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喷涂涂层的可靠性：检测等离子喷涂的过程与提高喷涂涂层质量.docx

等离子喷涂功能材料制备的实验工装设计【优秀课程毕业设计含3张CAD图纸+带任务书+外文翻译】-jxsj62

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关键词：: 等离子喷涂功能材料制备实验试验工装设计实验工装离子喷涂

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等离子喷涂功能材料制备的实验工装设计【优秀课程毕业设计含3张CAD图纸+带任务书+外文翻译】-jxsj62

等离子喷涂功能材料制备的实验工装设计

Reliability of plasma-sprayed coatings monitoring theplasma spray process and improving the quality of coatings.pdf

摘要

等离子喷涂技术是现代表面工程的重要手段之一，在工业生产和科研中的应用也越来越广泛。等离子喷枪作为等离子喷涂设备的重要组成的部分，现有的等离子喷枪存在能量消耗大、粉末沉积率低、喷枪寿命短等缺点，进而影响着生产效率与喷涂工艺的成本。现有的小型等离子喷枪多为手持式，这种手动喷涂的方法存在操作人员的劳动强度大、操作水平要求高，满足不了大批量生产作业；其次，涂层质量不稳定，均匀性差，喷涂准确性低，喷涂质量完全凭人工经验控制。

本文首先通过在喷枪的送粉方式、送气方式、喷嘴形状、阴极及钨极座对等离子喷涂的影响方面，设计了喷枪的结构，提高了喷涂的沉积率和喷枪的寿命，进而降低了喷涂工艺成本。其次，本文的重点是对等离子喷涂进给机构进行了设计，通过Y向机构的装夹盘和水平放置三爪卡盘分别对平面类工件和轴类工件进行装夹，然后由安置在十字滑台的喷枪对工件进行运动喷涂。

通过对喷枪的优化设计和等离子喷涂进给机构的设计，改善了喷涂涂层的质量，提高了喷涂材料的利用率，从而节约了喷涂成本，并实现了喷涂系统运动的精准控制，替代了人工劳动力，提高了喷涂效率和喷涂过程的安全性，为喷涂工件的大批量生产提供了条件，从而推动等离子喷涂技术在工业生产上更加广泛的应用。

关键词：功能材料；等离子喷枪；进给机构；实验工装

The design of experimental equipment for manufacturing function materials by plasma spraying

Abstract

The plasma spray is one of the important technology in surface. Plasma spraying can obtain evenly the coatings of high quality for its superior characteristics of high-temperature and high-velocity, and get the performance what we need. The plasma spray gun and the feed system of plasma spraying play important role in plasma spraying progress. The quality of plasma arc great depends on the property of plasma spray gun. Moreover, plasma spray jet, cathode, powder feeding and gas feeding are kernel of plasma spray gun. The feed system of plasma spraying decides the effiency of spraying and even influences the productivity.

Firstly, this paper designed the gun by the influence of the way of powder feeding and gas feeding, the shape of spraying jet, cathode and its block. So it enduranced the rate of deposition and the lifetime of gun to decrease the cost of this technology. And then, the key point of this paper is the design of feeding system of plasma spraying. By clamping workpiece through fixture of Y axis and three jaw chuck, plasma spraying gun can spraying on the moving cross slippery platform.

By the optimal design of spraying gun, it really improve the quality of spraying coating and the rate of spraying material . Thus, it can decrease the cost of this technology. By the design of the design of feeding system of plasma spraying, it achieved the control of system movement accurately, and it takes the place of manpower so as to enhance the efficiency and safety. What’s more, this system makes it possible for workpiece large batch production. Accordingly, this feeding system can drive the technology of plasma spraying to broaden application.

Key words: function material; plasma spray gun; feeding institution;

