一種超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法與流程

本發(fā)明涉及等離子噴涂技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著等離子噴涂技術(shù)自身的飛速發(fā)展以及噴涂粉末制備工藝的日趨成熟，目前已能夠?qū)⒍喾N金屬、陶瓷、金屬陶瓷及其它復(fù)合材料制備為性能優(yōu)于基體的耐高溫、耐磨損、耐腐蝕及各類功能涂層(例如防垢殺菌涂層、超疏水防覆冰涂層、隱身吸波涂層、壓電智能傳感涂層等)。但是大量的噴涂實(shí)踐表明，涂層內(nèi)部的缺陷含量(孔隙、氧化夾雜、微裂紋等)、殘余應(yīng)力、沉積效率、力學(xué)性能(結(jié)合強(qiáng)度、內(nèi)聚強(qiáng)度、彈性模量、顯微硬度等)、組織結(jié)構(gòu)等均會(huì)隨著熔滴沉積質(zhì)量或基體狀態(tài)的不同而發(fā)生顯著變化，直接影響到涂層的服役性能及壽命。

但是，目前的涂層工藝優(yōu)化過程較為繁雜，大多是在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)選取若干組參數(shù)，隨后根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、田口試驗(yàn)、正交試驗(yàn)、完全析因設(shè)計(jì)等方法確定最優(yōu)噴涂參數(shù)，其主觀性較強(qiáng)，無法從根本上找到涂層產(chǎn)生不同變化的原因，這也直接導(dǎo)致了涂層體系創(chuàng)新速度緩慢，新材料從研發(fā)到投入使用需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的周期。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法，以解決上述技術(shù)問題。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法，包括如下步驟：

獲取斑點(diǎn)：獲取涂層中的單個(gè)凝固斑點(diǎn)；

數(shù)字形貌提取：提取凝固斑點(diǎn)的邊緣形貌；

計(jì)算參數(shù)：根據(jù)邊緣形貌計(jì)算凝固斑點(diǎn)幾何形貌評(píng)價(jià)參數(shù)，該參數(shù)包括固化指數(shù)、圓度、離心率及分形維數(shù)；

優(yōu)化工藝方法：根據(jù)上述計(jì)算的參數(shù)數(shù)值，對(duì)超音速等離子噴涂工藝中的各步驟進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

進(jìn)一步的，獲取斑點(diǎn)時(shí)，粒子撞擊在基體上形成凝固斑點(diǎn)，在獲取斑點(diǎn)步驟之前，對(duì)基體進(jìn)行超聲清洗，去除基體表面污染物。

進(jìn)一步的，數(shù)字形貌提取為將凝固斑點(diǎn)與基體分離，具體為：

通過閾值計(jì)算方法對(duì)所述凝固斑點(diǎn)的掃描電子顯微圖像進(jìn)行二值化處理；

采用label函數(shù)對(duì)凝固斑點(diǎn)的二值圖進(jìn)行標(biāo)注，并將單個(gè)連通域最大的區(qū)域設(shè)定為凝固斑點(diǎn)區(qū)域；

采用形態(tài)學(xué)處理方法對(duì)凝固斑點(diǎn)進(jìn)行濾波處理，包括數(shù)字圖像的膨脹算子與腐蝕算子；

采用candy算子提取凝固斑點(diǎn)的邊界，最終完成邊緣形貌的提取。

進(jìn)一步的，計(jì)算參數(shù)步驟中，具體的計(jì)算方法為：

固化指數(shù)：通過計(jì)算凝固斑點(diǎn)面積與其邊界包絡(luò)線面積之比，提取凝固斑點(diǎn)的固化指數(shù)；

圓度：以凝固斑點(diǎn)的最大內(nèi)切圓與最大外切圓的比值作為其與圓形凝固斑點(diǎn)的接近程度；

離心率：以凝固斑點(diǎn)的質(zhì)心為中心，質(zhì)心的計(jì)算方式為：

其中，E(j,i)表示凝固斑點(diǎn)二值圖的矩陣形式，x_i、y_j分別表示矩陣的第i列元素和第j行元素，m，n分別表示矩陣的總列數(shù)與總行數(shù)，以最小外切圓的半徑作為橢圓的長(zhǎng)半軸a，隨后縮尋找一個(gè)最小的短半軸b作橢圓，并使橢圓能夠完全覆蓋凝固斑點(diǎn)的所有像素點(diǎn)，此時(shí)長(zhǎng)半軸a與短半軸b的比值即為凝固斑點(diǎn)的離心率；

