【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置及方法，属于热喷涂涂层。
技术介绍
1、大气等离子体喷涂(aps)和液料等离子体喷涂(sps)工艺因其涂层沉积速率高，厚度可调控范围大，设备和工艺成本相对较低，适用面广，在大尺寸和厚热障涂层的制备方面具有较大的优势，是制备航空发动机、燃气轮机涡轮/透平热端部件用热障涂层陶瓷层的典型工艺之一。
2、aps方法制备涂层的性能与其微结构密切相关。aps工艺的基本过程是：粉末颗粒被载气送入高温高速的等离子体射流，在等离子体的加热和加速作用下，以熔融或半熔融的状态高速撞击衬底，迅速铺展并冷却固化，最终形成扁平的单片层(splat)。大量单片层不断堆叠，最终形成宏观尺度的涂层。
3、单片层是aps涂层的特征单元。单片层的形貌及单片层之间的堆叠特征决定了涂层的微结构。公开发表的论文中专注于单片层形成过程的实验和模拟研究数量并不多，但有关涂层的微结构或性能的研究几乎都会以这些基础研究为依据。以单片层为对象的基础研究主要集中在法国、美国、德国和日本等，国内的西安交通大学和中国科学院上海硅酸盐研究所等高校和科研院所在这一领域亦作出了一定贡献。文献调研显示影响单片层形成的因素可分为三类，分别是：与粉体/熔滴自身理化状态相关的主体因素、与沉积涂层的衬底相关的客体因素以及环境因素等。文献报道的熔滴沉积铺展习性研究较多集中在金属或合金，对陶瓷粉体熔滴的沉积铺展研究较少；对于基材表面粗糙度的调控多以喷砂或打磨方式实现，而不是接近工程实际的在不同粗糙度的结合层表面进行；沉积面的
技术实现思路
1、为此，本专利技术的目的在于提供一种考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置及方法，为实现在短时间内迅速提升基体温度以避免基体表面严重氧化的目的。
2、一方面，本专利技术提供了一种考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，包括：
3、产生熔滴束的热喷涂喷枪；
4、作为熔滴沉积衬底的工件；
5、设置在热喷涂喷枪和工件之间的熔滴束流约束单元；
6、用于工件加热的感应加热单元；
7、用于监测工件温度的非接触式红外测温单元；
8、以及用于接收非接触式红外测温单元温度信号并通过调控工件温度的反馈控温单元。
9、本专利技术中，模拟航机燃机典型热端部件热障涂层陶瓷层制备的工艺条件，获取陶瓷粉体经等离子体焰流实际加热加速熔滴的沉积铺展和冷却固化形成的单片层形态。在aps/sps工艺中，宏观的涂层是由众多熔滴沉积铺展、固化形成的单片层堆叠而成的。对这一涂层的基本单元形成过程的深入认识和有效控制是可控制备热障涂层陶瓷层的基础。
10、较佳的，还包括用于携持和操作热喷涂喷枪的机械手。
11、较佳的，还包括：用于固定工件的工件固定装置；优选工件和工件固定装置之间通过螺纹连接。
12、较佳的，所述熔滴束流约束单元包括：设置有喷涂孔的遮护板；优选，所述遮护板的厚度为4～6mm，所述喷涂孔的孔径为5～7mm；
13、其中，热喷涂喷枪和工件分别位于遮护板两侧，且控制热喷涂喷枪和工件位置使得热喷涂喷枪产生的熔滴束通过喷涂孔沉积到工件表面。
14、较佳的，所述非接触式红外测温单元设置与工件同一侧的遮护板上，用于非接触式监测工件温度；
15、优选地，所述非接触式红外测温单元为红外测温仪，响应时间10ms，有效测温范围为250～1400℃；所述红外测温仪的红外探头和工件之间的距离被设定为100～150mm。
16、较佳的，所述反馈控温单元分别通过信号线连接非接触式红外测温单元和感应加热单元；
17、所述反馈控温单元为数字显示控制仪，包括：显示屏或显示触摸屏中一种、上限报警指示灯和越下限报警指示灯。
18、较佳的，所述感应加热单元包括：缠绕在工件表面的感应线圈；以及与感应线圈相连的高频感应加热设备。
19、较佳的，所述高频感应加热设备包括：与反馈控温单元连接的高频感应加热设备主机、连接感应线圈相连的高频感应加热设备分机，且高频感应加热设备主机和高频感应加热设备分机之间通过电缆连接；
20、优选地，所述高频感应加热设备分机的最大输出功率为25kw，输出振荡电流200～1000a，振荡频率30～80khz；
21、优选地，所述感应线圈内径20mm，有效加热长度为25mm；
22、所述高频感应加热设备主机包含显示屏或显示触摸屏中一种、电流调节旋钮和启停控制开关。
23、又，较佳的，所述反馈控温单元和高频感应加热设备主机设置在喷涂室外；所述高频感应加热设备分机、热喷涂喷枪、工件、熔滴束流约束单元、非接触式红外测温单元设置在喷涂室内。
24、另一方面，本专利技术提供了一种考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的方法，采用上述考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，采用大气等离子体喷涂(aps)和液料等离子体喷涂(sps)工艺，将原料粉体喷涂在工件表面并对原料粉体形成的熔滴沉积铺展和冷却固化习性进行分析，进而实现工件表面涂层的表面粗糙度和沉积温度的有效调控。
25、较佳的，所述大气等离子体喷涂(aps)或液料等离子体喷涂(sps)工艺包括：采用ar+h2或ar+n2+h2为等离子体气体；
26、选用喷枪分别为oerlikon metco的f4mb和mettech的axial iii，喷枪功率分别为40～45kw和105～115kw，喷涂距离分别为80～120mm和60～90mm。
27、较佳的，所述工件包括：高温合金为基材以及高温合金基材表面沉积mcraly结合层(m＝co、ni或co+ni)；所述mcraly结合层的表面粗糙度ra的变化范围为0.1～15μm。其中，所述高温合金包括多晶镍基合金基材、单晶镍基合金基材、单晶钴基合金基材和多晶钴基合金基材中的一种。
28、较佳的，控制携持热喷涂喷枪的机械手使得，处于送粉/送料状态的熔滴束在机械手带动下以0.3～1.0m/s的速度正面扫过遮护板中喷涂孔，控制热喷涂喷枪的枪口与工件表面的距离为60～120mm。
