异质双丝电弧喷涂成形机理及其涂层的热扩散改性行为研究

探索优质高效的高性能材料与工艺方法是金属快速成形与再制造工程研究的根本目标。本项目针对金属电弧喷涂成形对高质量喷涂材料、工艺及性能的技术需求，提出采用异质双丝电弧喷涂方法成形Fe-Al、Ni-Al、Ti-Al系复合涂层，并通过热扩散处理进行合金化改性的新思路。使用机器人自动化高速电弧喷涂系统进行喷涂成形，研究阴阳极的组合设计和喷涂关键工艺参量对喷涂性能的影响，成形结构可控、组织均匀致密的复合涂层。揭示异质双丝喷涂过程中弧区冶金物理、熔滴飞行雾化、扁平化沉积、叠加形成涂层这一系列行为的传热传质机理。开展热处理工艺对涂层合金化过程及其组织性能影响的研究，揭示涂层热扩散合金化过程的动力学规律，以及颗粒界面、氧化物和孔隙的转变规律。最后基于优化喷涂路径与喷涂工艺实现典型零件的异质双丝电弧喷涂厚成形。项目为指导该技术的应用提供理论基础，引导金属喷射成形工艺和涂层材料体系设计与制备的新概念、新方法。

高速电弧喷涂两根异质丝材制备涂层的工艺是再制造与成形领域很有发展潜力的复合涂层材料制备技术之一，本项目就该技术工艺过程中丝材熔化、熔滴雾化与沉积、涂层形成等关键机理性问题展开了研究，并探索了制备的复合涂层在后续热处理工艺中的热扩散改性行为。主要研究成果集中在以下几个方面：.（1）首先使用高速摄像技术研究了异质双丝电弧喷涂过程的电弧特性、丝材熔化与熔滴过渡行为，探讨了金属丝材高速电弧喷涂的动态冶金机理，并和常规实心丝材和粉芯丝材电弧喷涂工艺展开了对比，揭示了高速电弧喷涂高度动态的、非平衡的快速冶金基本规律。同时研究开发了异步送丝电弧喷涂设备，解决了Fe-Al基、Ni-Al基和Ti-Al基异质双丝电弧喷涂的工艺难题。.（2）采用CFD数值分析技术模拟了电弧喷涂的气体喷射和熔滴的雾化飞行过程，揭示了气流和熔滴呈非轴对称分布的基本特征。建立了电弧喷涂层瞬态传热行为的有限元模型，分析涂层的温度场分布规律，通过该模型揭示了热喷涂涂层的快速凝固行为。.（3）推导出了异质双丝喷涂复合涂层多个薄层连续叠加形成涂层的残余应力弹塑性预测模型，使用该模型重点计算研究了Fe-Al异质电弧喷涂层残余应力的基本分布规律。.（4）研究了异质双丝Fe-Al基、Ni-Al基和Ti-Al基复合涂层的热处理改性工艺及其涂层的组织和常规力学性能，发现热处理工艺促成了金属间化合物的生成，使两种材料的机械嵌合的界面转移成扩散结合的界面。最后在平板和圆筒基体上进行了厚成形喷涂试验，并检测分析了成形试样的结合强度、组织特征等性能。研究结果为异质双丝高速电弧喷涂层的制备及应用提供了技术基础。