experimental equipment

第1章绪论 1

1.1 功能材料 1

1.1.1 功能材料的概念 1

1.1.2 功能材料的分类及应用 1

1.1.3 常见功能材料的制备 3

1.2 等离子喷涂技术 4

1.2.1离子与等离子体 4

1.2.2 等离子喷涂的原理 6

1.2.3 等离子喷涂的特点 7

1.2.4等离子喷涂的喷涂距离与喷涂角度 8

1.2.5 等离子喷涂涂层性能检测方法 8

1.2.6 等离子喷涂功能材料的应用与前景 8

1.3 本章小结 9

第2章等离子喷枪的设计 10

2.1 等离子喷枪的基本结构 10

2.2 等离子喷枪基本参数的选择 11

2.3 等离子喷枪结构的基本设计要求 11

2.4 等离子喷枪结构方案的选择 12

2.4.1 送粉方式的选择 12

2.4.2 送气方式的选择 14

2.4.3 阳极（喷嘴）形状的选择 15

2.4.4 阴极（钨极）和钨极套的设计 17

2.5 本章小结 18

第3章喷涂系统进给方案的设计 19

3.1 等离子喷涂的喷涂设备 19

3.2 等离子喷涂系统进给方案的确定 19

3.2.1进给伺服系统的要求 19

3.2.2 等离子喷涂进给机构的主要设计参数 20

3.2.3 进给机构总体方案的选择 20

3.3 导轨类型的选择 23

3.3.1 选择的导轨满足的要求 24

3.3.2 常见的滑动导轨类型和导轨类型的确定 24

3.4 传动方式的选择 25

3.5 各个进给机构联轴器的选用 25

3.6 进给机构的防护 26

3.7 本章小结 27

第4章喷涂系统进给机构的计算 28

4.1 Y向进给机构的计算 28

4.1.1 滚珠丝杠副的选择与计算 28

4.1.2 电机和减速机型号的选择 31

4.1.3 轴承的选择与计算 33

4.1.4 键的校核计算 34

4.1.5 工件装夹盘安装螺栓的校核计算 35

4.2 X向进给机构的设计与计算 36

4.2.1 X向滚珠丝杠的选择与计算 36

4.2.2交流伺服电机与减速器型号的选择 38

4.2.3 轴承的选择与计算 40

4.2.4 键的校核计算 41

4.3 Z向进给机构的设计与计算 42

4.3.1 Z向滚珠丝杠的选择与计算 42

4.3.2 交流伺服电机与减速器型号的选择 44

4.3.3 轴承的选择与计算 46

4.3.4 键的校核计算 47

4.4 轴类工件旋转机构的设计与计算 48

4.4.1 交流伺服电机与减速器型号的选择 48

4.4.2 三爪卡盘的选型 49

4.4.3 卡盘轴的校核 50

4.4.4 轴承的选择与计算 51

4.4.5 键的校核计算 52

4.5 本章小结 53

第5章总结与展望 54

致谢 55

参考文献 56

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内容简介：: I 喷涂涂层的可靠性：监测等离子喷涂过程与提高涂层质量作者：摘要在工业制造业中，无论任何一种喷涂技术，喷涂涂料的可靠性和再生产性对于等离子喷涂技术的发展都是至关重要的。这些主要取决于喷涂工艺的可靠性、设备和喷漆柜的维护、操作员工的培训水平和认可程度、目标实现和应用相一致的生产实践、喷涂涂层的检测水平等。这篇文章研究的第一个问题就是在不改变喷涂特性和测试方法的前提下，实现等离子喷涂过程的监控和控制。这项研究起源于最近几十年在等离子喷涂状态下喷涂质量的提高、工业上等离子喷枪细节上的改进、喷涂颗粒喷射的动态变化及其影响参数检测方法以及传感器的发展。本文收录了一些工艺流程图，这些流程图描述了喷雾过程中操作参数之间的相关关系、喷涂动态离子特性、涂层性能和基于人工神经网络与模糊逻辑方法的潜在的原位监视过程。 I 目录喷涂涂层的可靠性：监测等离子喷涂过程与提高涂层质量 . I 摘要 . I 1 涂层可重复性、再加工性、可靠性概念的引入 . 1 2 等离子喷涂条件下喷涂涂层质量改善的简短历史 . 2 源 . 2 980s 1990s . 2 二十世纪九十年代中期到现在：传感器的发展 . 3 3 等离子喷涂工艺 . 4 涂工艺参数 . 4 业喷枪的类型 . 4 射流中的飞行的粒子 . 5 涂粒子对涂层形成的影响 . 6 4 应用在喷涂柜中传感器 . 7 射流中的动态粒子 . 7 感器的类型 . 7 传感器对喷涂粒子温度、速度和最终直径的测量 . 8 高温粒子运动轨迹的分布 . 9 涂层的产生与测量的联系 . 9 5 等离子喷涂的在线监测与控制 . 10 传感器测量粒子的温度与速度 . 10 检验涂层性能 . 12 喷涂特性的在线控制 . 14 6 结论 . 16 1 1 涂层可重复性、再加工性、可靠性概念的引入等离子喷涂技术的科研研究与工厂作业存在很大的区别。