冷氣體動(dòng)力學(xué)噴涂制備功能涂層機(jī)理研究

冷氣體動(dòng)力學(xué)噴涂，其過程為在不足以使涂層粉末及工件的機(jī)械性能因高溫熔化而發(fā)生改變的常溫或較低溫度下，利用縮放噴嘴形成的超音速氣流夾帶微小顆粒形成高速射流（300-1200m/s）沖擊金屬或絕緣體基體產(chǎn)生涂層的過程。冷噴涂這種新型材料表面改性機(jī)制，有效克服了目前熱噴涂方法存在的高溫氧化、氣化、晶化等影響涂層性能和工件基體高溫變形等弊端，對非耐熱材料改性和納米材料涂層制備有廣泛應(yīng)用前景和重要現(xiàn)實(shí)意義，受到國內(nèi)、外學(xué)者廣泛重視。.冷噴涂涉及流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、工程熱力學(xué)、塑性動(dòng)力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)、穿甲力學(xué)、現(xiàn)代測試技術(shù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，屬交叉學(xué)科研究范疇。本項(xiàng)目采用理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)診斷相結(jié)合的方法深入研究冷噴涂材料改性中超音速氣粉兩相束流流動(dòng)規(guī)律、粉粒對工件的沖擊侵徹過程和涂層形成機(jī)理，揭示涂層生長速率和涂層性能與氣動(dòng)熱力學(xué)參量關(guān)系，提出最佳控制方程、優(yōu)化改性機(jī)制。

Al基非晶合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕、廉價(jià)等特點(diǎn)在航空航天及交通運(yùn)輸領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力；然而非晶形成能力差、制備塊體材料困難成為其實(shí)際應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。本申請引入冷噴涂技術(shù)以最大程度地減小制備材料尺寸對合金形成能力的依賴，突破Al基非晶合金大尺寸塊體的制備瓶頸，為新材料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 研究首先以我室自主研制的AlNiY基非晶合金為基礎(chǔ)調(diào)整和確定元素組成，霧化制備粉體喂料并檢測粉體相關(guān)特性；同時(shí)模擬研究冷噴涂過程中不同預(yù)熱溫度與飛行速度顆粒撞擊后絕熱升溫、塑性變形、有效結(jié)合等情況以及冷卻過程對組織形成的影響；然后以模擬結(jié)果為依據(jù)，冷噴涂制備有針對性的非晶合金樣品；考察顆粒的沉積、結(jié)合行為以及合金的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；通過數(shù)值模擬并輔以組織性能分析的方法解決相關(guān)科學(xué)問題，揭示非晶合金塊體的形成規(guī)律；優(yōu)化和確定噴涂工藝，冷噴涂制備優(yōu)質(zhì)的Al基非晶合金塊體并進(jìn)行相關(guān)后續(xù)處理及組織性能檢測。 首先，完成了Al基非晶合金的成分設(shè)計(jì)；通過霧化制粉技術(shù)制備出滿足冷噴涂要求的非晶合金粉體；確定了合金的熔煉工藝和霧化制粉工藝；考察了采用高純原材料及工業(yè)級原材料制粉的可能性；對粉體非晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確認(rèn)，對粉體相關(guān)工藝特性進(jìn)行了分析。其次，在沉積行為模擬方面，對于一種新型合金材料，通過現(xiàn)有資料與數(shù)據(jù)分析，結(jié)合對實(shí)際制備材料的相關(guān)測試，獲得了建立本構(gòu)方程及物理模型的必要數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了新材料數(shù)據(jù)缺乏問題；掌握了ABAQUS軟件模擬、Lagrange和Euler法算法以及它們在本項(xiàng)目上的具體應(yīng)用。第三，通過模擬和實(shí)驗(yàn)了解了非晶顆粒沉積行為，確定了相關(guān)冷噴涂工藝參數(shù)調(diào)控范圍，制備了分散顆粒、涂層及沉積體樣品，確定了制備材料的非晶組織結(jié)構(gòu)，初步實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目目標(biāo)。第四，初步測試了制備材料的硬度、結(jié)合強(qiáng)度、表面粗糙度、耐腐蝕性能等指標(biāo)，考察了涂層形成與致密化機(jī)理。相關(guān)工作為冷噴涂非晶涂層制備及該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

Al基非晶合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕、廉價(jià)等特點(diǎn)在航空航天及交通運(yùn)輸領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力；然而非晶形成能力差、制備塊體材料困難成為其實(shí)際應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。本申請引入冷噴涂技術(shù)以最大程度地減小制備材料尺寸對合金形成能力的依賴，突破Al基非晶合金大尺寸塊體的制備瓶頸，為新材料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。.研究首先以我室自主研制的AlNiY基非晶合金為基礎(chǔ)調(diào)整和確定元素組成，霧化制備粉體喂料并檢測粉體相關(guān)特性；同時(shí)模擬研究冷噴涂過程中不同狀態(tài)（預(yù)熱溫度與飛行速度）顆粒撞擊后絕熱升溫、塑性變形、有效結(jié)合等情況以及冷卻過程對組織形成的影響；然后以模擬結(jié)果為依據(jù)，冷噴涂制備有針對性的非晶合金樣品；考察顆粒的沉積、結(jié)合行為以及合金的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；通過數(shù)值模擬并輔以組織性能分析的方法解決相關(guān)科學(xué)問題，揭示非晶合金塊體的形成規(guī)律；優(yōu)化和確定噴涂工藝，冷噴涂制備優(yōu)質(zhì)的Al基非晶合金塊體并進(jìn)行相關(guān)后續(xù)處理及組織性能檢測。

制冷劑氣體水合物具有獨(dú)特的相變性能，可實(shí)現(xiàn)能量儲存與合理利用，是新一代蓄冷工質(zhì)，具有良好發(fā)展前景。針對目前制冷劑和水的相容性差、界面水合反應(yīng)速率慢、傳熱傳質(zhì)效率低、兩相混合能耗高的難題，該項(xiàng)目提出一種新型的納米制冷劑水合物相變蓄冷材料，即利用復(fù)配添加劑的特殊增溶作用提高制冷劑和水的兩相相容性，使制冷劑以納米尺度分散于水相中，形成熱力學(xué)穩(wěn)定的微乳液相變蓄冷材料。研究內(nèi)容包括微乳液相變蓄冷材料的制備、表面活性添加劑的篩選及復(fù)配、納米制冷劑微乳液的界面性質(zhì)、制冷劑水合物晶體成核與生長特性、水合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響因素及強(qiáng)化機(jī)制、納米制冷劑水合物熱物性分析測試、水合反應(yīng)過程熱力學(xué)特性等。目的是認(rèn)識微乳液中烴類水合物生成機(jī)理，優(yōu)化納米制冷劑水合物蓄冷材料性能，促進(jìn)制冷劑水合物均勻快速生成，提高制冷劑水合物的蓄冷效率。研究成果有助于推動(dòng)制冷劑氣體水合物、微乳液反應(yīng)、溶液結(jié)晶等領(lǐng)域的科學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。