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技术交流

等离子喷涂在我们生活中会经常使用,它的研究现状

发布时间:2018-9-26 8:35:24 | 信息来源:
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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征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。因此,几年来,发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。一般,粉末颗粒温度的确定基于测量粉末颗粒发射的双波长或多波长或色带的热辐射而获得。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)”,因为这些技术同时测量大量颗粒的性能,并直接得到这些参数的平均值。到目前为止,这些颗粒群技术还只能提供粉末颗粒温度的信息,但近期已开发了一种可以测粉末颗粒速度的颗粒群技术。

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用于生产环境,进行喷涂工艺的在线控制。这些技术通常以颗粒的热辐射测量为基础,并不使用其他附加光源,可以测量颗粒的速度、温度及尺寸分布。

3 层片形成和涂层堆积

为制备性能可严格控制并具有重现性的涂层,要求充分地了解粉末熔滴撞击基底表面后发生的现象。在层片形成和涂层堆积的理解方面,已经取得了很大的进展,出现了很多测量技术。

得到有关层片形成信息的简单方法是使用光学显微镜、扫描电镜或原子力显微镜观察基底上的孤立层片。层片的几何形状也可以用表面轮廓测定仪测量。透过这样的观察,能够研究基底表面的具体准备情况(化学成分和粗糙度)及其温度对层片几何形状的影响。然而,这样的研究并没有全面理解层片形成过程中涉及的撞击过程和凝固现象,而这些恰恰是控制涂层形成的关键。为此,就要求确定单个粉末颗粒在撞击前的尺寸、温度和速度,并跟踪该熔滴在基底上的铺展过程和温度随时间的变化关系。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
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