相比之下，工厂作业更关注喷涂涂层的性能（耐磨性、抗腐蚀性、耐热性等）和涂层的可重复性、再加工性、可靠性，而实验室中的科研研究则尝试解释涂层形成过程以及由此产生的涂层微观结构和特性。在进行深入研究之前，我们需要基于热喷涂条件把涂层的可重复性、再加工性、可靠性等概念进行定义。以下人对这些名词是如下定义的： (1) 可重复性意义在于重复同一个过程来实现相同的喷涂涂层。为了实现涂层的可重复性，基于涂层的预测性能（力学性能、热性能、物理性能、化学性能等）和要覆盖的实际几何表面，必须进行特殊参数的测量。这就意味着同一个人用同一种测量设备检测同一个属性得到的测量数据的变化是相同的，或者意味着同一个人在同一个物体的部件上使用不同的测量方法而使用相同的设备和技术得到的测量数据的变化是相同的。 (2) 再加工性一般定义为两个或两个以上的人对相同的部件应用同一种测量技术得到测量数据的平均变化。例如，相同的喷涂涂层在两个或两个以上的喷涂步骤中，必须应用同一种热喷涂工艺。 (3) 涂层可靠性是指涂层在特定的时期和特定的工作环境下应该实现其特定的功能。然而，根据研究表明，这些概念不仅与相对于图纸要求的平均值与标准偏差相关，也与各种涂料的控制有关。对于任何一种喷涂技术来说，喷涂涂料的可靠性和再加工性在技术引进并使其适应工业制造上都是至关重要的。大量文献表明改进需要克服各种各样的困难和挑战。为喷涂涂料的可靠性和再加工性不仅仅取决于喷涂工艺过程的不同阶段，这个过程包括从指定表面的喷涂部分的准备到喷涂得到预期的特性以及涂层特性的控制，也取决于设备的维护、操作员工的培训水平和认可程度以及后续的喷涂操作流程。如图 1 所示，在代表文献中所公布的喷涂沉积阶段的数据与实际喷涂制造过程存在约 13%的错误。此外，展位条件（温度、湿度、尘埃的扩散程度等）和喷涂设备不同构件的布局（机器手臂和喷枪、喷涂完成部分的力学性能、与喷枪相关的颗粒喷射流位置等待）必须得到控制。最后，用于控制涂层特征与测试涂层性能的程序和系统应该小心谨慎且正确标准的操作。事实上，是许多测量方法取决于涂层的表面质量和样品的横截面积。通过改善喷涂工艺和喷涂过程控制，并且结合大量工作和工业需要，本文的目标是展示怎样在制造过程中尽可能实现喷涂材料的再加工性和可靠性。实现喷2 涂材料的再加工性和可靠性有一个简短的历史，它开始于应用不同且连续的方法提高喷涂质量和等离子喷涂过程的类型，发展于在喷涂室被用于检测涂层质量的传感器的选型，结束于在原位置喷涂涂层监控方法的展示。这篇文章局限于喷涂工艺的监控和喷涂过程的控制，没有讨论涂层特性、涂层测试方法和喷涂结果。 2 等离子喷涂条件下喷涂涂层质量改善的简短历史源大约从 1960s 到 1980s，等离子喷涂技术是在靠经验积累情况下发展的，经验积累阶段包括： (i) 变换影响粉末和颗粒的形状、大小、分布不同的喷涂参数（电弧电流、阳极喷嘴内直径、气体流量等） (描述生成的喷涂涂层的特性、评估在特定环境下的涂层性能。这个过程不断地重复，直到达到一定的标准和设定的喷涂参数为止，然后喷涂喷涂完成，喷涂程序关闭。这种喷涂方法的使高效率喷涂的广泛应用成为了可能，也促使了喷涂参数的监测、喷涂涂料的控制（颗粒形状、颗粒大小）、喷涂设备的一致性（与喷枪想适应的送粉机的匹配性、精确性、资格性、位置）的发展。 980s 1990s 在二十世纪八十年代末期和九十年代，两种新的喷涂方法慢慢发展起来：（ 1）商用计算机等离子喷涂系统的发展。商用计算机等离子喷涂系统允许及时记录喷涂过程中的宏观参数：电弧电流、等离子气体和送粉气体的流速、等离子喷枪水冷温度和流速、水渗漏检测等。因为等离子喷枪的老化对其操作使用影响非常敏感（电极磨损、小管道的错位和部分堵塞），因此在计算机程序设定时必须考虑这些情况。例如，对于一个给定的电弧电流，电弧电压因电极磨损的降低在提高氢气流速时得到了补偿，提高氢气的流动速度能够提高电弧电压至正极喷嘴未磨损时的状态。然而，传感器粒子温度和后期粒子飞行速度的测量发展表明保持等离子喷涂粒子相同的加热和加速的过程通常不是最好的和最适当的方法。（ 2）等离子喷涂喷嘴温度方面：测量气体速度场也有其他的一些方法。（ 3）在热喷嘴中粒子轨迹的分布和已知粉末特征、喷嘴直径与位置对送粉气流速度的影响。（ 4）粒子速度和温度分布对喷涂基底的影响。（ 5）喷涂过程中基体和涂层温度的变化。 3 随后，一些研究工作开始把等离子体产生、热量和动量相互转化与微观颗粒与最终涂层的组成、涂层的微观结构和涂层性能联系起来。当时，控制高温微粒的动态飞行参数而非宏观喷涂参数的重要性在实验室研究中得到了证明。比较复杂的测量设备开始在研究中应用起来，人们用激光多普勒风速测定法来测定微粒速度，用多普勒粒子相位分析法测量粒子大小，用 100速反应的高速温度计来测量机体表明温度，用电荷耦合相机来监测喷枪内部高温粒子轨迹的分布。对于绝大多数测量技术，都不能在喷涂室平常工作的温度下正常进行。然而，这些测量技术能够让我们更好的了解喷涂涂层的产生。同时，这些测量技术也使尝试性的喷涂方法逐步走向改变等离子喷涂过程的更科学的喷涂方式，把喷涂工艺从艺术转向科学。