等离子喷涂是热喷涂中应用较广泛的技术之一,能有效改善零件的耐磨损、耐高温等特性,提高零件的使用寿命。在喷涂过程中,不同的基体表面粗糙度、基体预热温度、环境压强和熔滴速度对涂层形貌产生很大影响,且会让涂层与基体间产生较大温度梯度和物理特性差异,从而产生残余应力,使涂层发生断裂、翘曲、分层等失效行为,严重地影响涂层的使用寿命。因此,研究以上工艺参数对涂层表面形貌及残余应力的影响有重要意义。本文采用流体力学软件Fluent,建立等离子喷涂的流体流动与传热耦合三维数学模型,运用有限体积法求解流体流动和能量方程,采用流体体积法追踪熔滴自由表面。首先模拟一个熔滴在基底上撞击、铺展、传热和凝固以及层片形成过程,分析不同的基体表面粗糙度、基体预热温度、环境压强和熔滴速度对层片表面形貌的影响规律。然后模拟第二个熔滴撞击在已凝固层片,从而形成涂层,进一步说明以上参数对涂层最终形貌和残余应力有影响。层片形貌模拟结果表明:适当增大基体粗糙度,层片厚度越均匀,表面形貌越好,最终形貌呈现一边厚一边薄;随着基体温度的增大,孔隙减小,层片铺展厚度降低,而铺展半径增大,沉积物形貌更接近圆盘状;随着环境压强降低,更多的沉积物呈盘状,边缘几乎无溅射,气孔也减少;适当提高熔滴速度,层片形貌范围增大,边缘溅射物比之前多且大,速度过高或过低,都会导致层片中气孔的增大。涂层最终形貌及残余应力模拟结果表明:在低压下所形成的涂层铺展范围大于高压下的涂层范围,但涂层铺展厚度正好相反,涂层结合强度随环境压强增大而减小;碰撞速度增大,铺展直径变大,但厚度减小,轴向最大压应力增大;提高基体温度,涂层中央致密程度增大,组织中孔隙量减小,但涂层最终形貌都呈现边缘厚中间薄;基体粗糙度增大,边缘形成的“城墙”越薄,孔隙率也减小,但所有涂层边缘无溅射物。基体预热温度和基体粗糙度需处在一个最佳范围,才能保证涂层与基体有比较好的结合强度。