金属管内壁涂层方法及模拟综述

北京航空航天大学研究生文献综述硕士文献综述金属管内壁涂层方法及模拟研究硕士生学号指导教师教授学科专业机械工程及自动化学院2014年11月北京航空航天大学研究生文献综述1金属管内壁涂层方法及模拟研究目录摘要..............................................................................................错误!未定义书签。Abstract........................................................................................................................21.引言...........................................................................................................................22.金属管内表面涂层技术发展...................................................................................32.1电镀................................................................................................................32.2激光强化处理...............................................................................................42.3等离子体表面改性.......................................................................................42.3.1物理气相沉积..........................................................................................42.3.2等离子体增强化学气相沉积.....................................................................82.3.3离子注入.................................................................错误!未定义书签。2.3.4其他........................................................................错误!未定义书签。3.空心阴极放电.........................................................................................................133.1空心阴极效应.............................................................................................133.2电子钟摆理论.............................................................................................143.3空心阴极放电区域的分布.........................................................................154.管筒内表面等离子体动力学行为数值仿真.........................................................164.1解析模型.....................................................................................................164.2流体模型.....................................................................................................174.3PIC方法......................................................................................................184.4MonteCarlo方法........................................................................................194.5PIC/MC方法...............................................................................................194.小结.........................................................................................................................195.参考文献...................................................................................错误!未定义书签。北京航空航天大学研究生文献综述2摘要：管筒件内表面处理一直是等离子体表面改性领域的难题，特别是内径较细、长径比较大及变径的管件，等离子体难以进入管件内部，因而处理难度较大。本文综述了目前管筒件内表面处理的各种方法及发展现状，着重介绍空心阴极等离子体源内表面改性法。本文介绍了空心阴极放电等离子体的原理及特性，同时，介绍了粒子模拟方法（PIC）模拟等离子体行为。为更合理的金属管内壁涂层方法的研究奠定了基础。关键词：金属管内壁，空心阴极放电，粒子模拟方法Abstract:Plasmaiondepositionoftheinnerwallofcylindricalcomponentsisalwaysadifficulttaskintheplasmamodificationfieldbecauseofthedifficultyfortheplasmatoentertheinnerspaceofthetubes,especiallyfortubeswithsmalldiameterorhighratiooflength/diameterorchangedradius.Inthisthesis,theplasmamodificationmethodsandthecurrentsituationofthedevelopmentofthetubes’innerwallweresummarized.Especiallyintroducingthemethodofhollowcathodedischargetotreattheinnerwalloftube.Thispaperalsointroducedtheprincipleandcharacteristicsofhollowcathodedischarge,andaparticlesimulationmethod(Particle-in-Cell,PIC),whichlaysthefoundationforreasonablesurfacemodificationmethodofinnerwallofthetubes.Keywords:innerwalloftubes,hollowcathodedischarge,Particle-in-Cell(PIC)1、引言在实际工业应用中有大量管状工件的内表面需要改性处理，例如：油田上的抽油泵泵筒、输油管道、化工管道、汽车汽缸套，以及军事领域特别是海军舰艇上配置的舰炮炮管以及鱼雷发射管等。如不锈钢管材由于其本身固有的优异特性及其所带来的安全性、可靠性、清洁性、耐用性、经济性和环保性等优点而大量应用于建筑给水和直饮水的管道，为保护水资源，改善水质，保护人们的健康发挥了重要的作用[1]。碳钢管材、铸铁管材广泛应用于石油、天然气工业中气、水、北京航空航天大学研究生文献综述3油的输送，为其它行业提供了可靠的能源保障。锰钢及碳锰钢无缝钢管则是船舶用耐压管材的首选材料。在生物医疗应用方面，许多人造器官都具有管状形状，比如纤细柔韧的细长管是制备人造血管最基础的构件。而在国防领域中，坦克、大炮、枪械的身管，发动机管路，雷达波导管以及武装装备战车的轴承、活塞套等等，各种管筒状结构零件的应用更为广泛。但在实际应用中，由于腐蚀、高温氧化、摩擦磨损，管筒件内表面经常发生严重的破坏，造成寿命缩短，给人们的生活带来了许多不便，工程应用上带来大量的经济损失。据2003年9月对我国第二大油田－胜利油田的调查发现，整个胜利油田由于腐蚀引起的管线材料费直接经济损失就达3亿元，并由于更换管线影响作业和生产，导致间接经济损失达10亿元左右。在军事方面，由于枪炮管膛线磨损和内膛尺寸发生变化的问题，将导致弹丸初速、射击精度下降，战术技术性能降低，枪炮管失效[2,3]。因此，对管筒件内表面进行适当的处理以使其具有更高的硬度，更好的抗摩擦磨损性能，耐高温、高压性能、耐腐蚀性能等，就有着非常重要的现实意义。2、金属管内表面涂层技术发展表面改性技术是仅对材料的表面进行处理的技术，如渗碳、渗氮、喷丸、激光处理、离子注入、热喷涂、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积等[4]。目前针对管筒件内表面改性处理，世界上一些科研机构及大学都做了大量的研究工作，主要采用的方法有电镀、激光强化处理、等离子体表面改性等。2.1电镀电镀是最早提出的管筒件内表面处理方法，在我国已有40多年的历史。具体方法是将管筒件内表面完全浸没在电解液中，通过电镀液的自由流动与浸泡，自然将改性介质带到需要处理的部位，然后通过阴阳极反应生成合适的镀层[5]。田青超等[6]研究了镀铬优质衬管钢射击后的烧蚀情况，发现在射击循环的高热冲击作用下，镀层表面产生了裂纹并逐渐扩展，导致铬层小面积剥落。K.M.Yin等[7]采用封闭的电镀系统对长150mm，内径分别为3mm和6mm的铜管进行了镀铬处理。谢洪波[8]等从应用的角度对方形管状零件内壁电镀硬铬技术进行了探北京航空航天大学研究生文献综述4讨，发现方管内角难以镀覆，且方管内壁两端厚度不均匀。电镀也有其本身的优势所在，如不受处理管长的限制，可以对内径达几个毫米的细长管件进行处理等，但电镀涂层在性能上存在着不足，更为重要的是镀液对环境有严重污染，在环保要求日益提高的今天，必须寻找合适的可替代的新方法。2.2激光强化处理利用激光的高能量密度和高方向性可对管状材料内表面进行处理，使管状工件内表面的性能得到提高，特别是提高内表面硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和耐高温性能，从而提高管状材料的使用寿命[9]。用于管内表面处理的激光表面改性技术主要包括激光熔覆合金化、激光相变硬化和激光蒸发镀膜等。激光熔覆是把所需配制的合金粉末经激光熔化成熔覆层的主体合金，熔覆层与基体金属有一薄层熔化，构成冶金结合的一种激光表面处理技术。激光相变硬化是将激光束以105-106℃/S的加热速度作用在被处理的金属表面上，使其温度迅速上升至相变点以上，并通过基体的热传导，迅速冷却实现自冷淬火的技术[10]。激光强化处理的