经过这个时期的许多努力，喷涂涂层特性技术标准化的制定了下来（金相学和图像分析、材料特性表达、空白内容和网络体系结构等），喷涂质量得到了控制（粘附凝聚性能、机械性能、耐热性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等）控制喷涂质量为应用趋势指明了更多目标。二十世纪九十年代中期到现在：传感器的发展这种在实验室发展和应用的技术是基于简单耐用的传感器在喷涂室严酷的环境下形成的。在二十世纪九十年代末期，用于研究动态粒子状况的商用系统（颗粒温度、颗粒喷射速度、颗粒直径）统被人进行了改进，与此同时，出了的成像系统，这种系统用于动态粒子的温度检测和速度检测，人设计出了名叫成像系统。这两种系统都能够用于操作参数对于粒子动态参数上影响的检测（气体流速、喷嘴内部直径、电力水平、喷射条件、粒度分布和颗粒形态等）。例如，动态粒子参数与涂层属性的广泛研究使得人们了解喷涂工艺过程和提高涂层的再加工性和可靠性方面上显著增强。然而，虽然涂层特性之间的联系仍然不为人们完全所知，但是一下被人们忽视的几个方面需要人们发展重视：实时过程控制有助于提高喷涂工艺性能和满足涂层质量要求闭环系统控制能够通过粒子参数实时传感器对喷涂工艺的执行进行直接实时的监测过程变量和后处理测试的矫正这就意味着：为每一种特殊功能的喷涂涂层都建立宏观喷涂相应的传感器参数、涂层参数、机械特性、功能特性之间的关系发展新型简单易用的包含这些关系的传感器 4 开发能够修改输入喷涂变量的控制器 3 等离子喷涂工艺涂工艺参数等离子喷涂工艺流程如图 2 中所示，等离子喷涂参数大致能分为以下三类：（ 1）等离子喷枪喷嘴的喷涂粒子高温和高速本质上与喷枪的操作参数有关。（ 2）在喷嘴处粒子的加热和加速一方面与喷嘴处高能量气体的温度、速度和气体的构成成分有关，另一方面，也与粒子的大小与形态、质量密度、喷射速度分布、注入喷枪的送粉形式（径向送粉、轴向送粉）有关。这些参数能够控制喷涂粒子的形状大小、喷射速度、温度、融化程度甚至影响最终在基底或旧涂层上形成新涂层的化学构成。（ 3）控制喷涂粒子对沉积层的影响取决于不仅上面各种的参数，还取决于喷枪嘴与基体之间的运动关系和基体的冷冻系统。机器喷涂模式通过编写的程序能够控制这种运动关系，因此必须在基体的基础上计算喷枪的喷涂方向，所以，喷枪的轴线位置应该尽可能的靠近基体常规放置的位置。喷枪轴线的放置位置对连续通道和涂层喷涂的厚度、在冷却系统和通道厚度中基体和涂层的表面温度，在喷涂过程中重视对涂层温度和粒子通道的梯度是控制涂层中残余内应力的关键。最后，在喷涂沉积过程之前对基体进行预加热，能够消除基体表面的吸附物和冷凝物，并且在很大程度上促进了涂层的粘连。业喷枪的类型等离子喷枪在直流电下工作，能使高速气体喷射流达到 8000k 的温度，理论上，这么高的温度能够融化任何材料，特别是陶瓷材料。在喷枪出口的喷射流下10，基体增加的热量能够达到每平方 2体与涂层之间的热转移能够通过喷枪与涂层的相对运动（相对速度与重叠的沉积轨道）进行控制，从而使基体和涂层冷却了下来。又因为喷枪中的也易使于金属粉末的发生氧化，为了避免此类情况，喷涂工艺必须在可控制的气体或者接近真空的密封室内进行。然而，大气等离子喷涂是在现在工业水平下应用最为广泛的技术，这种类型的等离子喷涂技术因在空气中使用喷枪而被限制。对于常规的等离子喷枪，穿过不氧化、未渗碳的气流的直流电弧是它的热源，除了向送粉等离子喷枪是轴向送粉外，其他的喷枪都是把粉末送到输送到喷枪轴线位置。绝大多数等离子喷枪阴极工作功率低于 40粉量在3h 之间，粒子的沉积率大致为 50%。氩气常用于喷涂保护气体，能够保证5 喷枪内部电弧的稳定，并且控制喷射流的流动力和粒子输送率。氩气中一般混有氢气和氦气，这有助于增加喷枪的热能，促使热能在粒子上的转化，少量氢气的加入也能够提供电弧和喷枪的效率。但是，氢气与氦气的增加也加剧了弧根在阳极上的移动，因此使了电弧的波动增加，电压波动极差 V 与电弧平均电压比值达到了离子喷枪在氩气与氦气混合环境下能够使 V/小电压的波动幅度，而在氮气和氢气的混合下稍有不同，但也很容易将电压波动率降低到 2。为了降低能够引起喷涂粒子运动状态的电弧波动，进了枪的工作本质，用氩气与氢气的混合气体使喷枪的功率达到了60能在单阳极之前被绝缘环分成三个电弧，因为比单阴极喷枪获得的电弧更长，这种电弧能够显著的降低电压波动百分比，事实上，如果阳极的电压波动与单阴极喷枪波动相同，那么平均电压就会越高：大概 1000v。由三个喷嘴组成的随着假设为静止的等离子喷射流中的粒子一个接一个在喷枪轴向垂直的 180 度的扇形平面内可以在几个方面被检测到，因此可以完全可以只通过等离子体特征计算机断层扫描检测到粒子流的运动形态。从断层扫描得到的计算要求高、储存量大的数据可以重新构建等离子喷射流的很界面图像，这些数据在时间允许范围内一般的个人计算机就能够满足要求，由三个喷嘴构成的喷枪使粒子使喷涂材料粉末注入到喷射流中，避免了两个喷嘴的囚笼效应和一个喷嘴的缺点。