分形維數(shù)：采用沙盒法覆蓋凝固斑點(diǎn)邊緣，初始盒子的邊長(zhǎng)為凝固斑點(diǎn)邊長(zhǎng)的1/10，以凝固斑點(diǎn)邊長(zhǎng)1/100的長(zhǎng)度逐漸遞減，分別提取盒子邊長(zhǎng)ε(N)，以及此時(shí)覆蓋有凝固斑點(diǎn)的正方形個(gè)數(shù)N，則ε(N)與N之間滿足關(guān)系：

N(ε)∝ε^-D

其中，D為凝固斑點(diǎn)的分形維數(shù)。

進(jìn)一步的，優(yōu)化工藝方法步驟中，具體的：

當(dāng)圓度小于0.43時(shí)，需要調(diào)整制粉工藝或調(diào)整相應(yīng)的噴涂參數(shù)；

當(dāng)離心率小于0.47時(shí)，需要調(diào)整等離子噴槍的噴涂角度；

當(dāng)固化指數(shù)小于0.546時(shí)，需要降低噴涂功率或提高主氣流量；

在上述三類參數(shù)滿足條件之后，通過優(yōu)選凝固斑點(diǎn)分形維數(shù)則作為噴涂參數(shù)最終選取的主要指標(biāo)，凝固斑點(diǎn)類型判定的依據(jù)為：

在噴涂過程中，優(yōu)選圓盤型粒子凝固類型。

進(jìn)一步的，獲取斑點(diǎn)時(shí)，通過超音速等離子噴槍向基體噴射等離子射流，等離子射流中的粒子穿過擋板上的孔撞擊到基體上；

其中，孔的直徑為1mm，相鄰的孔之間的距離為500mm。

進(jìn)一步的，所述超音速等離子噴槍移動(dòng)速度設(shè)定為6m/min，將送粉量當(dāng)量設(shè)定為3。

進(jìn)一步的，所述擋板表面的粗糙度Ra＝1.5μm。

進(jìn)一步的，掃描電子顯微鏡的拍攝模式為二次電子，電壓5-10kV。

進(jìn)一步的，通過濃度為97.5％的乙醇對(duì)基體進(jìn)行超聲清洗。

本發(fā)明提供的一種超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法，具體操作時(shí)，先獲取單個(gè)的凝固斑點(diǎn)，得到熔滴凝固斑點(diǎn)的數(shù)字形貌圖，根據(jù)數(shù)字形貌圖，計(jì)算固化指數(shù)、圓度、離心率及分形維數(shù)參數(shù)值，參考參數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)熔滴凝固類型的定量判定，可得到相應(yīng)的涂層優(yōu)化方向；如，圓度小于0.43時(shí)，說明需要調(diào)整制粉工藝或調(diào)整相應(yīng)的噴涂參數(shù)；離心率小于0.47時(shí)，需要調(diào)整等離子噴槍的噴涂角度；當(dāng)固化指數(shù)小于0.546時(shí)，需要降低噴涂功率或提高主氣流量；三者都滿足條件時(shí)，通過優(yōu)選凝固斑點(diǎn)分形維數(shù)則作為噴涂參數(shù)最終選取的主要指標(biāo)，在噴涂過程中，優(yōu)選圓盤型粒子凝固類型。

該超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法，方法簡(jiǎn)單，優(yōu)化方法通過計(jì)算參數(shù)獲得，更加精確，具有一定的客觀性，更加的科學(xué)高效。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法的流程框圖；

圖2是本發(fā)明提供的超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法的凝固斑點(diǎn)獲取過程示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法的凝固斑點(diǎn)數(shù)字形貌提取原理示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法的凝固斑點(diǎn)固化指數(shù)計(jì)算原理示意圖；

圖5是本發(fā)明提供的超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法的凝固斑點(diǎn)圓度計(jì)算原理示意圖；

圖6是本發(fā)明提供的超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法的凝固斑點(diǎn)離心率計(jì)算原理示意圖；

圖7是本發(fā)明提供的超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法的凝固斑點(diǎn)分形維數(shù)計(jì)算原理示意圖。

圖中：

1、粒子；2、基體；3、擋板；4、孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

從微觀角度來看，等離子噴涂涂層是由噴涂粒子經(jīng)等離子弧加熱熔化之后，以較高的速度撞擊基體并迅速鋪展凝固、粒子之間相互搭接、逐層堆垛所形成的，因而噴涂熔滴的鋪展凝固現(xiàn)象是涂層成形過程中最基本的理化行為。

