论文摘要
熔融金属液滴在工业生产技术中有着非常广泛的运用,如等离子喷涂,喷射沉积成型,数字微制造,微铸造,快速凝固成型,电子封装等。深入研究熔融液滴与基体撞击过程中发生的如流体流动,热传导,快速凝固等物理现象,对更好的控制和优化上述各种生产技术中的工艺参数有重大意义。当一个熔融的金属液滴沉积于一个粗糙的基体表面（如粉末基体）,粉末颗粒之间的凹陷处捕获气泡的存在使得液滴-基体之间会形成一个液-固-气三相共存的复合界面（而不是均匀的液-固界面）。这就形成了一个三相构成的周期性的流体结构,分别是各向同性的刚性固体,具有弱粘性的不可压缩的牛顿流体,具有正压力的弱粘性的气体。对表面粗糙度对液滴表观接触角的影响进行了深入研究,提出了一个基于Cassie-Baxter理论的模型来阐述粗糙表面上真实接触角和表观接触角之间的内在联系,二者的差别与三重线上液-固和液-气界面的比例有关。通过引入表面张力,粘度,基体表面粗糙度等参数,建立了一个描述熔融金属液滴在金属粉末表面铺展的理论模型,并且得出了以Reynolds数和Weber数为变量的铺展系数的解析解。详细阐述了表观接触角（衡量基体润湿性的一个参数,基体润湿性主要与其表面自由能和表面几何结构有关）对铺展系数的影响。对熔融液滴的Reynolds数在1～1000,Weber数在1～100范围内表观接触角的变化对铺展系数的影响进行了作图分析。基体和熔融液滴之间的界面接触热阻是影响液滴凝固过程的一个主要因素。对室温下接触热阻对熔融液滴在金属粉末基体表面凝固速度的影响进行研究。并且引入了一个计算熔融液滴与粉末基体粗糙表面真实接触面积的数学模型来求得界面接触热阻,阐述了接触热阻值随基体表面粗糙度,基体和液滴的热力学性质,熔融液滴的铺展系数以及液滴撞击速度等因素的变化趋势。熔融金属液滴凝固速度的数学模型与数值模拟结果符合的很好。同时也发现凝固后的液滴与粉末基体界面处的孔隙存在一个径向分布,从液滴中心至其边缘,孔隙分布呈增大趋势。编写了一个二维程序对熔融液滴撞击粗糙表面时发生的流体流动,热传导,相变等过程进行了数值模拟。表面张力被处理成仅作用于近表面处流体的体积力。接触角作为液-固接触线处的边界条件输入模型。液滴内部的液态和固态部分的能量方程全部采用焓法进行求解。数值模拟中对基体内部只考虑热传导作用,并且引入了液滴-基体界面处的接触热阻这一参数。数值模拟得出的液滴图片与实测数据取得了定性上的一致,很好的验证了本模型的正确性。