基于對等離子噴涂涂層電子掃描微觀結構的分析制定一組層片形成及交互作用和孔隙形成的基本法則，利用蒙特卡羅方法建立等離子噴涂涂層形成的數值模型，預測涂層的微觀結構及其孔隙率和表面粗糙度特征，并探討粉末粒徑與速度、噴槍移動速度和噴涂距離對其的影響。模擬結果表明，模型預測的涂層微觀結構內的孔隙分布不均，這與實驗結果符合;涂層的孔隙率和粗糙度均隨著熔滴撞擊速度和直徑的增大而減小，但當撞擊速度超過160 m/s 時，兩者的影響均減小; 噴涂過程中改變噴槍的掃描速度，涂層孔隙率和粗糙度并無明顯的變化; 噴涂距離的增大將使得涂層的孔隙率和粗糙度減小。

　　等離子噴涂技術因其可噴涂材料廣、噴涂效率高、涂層質量好等優點而廣泛應用于各個工業領域。等離子噴涂涂層的性能直接決定其最終的使用條件，而孔隙率和粗糙度是影響涂層質量的最重要的因素之一，因此研究工藝參數對涂層孔隙率和粗糙度的影響具有重要的意義。涂層的孔隙率和粗糙度與噴涂過程的諸多工藝參數相關，例如粉末顆粒尺寸、噴槍掃描速度及噴槍與基底的距離等。傳統的方法是通過反復的試驗獲取經驗數據來選擇工藝參數，這樣既耗時又耗資。

　　隨著計算機技術的發展，近些年許多研究者開始使用數值模擬的方法進行研究，并取得了實質性的進展。Cirolini 等通過建立一套涂層增長和孔隙形成的規則模擬熱障涂層的顯微結構和孔隙率，Chen等考慮了噴涂角度不為90°的情況，預測噴涂角度對涂層孔隙率大小的影響。實際涂層內部的孔隙往往形成一個網狀結構，二維橫截面很難完全呈現出涂層的內部結構信息，Ghafouri-Azar 等則將模型擴展到了三維的情況，并假設孔隙的形成僅僅是由層片的翹曲引起的，Xue 等認為層片的翹曲只適用于金屬層片，隨后將Ghafouri-Azar 等的模型擴展到了陶瓷涂層的應用范圍。Bobzin 等通過耦合CFD 和FEM 模型來預測涂層沉積過程，擺脫了對涂層堆積和孔隙形成的過多假設，但由于計算機的計算能力限制，其模型只能預測微米尺度范圍的涂層。本文使用蒙特卡羅方法建立隨機模型預測等離子噴涂涂層顯微結構及其孔隙率和粗糙度，并研究工藝參數對涂層孔隙率和表面粗糙度的影響。

　　1、數值模型與方法

　　等離子噴涂過程中，金屬或非金屬粉末材料在送粉載氣作用下，送入到高溫、高速的等離子射流中，被加熱、加速，并以極高的速度撞擊在基底上鋪展、凝固形成層片，繼而通過層片的堆積形成涂層。本文根據噴涂涂層形成的形成過程，將模型的建立歸結為如下三個過程：①粉末參數模型———粉末顆粒的加熱、加速過程；②層片形成模型———層片的鋪展、凝固過程；③層片堆積模型———層片堆積與涂層形成過程。

　　1.1、層片形成模型

　　在適當工藝參數條件下，多數粉末顆粒到達基底前可被射流加熱至熔融狀態。因此，本文假設熔滴撞擊基底前處于完全熔化狀態，且基底被預熱至臨界溫度以上，熔滴撞擊基底后不發生飛濺，最后鋪展、凝固成圓盤狀層片，如圖1 所示。圖2 為典型的熔融液滴撞擊基底鋪展后形成圓盤狀形貌的掃描電鏡(SEM) 圖。

圖1 熔融液滴撞擊基底鋪展示意圖

圖2 典型的圓盤狀層片形貌

　　3、結論

　　本文基于對涂層形成機制的分析，利用蒙特卡羅方法建立等離子噴涂YSZ 涂層形成過程的模型，預測涂層的顯微結構及其孔隙率和粗糙度，并研究了熔滴直徑、速度、噴槍掃描速度和噴涂距離對涂層孔隙率和粗糙度的影響。結果表明，模型預測的微觀結構與實驗結果符合; 涂層的孔隙率和粗糙度均隨著熔滴撞擊速度的增大而減小，但在撞擊速度超過160 m/s 時，這種影響減弱; 噴涂距離的增大使得涂層的孔隙率和粗糙度減小; 噴涂過程中噴槍的掃描速度對涂層孔隙率和粗糙度的影響并無明顯規律。