模型Fig.3 Droplet filling model of surface textures: a) sinusoidal texture with bulges, b) sinusoidal texture without bulges, c) straight line texture without bulges, d) dimple texture without bulges

模型中熔滴粉末的平均粒徑為76 μm。所用粉末MoS2被Ni 包覆在中間，前期試驗(yàn)研究表明，等離子噴涂過(guò)程中，粉末為熔融、半熔融狀態(tài)，主要是Ni與織構(gòu)化壁面發(fā)生直接接觸，MoS2在撞擊壓力的作用下，隨液流軟化鋪展，并離散分布于涂層中。因此，重點(diǎn)關(guān)注Ni 與基體的接觸狀態(tài)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，以同尺寸的Ni 熔滴進(jìn)行計(jì)算。

試驗(yàn)研究表明，Ni 熔滴在等離子噴涂過(guò)程中的溫度范圍為1653～2093 K[28]。噴涂過(guò)程中，理論上希望控制Ni 不發(fā)生過(guò)熔，中心不發(fā)生熔化的半熔融狀態(tài)最佳，以保護(hù)芯部的MoS2。但通過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，涂層中的熔滴大多數(shù)鋪展良好，且MoS2發(fā)生了部分分解，說(shuō)明熔滴熔化狀態(tài)比較充分，因此主要考慮熔融態(tài)液滴的鋪展?fàn)顩r，模擬過(guò)程中，熔滴以流體狀態(tài)呈現(xiàn)。試驗(yàn)所用的粉末粒徑及送粉量略大于文獻(xiàn)中的值（其會(huì)降低熔滴溫度），因此參考文獻(xiàn)中的溫度范圍及合作單位北京航百川科技研發(fā)中心的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，將熔滴初始溫度設(shè)為（1800 K），略低于文獻(xiàn)中的平均溫度（1873 K），熔滴初始撞擊速度設(shè)為100 m/s。文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)熔滴撞擊速度超過(guò)1 m/s 時(shí)，熔滴與基體的接觸角度對(duì)熔滴鋪展的影響可以忽略[29]，因此熔滴接觸角度取90°。模型邊界條件統(tǒng)一設(shè)置為“Continuous”零梯度條件，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（3）所示?；w初始溫度取室溫298 K，模擬計(jì)算時(shí)間設(shè)置為6.0×10?6s。粒子的飛行角度、基體氧化物及氣體吸附等其他因素暫不考慮。Ni 金屬、熔融Ni 熔滴及40Cr 鋼的主要物性參數(shù)如表2 所示。對(duì)于Ni 材質(zhì)的部分物性參數(shù)，該模型不考慮其隨溫度及狀態(tài)的變化，如Ni 熔滴的密度、比熱及熱導(dǎo)率。在x、y、z方向上均勻分布的正六面體中劃分網(wǎng)格，熔滴所在的上半部分采用相對(duì)稀疏的網(wǎng)格，單元尺寸為2 μm，下半部分采用較密的網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸為1 μm。模型驗(yàn)證方法及控制方程的詳細(xì)信息參考文獻(xiàn)[30]，結(jié)果顯示，仿真模型獲得的液滴鋪展率與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果之間的誤差小于10%，在可接受范圍內(nèi)。

表2 Ni 和40Cr 的物理和熱物性參數(shù)Tab.2 Physical and thermal properties of Ni and 40Cr

式中：f表示速度、溫度變量；x、y、z表示流體流過(guò)的方向。

2 結(jié)果與分析

2.1 熔滴填充微織構(gòu)的溫度響應(yīng)