29、有益效果：
30、本专利技术中，考察样品(工件)表面沉积陶瓷单片层后，可直接用于表面和截面的微观形貌分析，对基于熔滴沉积铺展机制获取的aps和sps单片层的组成和结构解析提供了可靠数据，也可为aps和sps工艺的高效优化提供了便捷。对这一涂层的基本单元形成过程的深入认识和有效控制是可控制备热障涂层陶瓷层的基础，意义重大。利用本专利技术装置，可以实现在短时间内迅速提升基体温度以避免基体表面严重氧化的目的。
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1.一种考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，还包括用于携持和操作热喷涂喷枪的机械手。
3.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，还包括：用于固定工件的工件固定装置；优选工件和工件固定装置之间通过螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，熔滴束流约束单元包括：设置有喷涂孔的遮护板；优选，所述遮护板的厚度为4～6mm，所述喷涂孔的孔径为5～7mm；
5.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，所述非接触式红外测温单元设置与工件同一侧的遮护板上，用于非接触式监测工件温度；
6.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，所述反馈控温单元分别通过信号线连接非接触式红外测温单元和感应加热单元；
7.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置
8.根据权利要求1-7中任一项所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，所述高频感应加热设备包括：与反馈控温单元连接的高频感应加热设备主机、连接感应线圈相连的高频感应加热设备分机，且高频感应加热设备主机和高频感应加热设备分机之间通过电缆连接；
9.根据权利要求8所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，所述反馈控温单元和高频感应加热设备主机设置在喷涂室外；所述高频感应加热设备分机、热喷涂喷枪、工件、熔滴束流约束单元、非接触式红外测温单元设置在喷涂室内。
10.一种考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，采用大气等离子体喷涂(APS)和液料等离子体喷涂(SPS)工艺，将原料粉体喷涂在工件表面并对原料粉体形成的熔滴沉积铺展和冷却固化习性进行分析，进而实现工件表面涂层的表面粗糙度和沉积温度的有效调控。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述大气等离子体喷涂(APS)或液料等离子体喷涂(SPS)工艺包括：采用Ar+H2或Ar+N2+H2为等离子体气体；
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述工件包括：高温合金为基材以及高温合金基材表面的MCrAlY结合层(M＝Co、Ni或Co+Ni)；所述MCrAlY结合层的表面粗糙度Ra的变化范围为0.1～15μm。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，控制携持热喷涂喷枪的机械手使得，处于送粉/送料状态的熔滴束在机械手带动下以0.3～1.0m/s的速度正面扫过遮护板中喷涂孔，控制热喷涂喷枪的枪口与工件表面的距离为60～120mm。
...【技术特征摘要】
1.一种考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，还包括用于携持和操作热喷涂喷枪的机械手。
3.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，还包括：用于固定工件的工件固定装置；优选工件和工件固定装置之间通过螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，熔滴束流约束单元包括：设置有喷涂孔的遮护板；优选，所述遮护板的厚度为4～6mm，所述喷涂孔的孔径为5～7mm；
5.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，所述非接触式红外测温单元设置与工件同一侧的遮护板上，用于非接触式监测工件温度；
6.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，所述反馈控温单元分别通过信号线连接非接触式红外测温单元和感应加热单元；
7.根据权利要求1所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，所述感应加热单元包括：缠绕在工件表面的感应线圈；以及与感应线圈相连的高频感应加热设备。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的考察等离子体喷涂过程熔滴沉积铺展习性的装置，其特征在于，所述高频感应加热设备包括：与反馈控温单元连接的高频感应加热设备主机、连接感应线圈相连的高频感应加热设备分机，且高频感...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵华玉，杨加胜，邵芳，庄寅，倪金星，盛靖，钟兴华，陶顺衍，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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