等离子喷枪扩大了喷涂面积，所需电功率达到 250如阴极为按钮类型的枪， 250升的氮气和 150 毫升的氢气以漩涡的形式注入喷涂室内，在这种工作状态下送粉器能够向喷射流输送 15h 喷涂材料粉末。第三种等离子喷枪是发的轴向送粉等离子喷枪。它由三个电源带动三个阴极和三个阳极组成（总功率约 50h），在三个喷嘴汇合处把喷涂材料粉末利用可互换喷嘴轴向送入，因此，粒子在热区的停留时间大幅度增加，送粉气流的速度明显降低，气体在喷嘴汇集处把粉末颗粒吸进喷枪，从而这种喷枪获得的其他普通喷枪明显要高。这种涂层的空隙约为 3涂层金属与合金的含氧量约为 1并且主要来自于喷涂氧化物，涂层有好的粘附性（ 40 射流中的飞行的粒子对于普通的等离子喷枪喷嘴处喷涂粉末的喷射半径是其的关键。当粒子从热气喷嘴获得的动力接近送粉气从送粉器出口获得的动力时便能够得到最合适6 的运动轨迹，热气体的能量与气体动能密度 p 代表气体特定质量，粒子穿过喷嘴的数量是变化的，从喷射流边缘到喷射流中心气体的速度与温度是增加的，而压强则是相对百分之几十的降低。另外，喷涂粒子的能量主要取决于其注入喷枪的速度与质量。粒子注入喷枪的加速度取决于喷射器内部的直径和送粉气体的速度。由于喷涂粒子与喷枪内壁、粒子与粒子之间的碰撞和喷枪内部气体平稳的喷射轮廓（），所以不论粒子的大小，粒子在喷嘴出口处都具有相同的喷射速度和加速度，因此，为了降低粒子运动轨迹的分散，喷涂粉末颗粒的大小必须尽可能的限制在一定范围之内。例如，比值为 2 的最大粒子直径与最小粒子直径（窄分布）和比值为 8 的粒子质量与能量是相对应的。除此之外，颗粒形态能够改变其质量密度的情况也必须考虑在内。无论何种质量的喷嘴，当喷射流经过喷嘴时，喷射流中一部分粒子将粘贴在喷嘴边缘。这种在涂层结构下粘附的颗粒能能够导致涂层微观结构的缺陷，因此应该避免这类现象的发生。最后，喷涂粒子的速度和温度必须通过喷涂参数进行控制，从而实现基体喷涂的矫正和冷却，形成喷涂液滴，最终形成涂层。涂粒子对涂层形成的影响鉴于占涂层表面积 20 实际情况，很大程度上，在过去的二十年里人们在控制涂层的耐热性上做了大量工作。单粒子在基体和涂层层面结构上的影响是十分复杂的，一个数十微米大小的粒子几微秒间就能够覆盖在基体表面，并且现有的照相机不能如此快速的记录此刻粒子被覆盖的过程。在给出的时间间隔内，拍摄一个粒子被覆盖的过程的方法已经找到，假设相同直径、温度、速度的微粒的覆盖过程是相同的，对不同的粒子改变不同的拍摄间隔时间，就能得到数张（少于十张）不同时刻粒子被覆盖的照片。这样一个猜想结合了覆盖熔滴时的温度变化和得到涂层的表面观察，对涂层熔滴的形成有了一个更好的解释。涂层构成的实验研究证实了利用温度转移实现基体预加热对涂层层片形成的重要性。关于基体状态和粒子影响参数怎样决定层片的形状给出了评论，韦伯数中速度被认为是压平了液体材料，而不是常被认为在计划中影响粒子的运动。基底的粗糙度、氧化层的厚度（大多数是金属或者合金）、冷凝物与吸附物是否存在都能够很大程度上影响粒子喷射速度。然而，粒子速度在喷枪内部无法测量。预加热阶段基底的温度参数和喷涂于冷却阶段涂层表面的温度参数对于喷涂过程的监测和控制是十分重要的，而温度参数主要取决于喷涂的模式，后面的温度参数控制主要通过喷涂材料的重叠喷涂。温度参数控制一方面取决于涂层的厚度和粒子与等离子体带来的热量，另一方面取决于涂层表面的起伏程度与尺寸7 公差。 4 应用在喷涂柜中传感器传感器是一个能够测量物理量并把物理量转换成能被观察者或设备读取的信号的一个装置。传感器通常在喷涂过程工作，利用实验室中先进的设备描述喷射流中动态粒子的运动特征，这些传感器十分的耐用，能够在喷涂柜如此恶劣是环境中正常工作，并且相当简单，能够限制调整必要的实验设备。这些传感器常用于喷射流中喷涂粒子的监测和喷涂涂层的形成。射流中的动态粒子感器的类型一些质量轻（ 1积小（ 400传感器固定在等离子柜中，它们能够连续的记录测量参数，因此任何变化都能被传感器马上监测到并进行相应的参数修正。在给定的喷涂内（常常是数十分钟），喷枪被固定在喷涂柜前方的传感器所驱动，然后，喷涂出现的问题就能被监测到，并能进行相应的纠正。如果热粒子散发出的辐射比热气体散发出的辐射高，那么这些热粒子就能够被检测出来。在喷枪中只能通过检测 6000喷射羽流中粒子的温度来测量热粒子的辐射。在热粒子检测中，现有两类测量方法局部测量方法或者大范围测量方法。第一类测量符合小容量的测量方式，它结合高速检测器和用于接收至更高频率的电子通信宽带对 1下的局部区域进行检测，实现了单粒子的观察，进而通过大量的单个粒子的观察（数千个），就能够得到所记录粒子温度、速度、直径的平均值与标准差，形成一个大的有代表性的数据统。这样的测量方法通常要求低负荷的热喷涂过程且低于 h 的送粉速度，只要没有负载效应的发生，在确定的喷涂情况下就能假设此类测量方法能够得到相同的测量结果。