圖4 為熔滴在鋪展過(guò)程中的瞬時(shí)溫度分布圖，右上角為熔滴與基體接觸部分的仰視圖。分析可見(jiàn)，0.5 μs 時(shí)，熔滴開(kāi)始與織構(gòu)側(cè)壁接觸，接觸基體后，熔滴迅速向冷基體傳熱，使接觸區(qū)域的溫度迅速下降至低于1757.6 K，如圖4a 所示。圖4b 中，0.7 μs 時(shí)，熔滴觸及織構(gòu)底部，隨熔滴的鋪展，熔滴與基體的接觸面積增大，散熱面積相應(yīng)增大，使熔滴與織構(gòu)內(nèi)壁接觸區(qū)域的溫度進(jìn)一步降低至1738 K 以下，熔滴降溫區(qū)域的厚度開(kāi)始垂直于熔滴內(nèi)部增厚。此時(shí)，未與基體直接接觸的熔滴上部區(qū)域由于受熔滴底部區(qū)域隔熱作用的影響，尚來(lái)不及散熱，依然保持1800 K 的初始溫度。隨熔滴繼續(xù)鋪展，熔滴與基體的接觸面積進(jìn)一步增大的同時(shí)，散熱面積進(jìn)一步增大，同時(shí)熔滴上層區(qū)域逐漸通過(guò)熔滴底層的相對(duì)低溫區(qū)域散熱，使熔滴溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出由織構(gòu)內(nèi)壁垂直向內(nèi)逐層升高的規(guī)律，如圖4c—d 所示。溫度云圖顯示，織構(gòu)邊緣凸起位置的冷卻速度最快。這主要是由于，在織構(gòu)邊緣凸起位置，鋪展的熔滴量較少、厚度較薄，使得該區(qū)域的熔滴本身攜帶的熱量有限，相對(duì)于中間較厚的區(qū)域，其短時(shí)間內(nèi)便可迅速降溫。而熔滴內(nèi)側(cè)偏上的中心條狀區(qū)域與冷基體之間被先期降溫的熔滴帶隔開(kāi)，先期降溫的熔滴帶相當(dāng)于“熱基體”，具有隔熱作用，從而使得該條狀區(qū)域始終保持最高溫度。等離子噴涂過(guò)程中，這種溫度分布特征有利于后續(xù)沉積的熔滴與前一層沉積熔滴在表層局部位置形成冶金結(jié)合。當(dāng)熔滴冷卻至4.8 μs 時(shí)，熔滴最高溫度逼近Ni 的液相線（1728.4 K），此時(shí)只有表層中心區(qū)域的狹長(zhǎng)地帶還存在未凝固部分。

圖4 熔滴在有邊緣凸起織構(gòu)內(nèi)鋪展過(guò)程的瞬時(shí)溫度分布Fig.4 Transient temperature distribution during droplet spreading in sinusoidal texture with bulges

圖5 為6.0 μs 時(shí)不同織構(gòu)內(nèi)熔滴的溫度分布圖，可知熔滴的溫度場(chǎng)分布均符合上述沿垂直于織構(gòu)化基體表面向熔滴內(nèi)逐漸升高的特征。6.0 μs 時(shí)，填充到無(wú)邊緣凸起正弦織構(gòu)內(nèi)的熔滴已經(jīng)冷卻至1549.8 K以下，而填充到有邊緣凸起正弦織構(gòu)內(nèi)的熔滴僅冷卻至1728.3 K 以下。說(shuō)明無(wú)邊緣凸起正弦織構(gòu)的冷卻速度比有邊緣凸起正弦織構(gòu)的快，這主要是因?yàn)檫吘壨蛊鸬娜コ龜U(kuò)大了熔滴的鋪展面積，熔滴片層變薄且散熱面積擴(kuò)大，使得熔滴中的熱量比有凸起織構(gòu)內(nèi)的厚熔滴更容易注入基體中。分析圖5b 和圖5c 發(fā)現(xiàn)，直線織構(gòu)的散熱能力略強(qiáng)于正弦織構(gòu)，這可能與熔滴在織構(gòu)內(nèi)的鋪展?fàn)顟B(tài)有關(guān)。此外，無(wú)邊緣凸起的正弦織構(gòu)和直線織構(gòu)使得更多的熔滴可以向織構(gòu)外部的平面區(qū)域鋪展，在熔滴向外鋪展的過(guò)程中，離基體最近的一部分熔滴首先凝固。在溫度梯度的作用下，凝固熔滴中心區(qū)域上方的部分熔融態(tài)粒子會(huì)繼續(xù)在凝固層上方向外鋪展，但隨冷卻繼續(xù)進(jìn)行，上層熔滴的鋪展速度降低，同時(shí)受先期凝固熔滴的阻隔作用，上層熔滴的鋪展距離減小，從而形成了圖5b 和圖5c 中層狀波浪鋪展形貌。所有織構(gòu)形狀中，凹坑織構(gòu)的散熱能力最差，6.0 μs 時(shí)，其芯部還存在大面積溫度為1773.1 K（高于熔點(diǎn)）左右的區(qū)域。這是因?yàn)檩^深的凹坑織構(gòu)限制了熔滴鋪展，形成了更厚的鋪展形態(tài)，減小了其與基體的接觸面積，同時(shí)隨著緊貼凹坑內(nèi)壁部分熔滴的凝固，會(huì)對(duì)內(nèi)部未凝固區(qū)域形成一層“熱基體”保護(hù)層，二者相互作用使得凹坑織構(gòu)內(nèi)的熔滴更難將熱量及時(shí)導(dǎo)入基體而降溫。

