音像等离子喷涂工艺及热障涂层数值模拟理论及应用范群波 著

章等离子喷涂及热障涂层数值模拟发展现状
1.1等离子喷涂数值模拟概述
1.1.1等离子体流模型
1.1.2等离子体与颗粒的相互作用模型
1.1.3涂层的沉积模型
1.1.4颗粒与基体的相互作用模型
1.2热障涂层能预测研究现状
1.2.1涂层有限元模型构建
1.2.2涂层基本属计算
1..涂层结合强度预测
1.2.4涂层热循环失效机理分析
1.2.5涂层热循环寿命预测
参考文献
第2章等离子喷口关键参数预测方法及实例分析
2.1数学模型
2.1.1能量守恒方程与输入功率
2.1.2冷却水带走的热功率
2.1.3气体的受热功率
2.1.4气体电离功率
2.1.5喷口处基本参量的确定
2.2工程应用实例分析
2.2.1基本试验参数
2.2.2电流强度的影响
2..工质气体的影响
2.2.4电流强度与气体流率的综合影响
2.2.5喷口处温度与速度的分布
参考文献
第3章等离子体二维流场数值模拟及实例分析
3.1数学模型
3.1.1连续方程
3.1.2动量守恒方程
3.1.3能量守恒方程
3.1.4k-ε双方程
3.1.5化学反应方程
3.2基本物参数与输运系数
3.3工程应用实例分析
3.3.1几何模型与边界条件
3.3.2典型工况下流温度场与速度场
3.3.3典型工况下流场内的组分分布
3.3.4电流强度对流场的影响
3.3.5Ar流率的影响
3.3.6He流率的影响
参考文献
第4章等离子体二维流场中飞行颗粒数值模拟及实例分析
4.1数学模型
4.1.1颗粒的受力平衡方程
4.1.2热量交换方程
4.2飞行颗粒关键参量试验验方法
4.3工程应用实例分析
4.3.1几何模型与边界条件
4.3.2颗粒的飞行轨迹
4.3.3固定轴向位置颗粒直径、速度与温度的分布状况
4.3.4颗粒的速度变化历程
4.3.5颗粒的表面温度变化历程
4.3.6电流强度对颗粒的影响
4.3.7Ar流率对颗粒的影响
4.3.8He流率对颗粒的影响
4.3.9颗粒在飞行过程中的熔化状态
参考文献
第5章等离子喷涂三维场数值模拟及实例分析
5.1数学模型
5.1.1连续方程
5.1.2动量守恒方程
5.1.3能量守恒方程
5.1.4k-ε双方程
5.1.5化学反应方程
5.1.6流与基体相互作用方程
5.1.7颗粒轨道模型
5.1.8等离子体-颗粒热量交换方程
5.2工程应用实例
5.2.1几何模型与边界条件
5.2.2无基体三维空间流场
5..有基体三维空间流场
5.2.4三维空间颗粒群
参考文献
第6章等离子喷涂涂层的数值模拟
6.1计算模型及计算过程
6.1.1蒙特卡洛随机模型介绍
6.1.2随机操作过程
6.1.3网格的划分
6.2模拟涂层三维形貌及其生长过程
6.2.1涂层三维形貌计算过程及表征参量
6.2.2涂层密度的计算
6..涂层生长时间的确定
6.3模拟涂层的二维组分分布
6.4随机模型的影响因素
6.4.1材料组分的影响
6.4.2随机操作数的影响
6.4.3初始输入颗粒数的影响
6.5工程应用实例
6.5.1涂层的三维形貌
6.5.2涂层的二维组分分布
参考文献
第7章颗粒与基体相互作用过程数值模拟及实例分析
7.1数学模型
7.2颗粒倾斜入的数值模拟参数定义
7.3计算方法
7.4工程应用实例
7.4.1熔融颗粒垂直碰撞瞬间变形历程分析
7.4.2熔融颗粒倾斜入过程的数值模拟
参考文献
第8章基于涂层显微组织的有限元模型生成方法
8.1涂层显微组织图像的数字图像处理
8.1.1图像数字化
8.1.2阈值分割处理
8.1.3有限元网格模型的生成
8.2基于Micro-CT的涂层三维模型的构建
8.2.1Micro-CT测试系统
8.2.2三维微观组织有限元模型的生成
参考文献
第9章缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属的影响
9.1缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属影响的数学模型
9.1.1缺陷及片层粒子间界面对涂层弹模量影响的数学模型构建
9.1.2缺陷及片层粒子间界面对涂层热导率影响的数学模型构建
9.2缺陷对涂层基本属影响系数的确定
9.2.1缺陷对涂层弹模量影响系数的确定
9.2.2缺陷对涂层热导率影响系数的确定
9..缺陷对涂层弹模量及热导率的影响比较
9.3片层粒子间界面对涂层基本属影响系数的确定
9.3.1涂层基本属的试验测定
9.3.2片层粒子间界面对涂层基本属影响系数的计算
9.4缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属的影响分析
参考文献
0章涂层拉伸结合强度预测方法及实例分析
10.1涂层拉伸结合强度的试验测试
10.1.1涂层拉伸试验
10.1.2结合强度试验值Weibull统计分析
10.1.3涂层拉伸失效位置
10.2涂层结合强度预测的有限元方法
10.3解析法预测涂层拉伸结合强度
10.3.1解析模型
10.3.2结合强度解析解Weibull统计分析
10.3.3涂层结合强度预测的解析方法
10.4涂层拉伸结合强度预测有限元法与解析法的比较
10.5工程应用实例1
10.5.1有限元模型、材料能参数与载荷施加
10.5.2拉伸失效裂纹扩展模拟
10.5.3涂层典型区域拉伸结合强度计算
10.5.4结合强度有限元计算值Weibull统计分析
10.6工程应用实例2
10.6.1基本参数及三维有限元模型的构建
10.6.2施加载荷及边界条件
10.6.3模拟结果与试验结果的对比
10.6.4涂层失效过程及机理分析
参考文献
1章涂层热循环寿命预测方法及实例分析
11.1涂层热循环试验
11.1.1试验条件
11.1.2TGO生长动力学曲线
11.1.3涂层热循环试验寿命
11.2涂层热循环应力计算有限元方法
11.3多因素耦合计算方法
11.4工程应用实例分析
11.4.1几何模型及边界条件
11.4.2陶瓷层高温阶段的应力
11.4.3陶瓷层室温阶段的应力
11.4.4陶瓷层热循环应力影响因素分析
参考文献