大范围测量方法是指在给定的时间内通过喷嘴大约数十立方毫米圆柱形弦线的喷射流，没有对不同粒子进行区分而对包含在其中的所以粒子进行的测量称为总体测量。由于这种弦线对喷枪中粒子的运动比较适合导向方向，因此弦线对喷嘴与测量容积的变动关系不是很敏感。整体测量技术对大负载喷涂过程（如测量也很适合，并且测量时间仅为几秒钟，因此，几秒钟与几分钟相比，整体测量比局部测量的效率更高。人对整体测量（和局部测量（ 000）进行的实验对比，在对喷射流进行测定之后，然后对局部粒子的流速进行权衡比较，发现每个量得出8 的关于粒子参数（温度和速度）的不同区域局部平均值的网格点都包含在量体积之中，表明两种测量系统得到的结果是一致的，证实了两种测量方法都是准确的。然而，正如强调的那样，在喷射流的一个指定的区域，获知粒子温度在 1050之间（局部测量）比知道粒子温度在 2300 度（整体测量）的价值更高。传感器对喷涂粒子温度、速度和最终直径的测量（ 1）对于来自司的感器，由于粒子通过光电传感器头两个夹缝能够产生的信号，传感器通过测量接收两个信号之间的时间差来得到粒子的速度。假设喷射流中的粒子在两种颜色带中是具有相同发射频率的灰色辐射体，喷射流粒子温度则由计算两种不同波长能量辐射的比率得到。假设粒子是球形的，并且在用两色温度计测量温度时高温粒子的辐射系数是已知的，通过高温粒子辐射能量的波长的测量，就能得到粒子直径。但是，第二种假设常常存在着问题。（ 2）与感器相反，来自司的感器能够在以 25、 3为直径的测量圆柱内提供粒子特性的总体平均数据。粒子速度从被临近的隔开的位置得到的相关信号中得出，高温温度计测量得出粒子的温度，这个系统包括一台速摄像机，它能够沿着喷嘴垂直的直线上对喷射流的羽流（位置、宽度、强度）进行分析。（ 3）对于的测量体积范围在 186温粒子能够在专门定制的双色双镜的协助下投影到这种双色双镜的前后被设计成能够映射不同的光谱带，两种相关的映射能够在感器上产生双色光谱的图像。（ 4）美国司的 40素、 305曝光时间的相机衍生而来的。这种传感器是一个能够测定波长在 625 双色成像高温温度计，从而能够测量出喷射流中粒子的速度和大小。（ 5）感器也是一款基于相机和测量喷射粒子温度、直径与速度的传感器，根据设计者的描述，这款传感器能够精确的测量出粒子的直径，从而通过粒子的体积适当的衡量单个粒子对熔化的粒子喷射流中的贡献，继而感应出整个等离子喷射羽流，每秒钟汇总大约 500粒子的整体数据，最后快速的得到喷射羽流的形心。无论是何种传感器，前期的标定和定时的常规校准都是必不可少的。速度测量的精度应该在 5%以内。高温温度计的校准比较麻烦，并且精度较低。 9 高温粒子运动轨迹的分布（ 1）喷涂与沉积控制技术基于高温粒子的辐射性，利用相机或者光电二极管阵列对等离子喷射流的羽流或者火焰交汇位置的部分影像进行记录， 3 定在喷枪上时，它能够每秒钟记录下 4 张图像，从而就能够持续的监测到高温粒子的运动轨迹。在喷涂进行的状态下，够追踪高温粒子辐射出的最大信号和最大信号相关的喷枪的轴线位置。（ 2）离子喷涂设备的感器，利用离子体羽流的粒子流速和喷射点。个人计算机能够减少查找在高温粒子喷射流和粒子流的图像上寻找各行中不变的辐射强度，如图 3 所示，这些线条接近椭圆形。当送粉气径向注入喷射流时，次系统也能够检测出送粉气对高温气体的干扰。在这种方式下，在没有与等离子喷射流和喷射粒子物理参数相关的精确知识时，高温喷射流和粒子的流速的变化也能够被检测出来。（ 3）粒子喷射通道不是很理想时，它能够观察到喷射流中跳跃的细微粒和穿过粒子喷射流飞行的粗微粒。注射锥的可视化和注射区的定量化（如注射锥的宽度与角度、粒子平均速度、粒子加速度与其轨迹的角度等）使注入的粒子与喷射流中粒子形成很好的对比。但是，这种传感器不固定在喷枪上。涂层的产生与测量的联系此时，需要测量四组参数： (1)高温气体携带的高温喷射流。测量技术在喷涂过程中使基底和涂层的热量得以控制，由于高温气体在喷嘴出口下游处进行扩散，喷射流的热量随着喷射距离的拉长急剧下降（几乎成倍的下降）。对于含有商业温度计的轴对称喷枪，通常用于测量热量在 5MW/量的喷射流的温度。对于更高热量的喷射流，使用者一般会设计专用的温度计，这样的温度计核心部分是由面积在十到几百平方毫米之间的表面、高压水冷装置（达到 3和环绕的环形温度计组成，这个环形温度计也是水冷的。温度计能够改动自由气体流的温度是一个比较难以解释的问题。 (2) 在预加热、喷涂、冷却阶段基底和涂层的温度。因为波长为 6红外线对粒子、高温气体和高温粒子的辐射不敏感，因此这些温度能够被波长为 6红外线高温温度计所测到，如统就存在这样的高温温度计。红外线温度记录10 仪也得到了广泛的应用，但这种热成像摄像机比高温温度计成本更高。 (3) 喷涂过程中应力的产生。为了在喷涂过程中检测原位压力的形成，喷涂过程的不同阶段（预加热、喷涂、冷却）和基底与涂层的温度通过金属梁的曲率不断被记录。 (4) 涂层厚度。涂层厚度是监测和控制喷涂过程最重要的参数之一。此时，大多数测量一般是在喷涂结束后进行的，此外涂层厚度检测费时且具有破坏性。最近涂层测量的产生了一个新奇的方法，能够在单个喷涂沉积过程中在线、实时、非接触的对涂层厚度进行测量。这种方法利用激光在新旧图层边缘处的投影和录涂层的轮廓。这种测量不受涂层 /基底的特性、表面粗糙和涂层的热膨胀的影响，对柱状涂层的在线测量的精度大约为 5 5 等离子喷涂的在线监测与控制传感器测量粒子的温度与速度本节汇总了前几节传感器的研究成果，并且展示了传感器能够更好的帮助人们控制喷涂过程。经过一个长期的实验研究，展示的第一个研究结果表明喷射流粒子温度与速度能够改变喷枪焊条的耐磨性。一个枪，每小时停止 /启动平均，已经工作 50 个小时，在这个喷枪标定的工作条件下，也就是恒定电流和调整后的电弧下，测定粒子速度与粒子温度如图 4 所示。图 4 也显示了电弧消散于净能量改变。喷涂粒子的状态和喷枪的特点的改变对喷涂时间长短是十分重要的，并且为保证粒子温度与速度尽可能不受影响，论证了改变喷涂参数的必要性。通过对相同输入功率的不同喷枪的喷涂粒子沉积效率和涂层的孔隙率进行比较，发现增大电弧电流或提高氢气流量能够得到不同的涂层性能。另一项研究表明，送粉气的径向输入角度、氢气的含量与电弧电流对稳定的氧化钇、氧化锆等离子喷涂涂层的微观结构有很大影响。人利用喷射角度系统比较了 2涂的影响，发现在合气体下的等离子喷涂比合气体能够得到更高的喷涂温度和较低的喷涂速度。虽然得到的涂层有相近的硬度，但 400 度的热处理后比感器通过控制涂层中石墨的含量来优化喷涂过程中铸铁的使用率。石墨碳的含量与对应的一系列的喷射流粒子的温度和速度是确定的。张等人研究了喷涂粒子参数对稳定的氧化钇、氧化锆等离子喷涂涂层的离子传导的影响。王等人展示了用两个送粉管道修裁氧化铝涂层。方等人研究了喷涂条件11 对子参数的影响。人研究了在大气下改变涂材料粉末对喷涂粉末沉积的影响。研究权威认为，在高温粒子喷射流中捕获的未熔化的粒子在这些等离子喷涂条件下能够提高含量。正如图 5，这样的测量被个图表就针对各类喷枪的工作条件和控制向量识别对二次气流与电弧电流粒子速度、温度的影响区分了粒子的状态。人估计了监测粒子喷涂阶段关键参数正确选择的一些控制协议的存在。在一个狭窄的范围使用三角形的氧化钇（ 8氧化锆粒子，通过改变喷枪关键的传递参数控制喷涂粒子的状态。单粒子测量方法测定的粒子状态速度的变化（低于 1%）和温度的变化是惊人的稳定（低于 4%）。整体测量方法产生了稍高的变化（温度误差为 5%），尽管如此，像涂层厚度和重量等基本属性的变化特别的大。喷射粒子温度和速度的测量能够更好的了解新型等离子喷枪的操作模式，如包括三个阴极和一个阳极的枪，基于这种构造，才能考虑三个等离子喷射流在喷枪内部汇集成一个的等离子喷射流，因此，这种喷射流粒子处理方式与一个喷嘴或者两个喷嘴的粒子喷射流处理的方式不同。当两个喷嘴时，送粉气的速度较低，并且粒子的穿透能力更强，而当一个喷嘴输入送粉气时，由于送粉气的速度较高，因此注入时需要更大的能量，如图 6 所示，弧间”，将喷射流处的喷粉称为“近电弧”。在使用三个喷嘴的条件下，如图 6 显示对结果表明，喷射流的粒子在情况 1 气体速度 250m/s 对于净功率为获得最高的温度，情况 2 和 3 分别在净功率度 1140m/s 和净功率度 1940m/s 下得到最高温度。在这三种情况下，在喷射流中注入喷涂粉末能够更高的粒子温度，权威界称此类现象为“樊笼效应”。张和义了一组无量纲的参数（描述粒子的飞行状态，熔度指数（通过粒子的停留时间与形状大小来规范给出粒子的测量表面，从而来描述粒子的熔化状态。粒子影响通过雷诺数（来实现对粒子状态的描述。通过对多种喷涂材料和一种或多种情况下大气等离子喷枪得到数据的大量甄别，图 7 显示了第一阶段广义的流程图。每种材料的送粉器都得到了优化，因此在每个条件下喷射流粒子都能够获得最大的温度和最高的热量转化。根据金属熔化温度，铝在图表的最底部，而钼和钨在图表的最顶端。另外，粒子的熔化温度与其表面温度不一定有关：低导热材料可以呈现出一个重要的温度梯度，金属氧化层也很重要。粒子熔化的百分比取决于粒子的形态大小、导热系数、熔化潜热和在粒子喷枪的停留时间。最后，研究表明，粒子的速度对粒子的扁平度影响不大。图表 7展示了单个粒子的，在第一阶段的据图上很容易看出，低熔点的铝表现最大的，而钨则表现最低的，尽管钨在第一阶段然而，正如人演示的那样，只要熔化的粒子平铺在基底上，粒子的扁平程度就认为不仅与粒子速度有关，也与基底的润湿性、粗糙度、偏斜度和吸附物与冷凝物的蒸发性有关。因此用计算扁平速度的无量纲参数韦伯数来描述粒子压平过程的特征。在限和粒子熔化温度之间，考虑粒子温度的分布，义了完全熔融和在一定区域内部分熔融的面积的比率之和，这个比率称为喷射流的熔融指数（。