圖5 6.0 μs 時(shí)不同織構(gòu)內(nèi)的熔滴溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature distribution of the droplets in different textures at 6.0 μs: a) sinusoidal texture with bulges, b) sinusoidal texture without bulges, c) straight line texture without bulges, d) dimple texture without bulges

為進(jìn)一步了解溫度場(chǎng)的變化特性，對(duì)不同織構(gòu)內(nèi)熔滴的最高溫度，及正弦織構(gòu)模型在沿織構(gòu)方向的中間截面上的A、B、C3 點(diǎn)的溫度曲線進(jìn)行分析，如圖6所示。由圖6a 可知，同溫度云圖特征相似，凹坑織構(gòu)內(nèi)熔滴的降溫速度最慢，最高溫度明顯一直維持在液相線以上。有無(wú)凸起的正弦織構(gòu)內(nèi)的熔滴溫度曲線對(duì)比結(jié)果顯示，織構(gòu)邊緣凸起會(huì)降低熔滴的冷卻速度，約4.1 μs 時(shí)，無(wú)凸起織構(gòu)內(nèi)的液滴可冷卻至液相線（比有凸起織構(gòu)快約0.7 μs），6.0 μs 時(shí)，無(wú)凸起織構(gòu)內(nèi)的液滴最高溫度已明顯低于液相線，而有凸起織構(gòu)內(nèi)的液滴最高溫度依然維持在液相線附近。對(duì)于無(wú)凸起的正弦織構(gòu)和直線織構(gòu)，前期最高溫度變化并無(wú)明顯差異，5.5 μs 后，直線織構(gòu)內(nèi)的熔滴冷卻速度明顯變快。圖6b 中不同位置的溫度變化曲線表明，熔滴片層內(nèi)的溫度分布符合由織構(gòu)內(nèi)壁向熔滴內(nèi)逐漸升高的特征。接觸基體的A點(diǎn)的最高溫度約為1600 K，最低溫度最終維持在1100 K 以上。由A點(diǎn)的最高溫度推斷，所研究工況下，基體不會(huì)發(fā)生熔化。表層中心區(qū)域C點(diǎn)的溫度變化曲線與該熔滴的最高溫度十分相似，這與溫度云圖中熔滴表層中心區(qū)域維持最高溫的特征相一致。厚度方向上的中間點(diǎn)B的溫度曲線波動(dòng)較為明顯，這可能是因?yàn)樵擖c(diǎn)靠近高溫區(qū)域，易受上方向下傳熱的影響。

圖6 熔滴在不同織構(gòu)內(nèi)及不同位置的溫度變化時(shí)程曲線Fig.6 Temperature history of the droplet at different textures and positions: a) the maximum temperature of droplet at different textures, b) temperature change of droplet at different positions

