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作者簡介
序
目次
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金屬快速成形技術克服了傳統加工工藝的缺陷，為製造業的發展打開了新的道路，被認為
是“21 世紀的維修技術”。本書總結了高速電弧噴塗成形技術的最新研究結果，系統深入地論
述了電弧噴塗成形中噴塗射流霧化沉積、成形塗層溫度場與殘餘應力分佈、噴塗成形工藝的優
化設計等前沿性關鍵問題，建立了霧化粒子飛行、熔滴沉積、塗層形成一系列過程的相關數學
模型，研究了其中的傳熱、傳質及應力行為，並在上述研究基礎上，結合系統集成和工藝優化，
進行了高熔點材料的厚成形試驗。為電弧噴塗高熔點材料的高性能快速成形與再製造提供了
重要的理論基礎和工藝指導，具有重要的參考價值。
是“21 世紀的維修技術”。本書總結了高速電弧噴塗成形技術的最新研究結果，系統深入地論
述了電弧噴塗成形中噴塗射流霧化沉積、成形塗層溫度場與殘餘應力分佈、噴塗成形工藝的優
化設計等前沿性關鍵問題，建立了霧化粒子飛行、熔滴沉積、塗層形成一系列過程的相關數學
模型，研究了其中的傳熱、傳質及應力行為，並在上述研究基礎上，結合系統集成和工藝優化，
進行了高熔點材料的厚成形試驗。為電弧噴塗高熔點材料的高性能快速成形與再製造提供了
重要的理論基礎和工藝指導，具有重要的參考價值。
作者簡介
陳永雄，2013年全國優秀博士論文提名獎獲得者，時為裝甲兵工程學院博士。 徐濱士，男， 1931年3月 生於哈爾濱市，1961年至今歷任裝甲兵工程學院講師、副教授、教授，曾任裝甲兵工程學院副院長。1990年6月晉升少將軍銜。1995年當選中國工程院院士。現任裝甲兵工程學院材料科學與工程系裝備再製造技術國防科技重點實驗室主任，教授、博士生導師。裝備維修工程、表面工程和再製造工程領域專家。
序
為了節約社會資源，延長機械零部件的服役壽命，綠色製造和再製造工程技
術在現代工業中備受關注。電弧噴塗作為再製造工程的關鍵技術之一，在零件的
快速成形與再製造領域展現出較大的應用潛力。《高速電弧噴塗成形基礎》是在
裝甲兵工程學院2013年全國優秀博士學位論文（提名獎）《自動化高速電弧噴塗
碳鋼塗層厚成形的數值模擬與試驗》的基礎上，並補充近兩年來關於成形材料和
成形理論等方面的研究成果，重新組織撰寫的。
全書以高速電弧噴塗成形技術涉及的工藝、材料和設備等關鍵問題為主線，
共分7章，第1章主要敘述了高速電弧噴塗成形技術及其相近技術的研究與應用
現狀、電弧噴塗成形的關鍵技術；第2章通過CFD數值分析技術模擬了電弧噴塗
的氣體噴射、熔滴霧化飛行及單個熔滴扁平化沉積等系列過程；第3章通過建立
一種熱噴塗大量粒子隨機、動態沉積的有限元模型，類比了電弧噴塗層的形成及
其瞬態傳熱行為；第4章基於噴塗成形過程的應力分析，建立了多個薄層連續疊
加形成塗層這一過程的殘餘應力彈塑性預測模型及軸類件塗層的有限元模型；第
5章論述了高速電弧噴塗成形所需的高性能自動化噴塗設備和成形工藝優化過
程；第6章論述了適合於高速電弧噴塗厚成形的典型噴塗材料及其塗層的組織性
能特點；第7章在前述研究內容的基礎上，總結了自動化高速電弧噴塗厚成形試
驗的研究結果。本書的內容為裝備零件的快速成形與再製造提供了理論支援，也
為其他熱噴塗成形技術等相關研究領域開闢新的視角，展現了廣闊的研究和應用
空間。
術在現代工業中備受關注。電弧噴塗作為再製造工程的關鍵技術之一，在零件的
快速成形與再製造領域展現出較大的應用潛力。《高速電弧噴塗成形基礎》是在
裝甲兵工程學院2013年全國優秀博士學位論文（提名獎）《自動化高速電弧噴塗
碳鋼塗層厚成形的數值模擬與試驗》的基礎上，並補充近兩年來關於成形材料和
成形理論等方面的研究成果，重新組織撰寫的。
全書以高速電弧噴塗成形技術涉及的工藝、材料和設備等關鍵問題為主線，
共分7章，第1章主要敘述了高速電弧噴塗成形技術及其相近技術的研究與應用
現狀、電弧噴塗成形的關鍵技術；第2章通過CFD數值分析技術模擬了電弧噴塗
的氣體噴射、熔滴霧化飛行及單個熔滴扁平化沉積等系列過程；第3章通過建立
一種熱噴塗大量粒子隨機、動態沉積的有限元模型，類比了電弧噴塗層的形成及
其瞬態傳熱行為；第4章基於噴塗成形過程的應力分析，建立了多個薄層連續疊
加形成塗層這一過程的殘餘應力彈塑性預測模型及軸類件塗層的有限元模型；第
5章論述了高速電弧噴塗成形所需的高性能自動化噴塗設備和成形工藝優化過
程；第6章論述了適合於高速電弧噴塗厚成形的典型噴塗材料及其塗層的組織性
能特點；第7章在前述研究內容的基礎上，總結了自動化高速電弧噴塗厚成形試
驗的研究結果。本書的內容為裝備零件的快速成形與再製造提供了理論支援，也
為其他熱噴塗成形技術等相關研究領域開闢新的視角，展現了廣闊的研究和應用
空間。
目次
目錄
第１章緒論………………………………………………1
1.1 技術背景…………………………………………………………1
1.2 金屬噴塗快速成形技術研究應用現狀…………………………3
