【摘要】 在这项工作中，一个新的热传递模型被提出。

电子束物理气相沉积(EB-PVD)是在高温合金基体上制造热障涂层的重要蒸发技术，特别适用于更苛刻的环境，例如高压涡轮叶片。为了了解涂层性能和优化工艺，采用建模方法对涂层过程进行了数值模拟。基于射线追踪方法的建模研究已有多种。Fuke 等人发展了简单形状圆盘和圆柱表面涂层厚度预测的解析表达式。席勒等人提出了一般的分析模型来预测简单形状的工件，如钢板和圆筒的涂层厚度。Pereira 等人提出了一个考虑阴影效应的涂层厚度计算模型。佩雷拉的模型是基于对气相沉积通量的分析，预测的三引脚旋转组件的涂层厚度分配与实验测定非常吻合。虽然上述基于射线追踪的方法已得到广泛应用，但由于计算单个射线，其计算成本往往高得令人望而却步。因此，需要新的有效的替代方法。

 

在这项工作中，一个新的热传递模型被提出。其动机是基于 EB-PVD 模型中的射线跟踪剖面，如 Ref。类似于高斯分配。这项工作使用高斯形状的加热光源来模拟射线追踪轮廓。裁判。将射线追踪算法与金属三维热源印刷中的体积追踪模拟进行了比较。结果表明，采用射线追踪方法，热输入受到辐照表面附近的限制，而体积热源将部分吸收的能量涂抹掉。

 

高斯热源与射线追踪剖面的类比

没有直接计算通量强度的射线追踪方法，而是采用了热传递模型。这个原因是基于类似性高斯函数形状的加热源和光线竞赛预测的光线强度之间的差异，如图1所示

 

图1 (1)比较高斯函数加热来源；(2)和射线追踪法的射线强度分配

 

高斯函数具有与正态分布相同的特征，从图1可以明显看出，类似性高斯函数形状的加热源与射线竞赛预测的射线强度之间存在一个相应的 n 和。这个类似性允许使用热传递来模拟温度曲线，并将其与涂层厚度相关联。

 

温度分布与涂层厚度分配的相关性

在这个热传递模型中，预测的温度分配需要与涂层厚度相关联。如图2所示，我们发现圆盘和圆筒模型的标准化涂层厚度和标准化温度之间有很好的线性关系，这种规格化过程是通过将厚度和温度的最大值标准化来完成的。

 

图2 圆盘和圆柱壳体的归一化涂层厚度与涂层温度的线性相关性，装配线也包括在内

 

值得注意的是，在图2中几乎相同的斜率在圆盘和圆柱的情况下都被观察到，表明在温度和厚度之间有相同的相关性，不管组件表面曲率如何。

 

1.Yafeng Li, Anvesh Dhulipalla, Jian Zhang, Hye-Yeong Park, Yeon-Gil Jung, Dan Daehyun Koo, Jing Zhang, Finite element modeling of coating thickness using heat transfer method, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, Volume 32, 2021, Pages 249-256, ISSN 1755-5817, https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2021.01.005.

 

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