基體溫度分布是了解熔滴與基體結(jié)合方式的重要參考，有必要對(duì)其進(jìn)行分析。圖7 為1.7 μs 時(shí)織構(gòu)模型在沿織構(gòu)方向的中間截面上不同織構(gòu)化基體的溫度分布圖，其余位置基體溫度特征與該平面類似。分析發(fā)現(xiàn)，隨熔滴鋪展的進(jìn)行，基體溫度由表及里逐漸降低。正弦織構(gòu)和直線織構(gòu)的最高溫度區(qū)域分布在織構(gòu)邊緣凸起的頂端、原基體平面與織構(gòu)內(nèi)壁的拐點(diǎn)，以及織構(gòu)內(nèi)壁上的凸點(diǎn)位置。這是由于該類凸點(diǎn)位置在接觸熔滴后會(huì)被熔滴包覆，熔滴攜帶的熱量會(huì)垂直于凸起外表面從不同方向傳入凸起內(nèi)部，對(duì)于非凸起位置，熔滴垂直于基體單向向基體傳熱。此外，凸起位置體積相對(duì)較小，導(dǎo)入相同的熱量時(shí)，其比平面基體的溫升更大，最終導(dǎo)致凸點(diǎn)位置升溫較快、溫升較高。對(duì)于凹坑織構(gòu)，由于液滴尺寸略小于凹坑開(kāi)口直徑，最高溫區(qū)域主要分布在內(nèi)壁凸點(diǎn)位置，如圖7 中虛線標(biāo)注區(qū)域所示。由此推測(cè)，在織構(gòu)化表面制備等離子噴涂涂層時(shí)，該類特征位置較易發(fā)生冶金結(jié)合。在圖7a 中，左側(cè)織構(gòu)邊緣凸起頂端代表最高溫段的顏色深于右側(cè)，其高溫區(qū)間的溫度帶寬也略寬于右側(cè)，說(shuō)明織構(gòu)左側(cè)的基體溫升高于織構(gòu)右側(cè)。從基體截面可以看出，在正弦曲線波峰/波谷位置右側(cè)的凸起寬度明顯大于左側(cè)，相應(yīng)的右側(cè)凸起的體積及質(zhì)量也更大。模擬中，基材為均勻材質(zhì)，其密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)并不隨基材位置而發(fā)生變化。由比熱容計(jì)算公式（4）可知，當(dāng)物質(zhì)比熱容一定時(shí)，在相同時(shí)間內(nèi)吸收一定的熱量Q后，質(zhì)量小的物體較質(zhì)量大的物體，溫升更高，從而造成織構(gòu)右側(cè)邊緣凸起溫度比左側(cè)更低。

圖7 基體溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution of the substrate: a) sinusoidal texture with bulges, b) sinusoidal texture without bulges, c) straight line texture without bulges, d) dimple texture without bulges

式中：c為比熱容（J/(kg·K)）；Q為吸收的熱量（J）；m為物體的質(zhì)量（kg）；ΔT為溫升（K）。

由于基體表層溫度最高，對(duì)有凸起正弦織構(gòu)基體表面最高溫度變化及圖5 中沿織構(gòu)方向中間截面上基體表層不同位置的溫度做進(jìn)一步分析，以輔助涂層與基體結(jié)合狀態(tài)的分析，如圖8 所示。分析發(fā)現(xiàn)，基體表面的最高溫度約為1680.5 K，明顯低于基體的液相線（1728.4 K），由此可推測(cè)，噴涂過(guò)程中基體未熔化，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件下鎳基涂層與織構(gòu)化基體的結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合。邊緣凸起D點(diǎn)的溫度最高，且在約1.5 μs 前，基體溫度與D點(diǎn)溫度曲線重合，1.5 μs后，D點(diǎn)溫度逐漸低于基體最高溫度，說(shuō)明該時(shí)刻后，基體最高溫度點(diǎn)已不在織構(gòu)邊緣凸起的頂點(diǎn)位置。對(duì)比D點(diǎn)和H點(diǎn)的溫度曲線發(fā)現(xiàn)，織構(gòu)左側(cè)邊緣凸起頂點(diǎn)位置的溫度高于織構(gòu)右側(cè)凸起頂點(diǎn)的溫度，這與圖7 中的云圖結(jié)果相一致。由圖7a 和圖8 可見(jiàn)，正弦織構(gòu)右側(cè)邊緣凸起的截面寬度明顯寬于左側(cè)，說(shuō)明左側(cè)邊緣凸起的體積明顯小于右側(cè)，當(dāng)熔滴接觸邊緣凸起后，熔滴同時(shí)向兩側(cè)邊緣凸起傳熱，在單位時(shí)間內(nèi)熔滴向兩側(cè)凸起傳入相同熱量的條件下，基體體積越小，升溫越快，溫升越高，散熱效果相對(duì)較差，從而導(dǎo)致左側(cè)凸起頂點(diǎn)溫度高于右側(cè)。H點(diǎn)溫度在約2 μs后逐漸下降至低于E、F、G點(diǎn)，這是因?yàn)镠點(diǎn)位置熔滴堆積較薄，且右側(cè)邊緣凸起較寬，散熱能力強(qiáng)，使得H點(diǎn)的溫度降低較快。而E、F、G點(diǎn)處的熔滴堆積較厚，受熔滴持續(xù)傳熱的影響，降溫速度較慢。F點(diǎn)所處位置熔滴堆積最厚，溫度升高后基本呈保溫態(tài)勢(shì)。結(jié)合各點(diǎn)溫度曲線的降低速度及前文的溫度分布云圖可知，一定程度上，基體表層溫度的降低速度與熔滴的堆積厚度成反比。