1.2.1 快速成形技術的基本原理…………………………………………3
1.2.2 近終噴射成形技術…………………………………………………4
1.2.3 等離子噴塗快速成形技術…………………………………………4
1.2.4 電弧噴塗成形技術…………………………………………………4
1.3 電弧噴塗快速成形技術發展現狀………………………………5
1.3.1 快速模具製造………………………………………………………5
1.3.2 電弧噴塗快速成形系統……………………………………………7
1.4 電弧噴塗快速成形關鍵技術……………………………………8
1.4.1 噴塗材料……………………………………………………………9
1.4.2 電弧噴塗快速成形工藝……………………………………………12
1.5 本書的目的及內容……………………………………………15
第２章電弧噴塗成形熔滴霧化與沉積……………………18
2.1 引言……………………………………………………………18
2.2 高速電弧噴塗霧化氣體的流場分析…………………………19
2.2.1 噴塗氣流場的數值建模與求解……………………………………19
2.2.2 計算結果與分析……………………………………………………21
2.3 霧化粒子的飛行行為…………………………………………27
2.3.1 霧化熔滴飛行模型的建立與求解…………………………………27
2.3.2 計算結果與分析……………………………………………………29
2.3.3 電弧噴塗粒子霧化性能的試驗……………………………………31
2.4 高速電弧噴塗弧區動態行為…………………………………32
2.4.1 弧區動態行為高速攝像試驗方法…………………………………32
2.4.2 噴塗電弧的形成分析………………………………………………33
2.4.3 陰陽極絲材熔化與熔滴過渡行為…………………………………36
2.5 飛行熔滴沉積與凝固過程的分析……………………………37
2.5.1 熔滴沉積模型建立與求解…………………………………………38
2.5.2 計算結果與分析……………………………………………………40
2.6 小結……………………………………………………………49
第３章塗層形成過程及其瞬態熱傳輸行為………………51
3.1 引言……………………………………………………………51
3.2 有限元建模……………………………………………………52
3.2.1 控制方程與邊界條件………………………………………………52
3.2.2 有限元計算法則……………………………………………………54
3.2.3 逐層疊加模型………………………………………………………55
3.2.4 隨機沉積模型………………………………………………………56
3.2.5 實例研究……………………………………………………………57
3.3 有限元分析結果與討論………………………………………59
3.3.1 逐層疊加模型與隨機沉積模型之間的比較………………………59
3.3.2 噴槍移動速度對傳熱的影響………………………………………63
3.3.3 間歇噴塗模式對傳熱的影響………………………………………64
3.4 成形過程中溫度變化行為的試驗研究………………………65
3.4.1試驗方法……………………………………………………………65
3.4.2 紅外測溫結果與分析………………………………………………67
3.5 小結……………………………………………………………69
第４章電弧噴塗成形塗層的殘餘應力……………………71
4.1 引言……………………………………………………………71
4.2 塗層沉積導致的驟冷應力解析模型…………………………72
4.2.1 沉積第一薄層後的應力……………………………………………73
4.2.2 沉積第二薄層後的應力……………………………………………76
4.2.3 沉積第n 薄層後的應力……………………………………………78
4.3 塗層冷卻導致的熱應力………………………………………80
4.4 總體殘餘應力…………………………………………………81
4.5 考慮相變時的殘餘應力………………………………………82
4.6 實例分析………………………………………………………83
4.6.1 NiCoCrAlY 塗層殘餘應力分析……………………………………84
4.6.2 高碳鋼塗層殘餘應力分析…………………………………………88
4.7 軸類塗層零件殘餘應力的有限元分析………………………92
4.7.1 問題的描述及有限元模型…………………………………………92
4.7.2 塗層溫度分佈………………………………………………………94
4.7.3 殘餘應力分佈………………………………………………………95
4.8 小結……………………………………………………………97
第５章自動化高速電弧噴塗系統與工藝…………………100
5.1 引言……………………………………………………………100
5.2 機器人自動化高速電弧噴塗系統的開發……………………101
5.2.1 設計方案…………………………………………………………101