根据研究表明，在整个喷涂过程中这种测量方法能够提供满足熔化的要求质量，大量的熔融粒子流与喷射涂层的厚度比温度和亮度的平均量更加相关，然而，熔融的粒子流的测定需要像样能够监测喷射流粒子在穿过整个喷射羽流时的速度的传感器。在喷射羽流纳入涂层中的粒子是喷射粒子的子集，其中主要是那些熔化的粒子。喷射流粒子整体熔化（特点与完全熔化略有不同，通常以喷射粒子体积更小、温度更高、速度更快为特点，体积的加权计算消除了喷射流中固有存在的较小粒子对直接平均数量的影响。检验涂层性能尽管在喷涂粒子状态看到到了小变化，但在涂层的性能上能够看到实质的变化。为了能够建立喷射流粒子的性质与涂层特性的联系，在喷涂过程中还需要记录其他的参数，如涂层温度变化平均速率、压力分布变化、喷射方式，与涂层性能有关的如孔隙率、相位容量、氧化物含量、热力学性能。喷涂模式对涂层的质量性能是很重要的参数，也就是说喷射速度、喷射信号、喷射距离等与运动学和涂层形成的几何参数对涂层的喷涂质量十分重要。正如人解释的那样，“ 为高质量热喷涂设计的机器运行轨迹应该是一个精确的运动学定义与控制的集成，同时也应该在喷涂沉积阶段给出最优的热喷涂指导 ”。在热喷涂领域机器运动轨迹的产生使尽可能减少涂层的波动、统一涂层的厚度、完美的控制涂层温度的渐变过程成为了可能。控制涂层的变化温度取决于送粉气携带的高温粒子流的热量和通过的厚度，机器人控制等离子喷涂模式的应用提高了喷涂涂层的可靠性和再加工性。机器控制能够通过线程序编制和离线程序编制两种方法实现程序化控制，在线程序编制方法容易操作但难以应用在复杂的加工过程，并且一般不能计算出基底热量的转变；离线程序编制技术能够得到更多的测量结果，并且可以考虑当时的热负荷。人应用离线程序编制技术已经掌握出了基底表面的热负荷热量向模型上的转移，移动的热点描述了编13 程喷涂路径，从等离子体和高温粒子到底了转移的热量。在模拟喷涂时，机器编程工具每个节点的加载时间需要考虑喷枪与基底的相对移动速度。在基底上高温喷射流可以近似看做是高斯分布，根据喷枪方向与基底在某个点的轨迹的相关性来调整每一个节点。这种方法要求高在高温喷射流的不同位置处，应该首先对高温气体携带的高温粒子流进行测定。正如前面所强调的，一方面，在喷涂过程期间和喷涂之后喷射流中的粒子参数和基底与涂层的转变温度之间的关系仍然不是很明确。例如，人基于粒子飞行动态特性的模型来解释层微观结构的变化和根据喷枪参数来解释一样说得通，甚至更合理。人也发现了粒子温度和速度的差异能够通过喷涂过程和传感器的敏感性使得系统进行识别。这些测量与涂层本身特性相结合为涂层的设计提供思路，如果弹性系数能够合理的描述涂层特性，特别是在热力学的沉积下，那么接收到的非线性图像就能够认为涂层是多孔隙的。由于对喷涂过程不同阶段（喷射流喷射阶段和沉积阶段）的检测和它们之间的相互联系，人和人从对不同形态的涂粉末（多面体、空心球体和固体球体）得到的喷涂过程涂层结构涂层性能之间的关系中得到了结论。喷涂工艺的第一阶段描述的是粒子飞行状态、喷涂模式喷枪参数和原料供应特点之间的关系，通过少量组数的参数能够对第一阶段接收到关于各种粉末形态的信号进行统一的评估，从而确定了独立粒子的输入和第一阶段喷涂工艺的构造。从上面得到的结果中，第二阶段通过涂层特性和飞行的粒子状态的关键比较来描述喷涂材料的反应。然而，他们强调喷涂后特征的金相学、压痕和导热系数与喷涂条件和特别是破坏性技术的涂层准备倾向于有更高的内在变异性。在喷涂的涂料在基底上发生的热循环，使原有的曲率传感器技术通过多步 /破坏性的表征技术和提供评估变化的手段来寻找最小无差的来源。在这种情况下，代表不同粒子含量轮廓的第二阶段流程图。例如，图 8 显示的是叠加在的热导率、压痕穿透厚度系数、面内弯曲系数。用五个不同的热喷涂过程来进行层的喷涂，粒子气温速率窗口显示的是从低温低速状态（超音速低温状态（，以及两种状态之间的状态。通过原位监测涂层沉积显示的高温粒子高动能下压应力增量和通过喷丸强化应变硬化来获得粒子状态与进化的涂层应力之间相互联系。因此，涂层硬度表现出对残余应力变化很强的依赖性，涂层的弹性模量则强烈的依赖于涂层的致密性涂层内部的粘合性，然而，涂层的导电率和导热率对涂层间的瑕疵（层间的氧化物和空隙率）非常的敏感。同时，发现残余应力也取决于送粉速度、喷涂模式等其他参数。因此，如图 8显示的第二喷涂阶段，只要能够保持这两个喷涂参数的恒定就能够提高喷涂涂层的可靠性。 14 谭等人利用一个新的厚度均匀统一的空心粉末壳，使用流程映射策略来控制涂层缺陷的微观结构和热障涂层的性能。涂层性能、涂层微观结构和后处理的结合使得通过优化原料和加工工艺生产高度兼容、低电导率的热障涂层成为了可能。等离子喷涂的工艺流程图使喷涂过程参数、涂层微观结构、涂层性能和热障涂层的微观结构与特性之间建立了相关性。人尝试着发展等离子喷涂工艺的实时控制技术，他们的所做工作包括测量粒子飞行参数、改变喷涂模式（包括喷嘴的位置）、调整喷枪输入功率来保持粒子的参

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