圖8 有邊緣凸起的仿生正弦織構(gòu)內(nèi)壁不同位置的溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation of different positions at the inner wall of bionic sinusoidal texture with bulges

2.2 熔滴鋪展成形過(guò)程

圖9 為熔滴固化體積分?jǐn)?shù)（凝固率）隨時(shí)間的變化。0.5 μs 時(shí)，熔滴開(kāi)始接觸織構(gòu)邊緣凸起頂端內(nèi)側(cè)，冷基體的散熱作用使接觸區(qū)快速降溫并凝固，其固化體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始增加，如圖9a 所示。當(dāng)熔滴觸及織構(gòu)底部（約0.7 μs）后，在熔滴撞擊動(dòng)能和織構(gòu)內(nèi)壁的阻擋作用下，熔滴開(kāi)始沿織構(gòu)內(nèi)部鋪展。熔滴鋪展使其與織構(gòu)化基體的接觸面積增大，散熱速度變快，從而使約0.7 μs 后熔滴的固化體積分?jǐn)?shù)快速增加。熔滴在鋪展過(guò)程中，沿垂直于織構(gòu)內(nèi)壁方向由外向內(nèi)凝固，且織構(gòu)邊緣凸起位置凝固較快，這與上文的溫度分布特征相一致。隨熔滴的鋪展，熔滴固化體積分?jǐn)?shù)的增加速率逐漸變慢，如圖9a 中3 μs 后的增長(zhǎng)速率明顯低于前期的增長(zhǎng)速率。固化速率降低的原因主要是：首先，熔滴的凝固規(guī)律導(dǎo)致先期凝固的熔滴會(huì)在上層未凝固熔滴與基體之間形成一層相當(dāng)于“熱基體”的隔離層，而且先前的熔滴散熱使原基體溫度升高，使得散熱速率下降；其次，隨著冷卻時(shí)間的增加，流體狀態(tài)熔滴的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，這是導(dǎo)致后期曲線趨于平緩的主要因素。

圖9 熔滴固化體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化Fig.9 The droplet solidified volume fraction variation with time: a) sinusoidal texture with bulges, b) sinusoidal texture without bulges, c) straight line texture without bulges, d) dimple texture without bulges

對(duì)比不同織構(gòu)內(nèi)的熔滴固化體積分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn)，圖9b 中無(wú)凸起正弦織構(gòu)的凝固速度明顯快于圖9a 的有凸起正弦織構(gòu)，6.0 μs 時(shí)，有凸起正弦織構(gòu)內(nèi)的熔滴固化體積分?jǐn)?shù)為99.2%，無(wú)凸起正弦織構(gòu)內(nèi)的熔滴凝固至該值僅需5.0 μs。圖9c 表明，對(duì)于無(wú)邊緣凸起織構(gòu)，直線織構(gòu)的凝固速度略快于正弦織構(gòu)，后期由于逐漸接近完全凝固狀態(tài)，二者再次重合。與有邊緣凸起織構(gòu)相比，熔滴會(huì)在無(wú)凸起織構(gòu)外部形成較為規(guī)則的圓盤狀鋪展。相比直線織構(gòu)，正弦織構(gòu)內(nèi)的熔滴會(huì)略偏向織構(gòu)外側(cè)邊緣鋪展，而直線織構(gòu)內(nèi)熔滴鋪展較為均勻，這可能是造成二者凝固速率不同的原因。與熔滴降溫趨勢(shì)相一致，所有織構(gòu)中，凹坑織構(gòu)內(nèi)的熔滴固化速率最慢，6.0 μs 時(shí)，其固化體積分?jǐn)?shù)只有78.8%，被先凝固層包裹的芯部區(qū)域呈未凝固狀態(tài)，凹坑織構(gòu)內(nèi)的熔滴在底部區(qū)域形成了獨(dú)特的“空腔”特征，如圖9d 所示。