5.2.2 開發流程…………………………………………………………102
5.2.3 自動化電弧噴塗系統作業過程…………………………………104
5.3 噴塗參數的均勻-正交優化設計……………………………105
5.3.1 試驗方法…………………………………………………………105
5.3.2 噴塗參數與粒子飛行狀態的關係………………………………106
5.3.3 噴塗參數與塗層殘餘應力的關係………………………………108
5.3.4 噴塗參數與塗層組織結構的關係………………………………109
5.4 噴塗成形路徑的優化設計……………………………………111
5.4.1 噴槍平行移動偏移間距的確定…………………………………112
5.4.2 典型噴塗路徑的優化……………………………………………118
5.5 小結……………………………………………………………122
第６章高速電弧噴塗成形典型材料及性能………………124
6.1 引言……………………………………………………………124
6.2 熱處理對高碳鋼噴塗層組織性能的影響……………………125
6.2.1 試驗材料與方法…………………………………………………125
6.2.2 熱處理對塗層顯微硬度的影響…………………………………126
6.2.3 熱處理對塗層組織結構的影響…………………………………127
6.3 高碳鋼+Al複合噴塗層的組織性能…………………………134
6.3.1 試驗方法…………………………………………………………135
6.3.2 噴塗後Fe/Al 複合塗層的組織結構………………………………136
6.3.3 熱處理後Fe/Al 複合塗層的組織性能……………………………139
6.4 小結……………………………………………………………143
第7 章高速電弧噴塗厚成形試驗…………………………145
7.1 引言……………………………………………………………145
7.2 試驗材料及方法………………………………………………145
7.3 高碳鋼電弧噴塗厚成形………………………………………146
7.4 電弧噴塗厚成形高碳鋼+Al複合塗層………………………149
7.5 小結……………………………………………………………151
參考文獻………………………………………………………152
第１章緒論………………………………………………1
1.1 技術背景…………………………………………………………1
1.2 金屬噴塗快速成形技術研究應用現狀…………………………3
1.2.1 快速成形技術的基本原理…………………………………………3
1.2.2 近終噴射成形技術…………………………………………………4
1.2.3 等離子噴塗快速成形技術…………………………………………4
1.2.4 電弧噴塗成形技術…………………………………………………4
1.3 電弧噴塗快速成形技術發展現狀………………………………5
1.3.1 快速模具製造………………………………………………………5
1.3.2 電弧噴塗快速成形系統……………………………………………7
1.4 電弧噴塗快速成形關鍵技術……………………………………8
1.4.1 噴塗材料……………………………………………………………9
1.4.2 電弧噴塗快速成形工藝……………………………………………12
1.5 本書的目的及內容……………………………………………15
第２章電弧噴塗成形熔滴霧化與沉積……………………18
2.1 引言……………………………………………………………18
2.2 高速電弧噴塗霧化氣體的流場分析…………………………19
2.2.1 噴塗氣流場的數值建模與求解……………………………………19
2.2.2 計算結果與分析……………………………………………………21
2.3 霧化粒子的飛行行為…………………………………………27
2.3.1 霧化熔滴飛行模型的建立與求解…………………………………27
2.3.2 計算結果與分析……………………………………………………29
2.3.3 電弧噴塗粒子霧化性能的試驗……………………………………31
2.4 高速電弧噴塗弧區動態行為…………………………………32
2.4.1 弧區動態行為高速攝像試驗方法…………………………………32
2.4.2 噴塗電弧的形成分析………………………………………………33
2.4.3 陰陽極絲材熔化與熔滴過渡行為…………………………………36
2.5 飛行熔滴沉積與凝固過程的分析……………………………37
2.5.1 熔滴沉積模型建立與求解…………………………………………38
2.5.2 計算結果與分析……………………………………………………40
2.6 小結……………………………………………………………49
第３章塗層形成過程及其瞬態熱傳輸行為………………51
3.1 引言……………………………………………………………51
3.2 有限元建模……………………………………………………52
3.2.1 控制方程與邊界條件………………………………………………52
