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等离子喷涂过程测量技术的研究现状
编辑:365bet官网   时间:2017-05-31

等离子喷涂过程测量技术的研究现状


随着等离子喷涂技术的深入发展,对涂层性能和质量实时控制的要求愈加迫切。这就需要不断研究新的测量技术,对等离子喷涂工艺过程进行在线诊断,并对工艺参数与涂层性能之间的关系进行有效的推测。


1 等离子射流的表征


等离子射流温度可通过发射光谱(8000<T<14000 K时,主要来自原子谱线),瑞利散射(Rayleigh scattering)(T<10000或 16000K时,取决于分辨率)和相干反斯托克斯喇曼干涉光谱(CARS)(T<10000K) 来表征。与质谱仪耦合的热焓探针可以测量气体的热焓,进而得到等离子气体的温度,但这种方法是侵入式的,测得的温度是Favre平均温度,与光谱测得的时间平均温度不同。


在等离子核心,直流电弧等离子射流的速度可以使用光学方法测得,其依据是电弧根波动导致光波动传播,而在等离子焰中,可以利用与质谱仪耦合的热焓探针测量。


直流等离子射流的瞬态行为通常借助于快速摄影机来研究:摄影机可以是快门时间非常短(小于10-5s)并带有运动分析器的简易数码视频摄影机、带激光闪光灯的数码或视频摄影机。


2 等离子体和粉末之间的相互作用


等离子喷涂涂层的特性直接取决于粉末颗粒到达底部的参数。因此,多年来,人们开发了许多不同的技术来测量粒子的大小、速度和温度分布。一般而言,粉末粒子的温度取决于粉末粒子的双波长和波长或颜色带的热辐射。粉末颗粒速度用激光多谱勒测速仪(laser Doppler velocimetry)或过境计时技术(transit timing technique)测得。在后一技术中,速度根据颗粒穿过两个光栏或聚焦的激光斑点之间的时间推得。粉末颗粒尺寸根据经绝对强度校核后的颗粒的热辐射强度推导得出,或根据穿过一聚焦激光束的一个颗粒散射并在与原始激光束不同的角度收集的两个或多个光信号之间的相位移推得。这些方法大部分是单颗粒法(single particle method),颗粒参数的分布和标准偏差是通过对大量单个颗粒的观察得到的。但是,有些方法可以认为是“颗粒群技术(ensemble techniques)”,因为这些技术也测量了大量粒子的性能,这些参数的平均值直接得到。到目前为止,这些粒子群技术只能提供粉末粒子温度信息,但最近开发了一种粒子群技术的粉末粒子速度测试。


成像技术也可以用来探测粉末颗粒喷涂射流心迹线的形状和位置,以及炽热颗粒的密度,或者根据光信号的强度确定粉末颗粒温度和尺寸,使用双曝光技术确定速度。该测量设备中激光的引入能够测定“冷”颗粒的数量以及尺寸和速度。


一些商业化的技术现在可以在生产环境中用于对喷雾过程的在线控制。这些技术通常是基于粒子的热辐射的测量,而不使用额外的光源来测量粒子的速度、温度和分布。


3 层片形成和涂层堆积



它被严格控制并可重复涂敷,以充分了解粉体在基表面表面融化的情况。在对层形成和涂层积累的认识上取得了很大的进展,并出现了大量的测量技术。


获取图层信息最简单的方法是使用光学显微镜、扫描电子显微镜或原子力显微镜来观察基底上的孤立层。层的几何形状也可以通过表面轮廓来测量。通过观察,可以研究基底表面的具体制备(化学成分和粗糙度)及其对地层形状的影响。然而,这类研究并没有完全理解在碰撞过程中所涉及的层形成过程和凝固现象,这是控制涂层形式的关键。因此,在影响之前,需要有一定的粉末颗粒大小、温度和速度,并追踪底物和温度随时间变化的过程。近来,基于探测粉末发射的热辐射开发了两种技术。第一种是使用聚焦到基底上的高温计来测量粉末颗粒撞击前的参数,并测定粉末颗粒在基底上铺展和冷却过程中的温度演化。第二种技术由聚焦于基底的高温计和相阵多谱勒粉末颗粒分析仪组成。相阵多谱勒粉末颗粒分析仪能够独立于其温度而测量粉末颗粒的速度、尺寸,而粉末颗粒在撞击前和撞击过程的温度用双波长光学高温计测量。这些技术能够估测撞击粉末颗粒的铺展时间、铺展度ξ(层片直径与原始颗粒直径之比)以及冷却速率。热喷涂粉末颗粒冲击过程可视化的成像设备也在发展中。


喷涂涂层除了经典的表征方法:气孔率、粘着力、杨氏模量、残余应力,已经发展了在涂层形成过程中在线跟踪某些参数的几种方法,如:利用红外高温计可以监测涂层和基底的表面温度;利用声发射分析(AES)对喷枪位置关系的信号进行详细分析能够很容易确定喷涂一道的开始和结束,甚至对诸如微裂纹形成,反弹或剥落产生的能量释放进行跟踪;使用力学传感器或带有CCD摄象机的激光束,基于在喷涂过程中连续测量矩形条状试样的曲率(弯曲度)和位移,可以对喷涂涂层形成过程中的应力演化进行测定。


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