對(duì)熔滴的速度場(chǎng)進(jìn)行分析可以更好地了解熔滴的鋪展過(guò)程。以圖10a 和圖10b 中有凸起織構(gòu)的熔滴為例，可知熔滴撞擊底部時(shí)，其前沿向外鋪展的瞬時(shí)速度是初始速度的8 倍，同時(shí)部分熔滴以約每秒百米的速度向織構(gòu)頂端攀升并飛濺出去。熔滴鋪展的同時(shí)，與基體直接接觸的區(qū)域開(kāi)始凝固，先期凝固的熔滴層會(huì)改變上層流體的流動(dòng)阻力，加之織構(gòu)內(nèi)壁的阻擋作用，使得流體流動(dòng)的速度逐漸降低，熔滴沿織構(gòu)壁攀升的動(dòng)能逐漸減弱，到1.1 μs 時(shí)，熔滴攀升速度已降至約25 m/s。熔滴的這種鋪展特性，最終導(dǎo)致冷卻后的鋪展片層呈現(xiàn)由中間向兩側(cè)逐漸變薄的特點(diǎn)。圖11 為C點(diǎn)及由H點(diǎn)向x軸和z軸負(fù)方向分別偏移6.5 μm 和0.7 μm 的點(diǎn)（記為I點(diǎn)）的速度曲線。熔滴撞擊織構(gòu)底部后，熔滴z方向的速度迅速減小，受織構(gòu)內(nèi)壁的阻隔作用，C點(diǎn)獲得了沿織構(gòu)方向的速度矢量。2 μs 后，y方向和z方向的速度VCy、VCz保持方向不變且逐漸趨于0，而x方向的速度矢量出現(xiàn)了“正負(fù)正”的變化趨勢(shì)，這可能是由于已凝固層和兩側(cè)弧形壁面產(chǎn)生的流動(dòng)阻力使得熔融部分的熔滴在x方向上往復(fù)流動(dòng)導(dǎo)致的。I點(diǎn)在熔滴接觸織構(gòu)邊緣凸起內(nèi)側(cè)時(shí)，獲得了100 m/s 向下的初速度。受織構(gòu)內(nèi)壁的阻擋作用，該點(diǎn)z軸負(fù)方向的速度分量開(kāi)始降低，并獲得了沿x軸和y軸負(fù)方向的速度矢量，但此時(shí)該點(diǎn)流體總體斜向下沿織構(gòu)方向發(fā)展。熔滴撞擊織構(gòu)底部后，受底部的阻隔以及上方下落動(dòng)能的雙重作用，I點(diǎn)斜向下的速度開(kāi)始降低，并使x軸方向和z軸方向的速度矢量VIx和VIy逐漸變?yōu)檎?，此時(shí)該點(diǎn)獲得斜向上增加的速度，說(shuō)明有熔滴向外飛濺。但在邊緣凸起散熱作用下，受先熔層阻力、重力等因素的影響，該向上的速度很快降低并在約1.6 μs 變?yōu)?，該點(diǎn)完全凝固。C和I兩點(diǎn)的速度矢量特性可以進(jìn)一步說(shuō)明前述熔滴的鋪展、凝固特性。

圖10 熔滴鋪展速度Fig.10 Spreading velocity of the droplet: a) sinusoidal texture with bulges (0.7 μs), b) sinusoidal texture with bulges (1.1 μs), c)dimple texture without bulges (1.1 μs)