3.2.2 有限元計算法則……………………………………………………54
3.2.3 逐層疊加模型………………………………………………………55
3.2.4 隨機沉積模型………………………………………………………56
3.2.5 實例研究……………………………………………………………57
3.3 有限元分析結果與討論………………………………………59
3.3.1 逐層疊加模型與隨機沉積模型之間的比較………………………59
3.3.2 噴槍移動速度對傳熱的影響………………………………………63
3.3.3 間歇噴塗模式對傳熱的影響………………………………………64
3.4 成形過程中溫度變化行為的試驗研究………………………65
3.4.1試驗方法……………………………………………………………65
3.4.2 紅外測溫結果與分析………………………………………………67
3.5 小結……………………………………………………………69
第４章電弧噴塗成形塗層的殘餘應力……………………71
4.1 引言……………………………………………………………71
4.2 塗層沉積導致的驟冷應力解析模型…………………………72
4.2.1 沉積第一薄層後的應力……………………………………………73
4.2.2 沉積第二薄層後的應力……………………………………………76
4.2.3 沉積第n 薄層後的應力……………………………………………78
4.3 塗層冷卻導致的熱應力………………………………………80
4.4 總體殘餘應力…………………………………………………81
4.5 考慮相變時的殘餘應力………………………………………82
4.6 實例分析………………………………………………………83
4.6.1 NiCoCrAlY 塗層殘餘應力分析……………………………………84
4.6.2 高碳鋼塗層殘餘應力分析…………………………………………88
4.7 軸類塗層零件殘餘應力的有限元分析………………………92
4.7.1 問題的描述及有限元模型…………………………………………92
4.7.2 塗層溫度分佈………………………………………………………94
4.7.3 殘餘應力分佈………………………………………………………95
4.8 小結……………………………………………………………97
第５章自動化高速電弧噴塗系統與工藝…………………100
5.1 引言……………………………………………………………100
5.2 機器人自動化高速電弧噴塗系統的開發……………………101
5.2.1 設計方案…………………………………………………………101
5.2.2 開發流程…………………………………………………………102
5.2.3 自動化電弧噴塗系統作業過程…………………………………104
5.3 噴塗參數的均勻-正交優化設計……………………………105
5.3.1 試驗方法…………………………………………………………105
5.3.2 噴塗參數與粒子飛行狀態的關係………………………………106
5.3.3 噴塗參數與塗層殘餘應力的關係………………………………108
5.3.4 噴塗參數與塗層組織結構的關係………………………………109
5.4 噴塗成形路徑的優化設計……………………………………111
5.4.1 噴槍平行移動偏移間距的確定…………………………………112
5.4.2 典型噴塗路徑的優化……………………………………………118
5.5 小結……………………………………………………………122
第６章高速電弧噴塗成形典型材料及性能………………124
6.1 引言……………………………………………………………124
6.2 熱處理對高碳鋼噴塗層組織性能的影響……………………125
6.2.1 試驗材料與方法…………………………………………………125
6.2.2 熱處理對塗層顯微硬度的影響…………………………………126
6.2.3 熱處理對塗層組織結構的影響…………………………………127
6.3 高碳鋼+Al複合噴塗層的組織性能…………………………134
6.3.1 試驗方法…………………………………………………………135
6.3.2 噴塗後Fe/Al 複合塗層的組織結構………………………………136
6.3.3 熱處理後Fe/Al 複合塗層的組織性能……………………………139
6.4 小結……………………………………………………………143
第7 章高速電弧噴塗厚成形試驗…………………………145
7.1 引言……………………………………………………………145
7.2 試驗材料及方法………………………………………………145
7.3 高碳鋼電弧噴塗厚成形………………………………………146
7.4 電弧噴塗厚成形高碳鋼+Al複合塗層………………………149
7.5 小結……………………………………………………………151
參考文獻………………………………………………………152
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