范群波，男，1974年出生，博士，北京理工大学材料学院副教授，博士生导师，2010年德国DAAD不错访问学者。所在学科是材料科学与工程，主要研究方向为热喷涂工艺模拟及涂层材料设计、钛合金材料设计、陶瓷金属复合材料设计等。SCI、EI收录40余篇，申请并授权7项发明，获技术发明二等奖1项（排名第4）。主持（承担）了自然科学、国防973、总装预研等多个项目，研究成果在多个型号的关键零部件中得以应用。现任冲击环境材料技术重点实验室与材料设计分室主任、材料成型及控制工程专业教学主任。

利用等离子喷涂工艺制备热障涂层，并将其应用于发动机热端部件，可显著提高发动机耐高温、抗热冲击、长寿命等服役能要求，已成为发展新型高能发动机的一项关键技术，在航空、航天、车辆、船舶等领域有着广泛的应用。但等离子喷涂工艺参数众多，涉及喷内部复杂的物理化学反应、带化学反应的湍流流场、流场与颗粒群的流固耦合作用、颗粒群在基体表面的沉积及涂层生长过程、熔融颗粒高速碰撞于基体表面的变形机理等，使得长期以来工程技术人员多以经验为主进行相关工艺参数优化。不仅如此，涂层内部的微观结构也十分复杂，包含各种微孔洞、微裂纹等缺陷，且存在大量的片层粒子间界面，将显著影响涂层热导率、结合强度以及服役寿命等重要能。随着计算机软、硬件技术的发展，利用数值模拟进行等离子喷涂工艺过程及热障涂层能的有效预测已成为可能，从而有望让研发人员摆脱“经验加试验”的传统思路。通过计算机即可实现涂层虚拟制备和材料设计，跟踪从原始粉体材料到流场、涂层的全过程演变历程，人们能够对涂层的形成机理、材料的失效本质及其主控因素等有着更为深入的认识。而且，相关工作可以极大地缩短研制周期，节约研制成本。尽管如此，目前国内外仍然缺乏针对此领域的专业教材，一定程度上影响了学的发展。本书的撰写，正是在这一背景需求下开展的。作者从“十五”计划开始就开展等离子喷涂工艺及热障涂层数值模拟研究，相关内容是作者近20年来的工作积累。全书共分11章，分别介绍了等离子喷涂及热障涂层数值模拟发展现状、等离子喷口关键参数预测方法、等离子体二维流场数值模拟、等离子体二维流场中飞行颗粒数值模拟、等离子喷涂三维场数值模拟、热障涂层形成过程数值模拟方法、颗粒与基体相互作用过程数值模拟、基于涂层显微组织的有限元模型生成方法、缺陷及片层粒子间界面对涂层基本属的影响、涂层拉伸结合强度预测方法、涂层热循环寿命预测方法，并讲述了相应的工程应用实例。全书力求突出新颖、实和，可作为材料加工工程专业以及材料成型及控制工程专业生的专业教材，也可以供表面工程专业的有关教学和科研人员参考。本书在撰写过程中得到了恩师王富耻教授的鼓励与支持，王鲁教授、李树奎教授、沈伟博士以及王琳琳硕士也给予了作者极大的帮，在此一并表示感谢。