圖11 C 點(diǎn)和I 點(diǎn)的速度值Fig.11 Velocity values of points C and I: a) the velocity curve of point C, b) the velocity curve of point I

圖10c 為1.1 μs 時(shí)凹坑底部“空腔”區(qū)域的速度場(chǎng)，此時(shí)“空腔”周圍的熔滴呈向上流動(dòng)趨勢(shì)，少部分熔滴沿織構(gòu)內(nèi)壁向下流動(dòng)，這是由凹坑織構(gòu)半封閉特性造成的。當(dāng)熔滴飛入時(shí)，一部分空氣會(huì)被熔滴困入凹坑底部，隨熔滴向凹坑底部逐漸移動(dòng)，被困空氣因不斷被壓縮導(dǎo)致壓強(qiáng)升高。當(dāng)壓縮空氣的壓強(qiáng)增大到足以阻擋熔滴繼續(xù)向下移動(dòng)時(shí)，在壓縮氣體的反作用力及上方向下動(dòng)能的作用下，底部熔滴開(kāi)始向上回流，邊緣少部分熔滴在織構(gòu)內(nèi)壁的阻擋下沿內(nèi)壁弧面向下運(yùn)動(dòng)，從而在凹坑織構(gòu)底部形成內(nèi)包型的“空腔”結(jié)構(gòu)。

2.3 織構(gòu)表面的涂層形貌分析

圖12 為不同織構(gòu)表面等離子噴涂涂層的截面背散射形貌圖。分析可見(jiàn)，涂層與基體明顯為機(jī)械結(jié)合，這與模擬推斷結(jié)果相一致。涂層中的熔滴呈彎曲的層片狀結(jié)構(gòu)，并可觀測(cè)到氣孔裂紋等缺陷?？锥?、裂紋等現(xiàn)象是等離子噴涂涂層的普遍現(xiàn)象，通常認(rèn)為其主要由熔滴間的不完全搭接或者粉末團(tuán)聚產(chǎn)生的空隙（團(tuán)聚粉末不易充分熔化）所致。對(duì)比圖12a—c 可知，無(wú)邊緣凸起織構(gòu)化表面的涂層在界面位置易產(chǎn)生較大的界面間隙和垂直裂紋[15]，有邊緣凸起的正弦織構(gòu)化表面的涂層界面，該類缺陷明顯較少。在織構(gòu)邊緣凸起頂端的熔滴存在與模擬結(jié)果相類似的結(jié)合形態(tài)，如圖12a 中的虛線標(biāo)注區(qū)域和插圖所示，說(shuō)明模擬結(jié)果具有一定的可參考性。研究表明[13-14]，等離子噴涂涂層與基體間的機(jī)械結(jié)合方式主要有嵌入型、錨定型、咬合型、鋪展型及以上幾種方式的組合式，其中咬合型的結(jié)合強(qiáng)度最高，鋪展型的結(jié)合強(qiáng)度最弱。噴涂粒子在織構(gòu)內(nèi)形成嵌入型結(jié)合，在凸起位置可以形成結(jié)合性最強(qiáng)的咬合型結(jié)合，而在織構(gòu)間的光滑平面區(qū)域，扁平粒子只能形成結(jié)合性最差的鋪展型結(jié)合，如圖中插入的模擬結(jié)果所示。模擬顯示，在光滑平面基體上，熔滴的邊緣位置還存在間隙。受噴涂過(guò)程中熱應(yīng)力的影響，在基體平面區(qū)域涂層與基體的弱結(jié)合處易形成界面間隙。若該平面區(qū)域足夠大，則織構(gòu)不能為涂層提供足夠的附著力，在織構(gòu)上方甚至?xí)霈F(xiàn)涂層自剝離現(xiàn)象，如圖12d 所示。而受織構(gòu)邊緣凸起粗化作用的影響，粒子在有凸起織構(gòu)化表面不存在較差的鋪展式結(jié)合，最終使得其界面結(jié)合狀況明顯變好。

圖12 不同織構(gòu)表面等離子噴涂涂層的截面背散射形貌Fig.12 Backscatter cross-sectional images of plasma-sprayed coatings on different textured surfaces: a) sinusoidal texture with bulges, b) sinusoidal texture without bulges, c) straight line texture without bulges, d) self peeling of coating, e) dimple texture without bulges, f) incomplete filling of dimple texture

