Effect of Interface Wetting on Flattening of Freely Fallen Metal Droplet onto Flat Substrate Surface

Research Progresses of Atmospheric Plasma Sprayed Splat

“…6 SEM images of YSZ splats on patterned silicon surface [40] 在远离碰撞中心的位置。Shinoda 等 [41] 也报道过类 似的模拟工作, 但使用的是扁圆柱形微坑规则排列 的表面模型。 相比于模拟计算, 以喷砂或预氧化等手段制 备具有不同形貌特征表面的实验研究更为常见。 喷砂使用的刚玉砂直径通常大于 0.71 mm, 而大气 等离子体喷涂制备的 YSZ 单片层的直径一般约为 100 μm。以单片层的尺度考量, 经过喷砂处理的 表面几乎是平坦光滑的。喷砂往往与涂层整体(而 不是单个的单片层)性能相联系, 如 Khan 等 [42] 关 注的喷砂工艺对涂层性能的影响。也有研究关注 了喷砂表面单片层的形貌, 如 Christoulis 等 [43] 统计 了抛光表面(平均表面粗糙度 R a =0.02 μm)与喷砂表 面(R a = 1.33 μm)沉积的金属单片层中的晶粒尺寸 并计算了形成过程中的过冷度, 发现相同基体温 度条件下喷砂表面单片层的晶粒尺寸比抛光表面 单片层的略大。 经预氧化的表面, 其特征尺寸约为 0.1~10 μm [44] 。 相比于喷砂, 这种前处理方法对单片层形成的影响更 为显著, 成为本领域研究的热点之一。Fukumoto [33] 、 Syed [45] 以及 Salimijazi [46] 等都注意到了预热使得基 体表面形貌发生改变的现象。McDonald 等 [39] 在原 子力显微镜下观察了 304L 不锈钢经不同温度预氧 化 30 min 后的表面形貌, 并比较了常温条件下上述 表面获得的金属镍单片层的最终形貌和形成过程中 的冷却速率(图 7)。该实验显示, 因氧化而变得粗 糙的表面使得熔滴与衬底之间的接触面积增大, 因 此增大了单片层形成过程中的冷却速率。这一研究 结果与 Shinoda 等 [41] 和 Christoulis 等 [43] 的观点并不 一致, 但与其他研究者报道的实验现象及分析基本 相符。 进一步地, 如果衬底表面与熔滴的接触面积可 用以解释单片层形成过程中的冷却速率, 那么宏观 上哪些参数能有效与之对应呢？Li 等 [44] 尝试以周 期和振幅相差较大的正弦函数之和来描述衬底表面 的形貌特征, 并指出通常使用的 R a (平均表面粗糙 度)的定义使该参数对衬底表面特征尺寸较大的起 伏(即周期和振幅数值较大的项)更为敏感, 并不能 有效表征特征尺寸与单片层厚度相近的微小突起, 而这些微小的形貌特征对单片层形成过程的影响才 是最为重要的。Fukumoto 等 [33] 也报道 R a 大小相似 的衬底表面的微观形貌可能有很大的差异; 对应地, 获得的单片层形貌也相差很大。经比较, Fukumoto 等 [33] 认为 R sk (轮廓的偏斜度)能更有效地对应单片 层的形貌特征。然而这一观点在 McDonald 等 [39] 的 图 7 经不同温度预氧化处理后的不锈钢表面形貌、所沉积镍单片层的形貌以及单片层形成过程中冷却速率的对比 [39] Fig. 7 Surface topologies of stainless steel surfaces either non-oxidized or preoxidized at different temperatures, images of nickel splats after solidification and cooling curves of splats [39] 研究中遭到了否定。Li 等 [44] [28] Fig. 8 Grain size in a cross-section of the splat obtained in different ambient pressures [28] (a) on stainless steel in atmospheric pressure; (b) on gold-coated stainless steel in atmospheric pressure; (c) on stainless steel under low pressure; and (d) on gold-coated stainless steel under low pressure 特定体系和条件下才可能出现的现象, 如 Li 等 [47] 在大功率(>80 kW)喷涂条件下, 沉积在不锈钢表面 的钼金属熔滴会使下方的基体局部融化, 进而引起 熔滴在铺展过程中液态物质前进方向的改变, 使单 片层呈现溅射状。Brossard 等 [48] 在研究铝表面 Ni-Cr 熔滴铺展时发现界面处形成了中间相, 这种现象…”

“…7 Surface topologies of stainless steel surfaces either non-oxidized or preoxidized at different temperatures, images of nickel splats after solidification and cooling curves of splats [39] 研究中遭到了否定。Li 等 [44] [28] Fig. 8 Grain size in a cross-section of the splat obtained in different ambient pressures [28] (a) on stainless steel in atmospheric pressure; (b) on gold-coated stainless steel in atmospheric pressure; (c) on stainless steel under low pressure; and (d) on gold-coated stainless steel under low pressure 特定体系和条件下才可能出现的现象, 如 Li 等 [47] 在大功率(>80 kW)喷涂条件下, 沉积在不锈钢表面 的钼金属熔滴会使下方的基体局部融化, 进而引起 熔滴在铺展过程中液态物质前进方向的改变, 使单 片层呈现溅射状。Brossard 等 [48] 在研究铝表面 Ni-Cr 熔滴铺展时发现界面处形成了中间相, 这种现象…”

Automated image inspection system to quantify thermal spray splat morphology

“…This parameter contributes to the bonding force. Fukumoto et al [42] conducted a free-falling experiment as a simulation of a thermal spray process and their results indicated that the metal droplets they drop wet better under low-pressure conditions than under atmospheric pressure conditions, and found that wetting has a significant role in the flattening of the droplet. Tanaka et al [17] found that a better wettability promotes the occurrence of disk-shaped splats, and at higher particle velocities promotes low coating thickness, thus leading to less porosity.…”

Ethylene Methacrylic Acid (EMAA) Single Splat Morphology

“…The first factor includes the substrate roughness, porosity and also the physical properties, such as thermal conductivity. Higher surface roughness enhances wettability of the substrate [12], and higher thermal conductivity of the substrate, gives rise to poor wettability of the substrate [13]. The second factor includes the composition, thickness and morphology of the oxide layer on the surface of the substrate; these are affected by the preheating rate, temperature and time.…”