分析圖12e 發(fā)現(xiàn)，凹坑中存在較多孔洞缺陷，涂層與凹坑內(nèi)壁的間隙較大，并且在涂層底部還可觀測(cè)到與模擬結(jié)果相類似的空腔形貌，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[7]和[14]中的相關(guān)結(jié)果一致。該類缺陷的產(chǎn)生主要由凹坑織構(gòu)的半封閉特征及空氣的卷入造成。對(duì)于半熔融的大直徑粉末顆?；蛘邎F(tuán)聚粉末顆粒，其尺寸明顯大于凹坑織構(gòu)直徑，該類曲線會(huì)更加明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)不完全填充現(xiàn)象，如圖12f 所示。對(duì)于直線織構(gòu)和正弦織構(gòu)，熔滴與織構(gòu)內(nèi)壁間的空氣可以沿織構(gòu)向兩側(cè)排出，不會(huì)出現(xiàn)類似的缺陷。通過(guò)上述不同織構(gòu)形貌對(duì)涂層影響的分析，可推測(cè)直線織構(gòu)和正弦織構(gòu)比凹坑織構(gòu)更有利于提高涂層的性能，織構(gòu)邊緣凸起一定程度上也有利于提高噴涂質(zhì)量。

3 結(jié)論

1）熔滴鋪展過(guò)程中，其溫度場(chǎng)垂直于織構(gòu)化基體表面并向熔滴內(nèi)逐漸升高。熔滴鋪展較薄的織構(gòu)凸起位置，降溫較快，溫度較低；熔滴較厚的位置，熱量不容易快速導(dǎo)入基體，從而使其中心偏上部分形成最高溫度分布區(qū)域。熔滴在不同織構(gòu)內(nèi)的鋪展面積不同，在無(wú)凸起正弦或直線織構(gòu)內(nèi)，熔滴鋪展面積較大，鋪展厚度相對(duì)較薄，使其較有凸起織構(gòu)的熔滴散熱速度快（快約0.7 μs）。凹坑織構(gòu)限制了熔滴向織構(gòu)外鋪展，在凹坑內(nèi)形成了較厚的堆積，散熱速度最慢。

2）受熔滴傳熱的影響，基體溫度場(chǎng)由表及里逐漸降低，其表層最高溫度低于其液相線溫度，推測(cè)涂層與基體形成機(jī)械結(jié)合?？棙?gòu)邊緣凸起頂端、基體平面與織構(gòu)內(nèi)壁的拐點(diǎn)，以及織構(gòu)內(nèi)壁上的凸點(diǎn)位置，升溫較快，溫升較高，是等離子噴涂中易發(fā)生冶金結(jié)合的位置。

3）與溫度場(chǎng)特性一致，熔滴沿垂直于織構(gòu)化表面向熔滴內(nèi)部逐層凝固。相對(duì)于無(wú)凸起織構(gòu)，有邊緣凸起正弦織構(gòu)內(nèi)的熔滴固化速度較慢?？棙?gòu)邊緣凸起的去除使得熔滴在織構(gòu)外部呈規(guī)則圓盤狀形態(tài)，且圓盤上部出現(xiàn)分層現(xiàn)象。凹坑織構(gòu)的半封閉特點(diǎn)，易將空氣困入織構(gòu)底部，導(dǎo)致凹坑織構(gòu)底部易形成“空腔”特征。

4）涂層形貌分析發(fā)現(xiàn)，有邊緣凸起織構(gòu)表面的涂層結(jié)合性能優(yōu)于無(wú)邊緣凸起織構(gòu)，凹坑織構(gòu)內(nèi)部存在明顯的氣孔、界面間隙，甚至不完全填充現(xiàn)象，成形性最差。因此，相比凹坑織構(gòu)，直線織構(gòu)和正弦織構(gòu)更有利于提高涂層的質(zhì)量，織構(gòu)邊緣凸起有利于提高涂層的結(jié)合質(zhì)量。這可為織構(gòu)化表面等離子噴涂涂層的制備提供借鑒。