這一過程實(shí)際上是一個(gè)發(fā)生在微米級(jí)空間尺度、亞微秒級(jí)時(shí)間尺度上的物理現(xiàn)象，比如，真空等離子噴涂Ti6Al4V熔滴在Ti基體上的冷卻速度為10⁶℃/s，凝固界面推進(jìn)速度約為63cm/s，熔滴完全凝固所需時(shí)間僅為0.4μs，固化后的厚度約為3μm。這其中經(jīng)歷的不同凝固過程直接影響到整體涂層的物相轉(zhuǎn)變、缺陷生長(zhǎng)及殘余應(yīng)力等關(guān)乎涂層質(zhì)量的指標(biāo)。單個(gè)熔滴的凝固形貌在很大程度上能夠反應(yīng)這些指標(biāo)與涂層宏觀性能之間的關(guān)系，因而對(duì)單個(gè)熔滴凝固行為的定量研究對(duì)更加科學(xué)地進(jìn)行涂層優(yōu)化設(shè)計(jì)，從粉末結(jié)構(gòu)、成分、物相到工藝參數(shù)、基體預(yù)處理狀態(tài)等過程，起到十分重要的作用。

基于上述原理，如圖1-7所示，一種超音速等離子噴涂工藝涂層優(yōu)化方法，包括如下步驟：

獲取斑點(diǎn)：獲取涂層中的單個(gè)凝固斑點(diǎn)；

如圖2所示，獲取斑點(diǎn)時(shí)，粒子1撞擊在基體2上形成凝固斑點(diǎn)，在獲取斑點(diǎn)步驟之前，通過濃度為97.5％的乙醇對(duì)基體2進(jìn)行超聲清洗，去除基體2表面污染物。通過超音速等離子噴槍向基體噴射等離子射流，等離子射流中的粒子1穿過擋板3上的孔4撞擊到基體2上，超音速等離子噴槍移動(dòng)速度設(shè)定為6m/min，將送粉量當(dāng)量設(shè)定為3，這樣也可以達(dá)到在一定程度上減少凝固斑點(diǎn)之間相互干擾的目的；孔4的直徑為1mm，相鄰的孔4之間的距離為500mm，這樣既可以確保凝固斑點(diǎn)的收集效率，又可以達(dá)到避免凝固斑點(diǎn)相互連接的目的；擋板3表面的粗糙度Ra＝1.5μm，擋板3的表面較為光滑，在擋板3上的涂層可自動(dòng)掉落，可多次使用。通過調(diào)節(jié)等離子噴涂工藝參數(shù)，包括Ar，H₂，N₂，電流，噴涂距離，噴涂角度等，可以獲得不同參數(shù)下的熔滴凝固形貌。

數(shù)字形貌提取：提取凝固斑點(diǎn)的邊緣形貌；

如圖3所示，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡提取凝固斑點(diǎn)的灰度形貌(圖3a)，掃描電子顯微鏡的拍攝模式為二次電子，電壓5-10kV。通過閾值計(jì)算方法對(duì)凝固斑點(diǎn)的掃描電子顯微圖像進(jìn)行二值化處理(圖3b)，閾值計(jì)算方法采用最佳全局值處理Ostu’s法；采用label函數(shù)對(duì)凝固斑點(diǎn)的二值圖進(jìn)行標(biāo)注(圖3c)，并將單個(gè)連通域最大的區(qū)域設(shè)定為凝固斑點(diǎn)區(qū)域(圖3d)；采用形態(tài)學(xué)處理方法對(duì)凝固斑點(diǎn)進(jìn)行濾波處理(圖3e)，包括數(shù)字圖像的膨脹算子與腐蝕算子；采用candy算子提取凝固斑點(diǎn)的邊界(圖3f)，最終完成邊緣形貌的提取。

計(jì)算參數(shù)：根據(jù)邊緣形貌計(jì)算凝固斑點(diǎn)幾何形貌評(píng)價(jià)參數(shù)，該參數(shù)包括固化指數(shù)、圓度、離心率及分形維數(shù)；

如圖4-7所示，固化指數(shù)：通過計(jì)算凝固斑點(diǎn)面積與其邊界包絡(luò)線面積之比，提取凝固斑點(diǎn)的固化指數(shù)，依據(jù)固化指數(shù)的大小判定凝固斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)噴涂粒子的熔化狀態(tài)；

圓度：以凝固斑點(diǎn)的最大內(nèi)切圓與最大外切圓的比值作為其與圓形凝固斑點(diǎn)的接近程度，圓度越接近1，則表示與圓形的接近程度越高，而圓度越低則表示凝固斑點(diǎn)的形貌越趨近其它不規(guī)則形狀。當(dāng)熔滴的圓度小于0.43時(shí)，需要對(duì)噴涂粉末的制備方式進(jìn)行重新優(yōu)化，否則所制備涂層的結(jié)構(gòu)缺陷較多，內(nèi)聚強(qiáng)度不高

離心率：以凝固斑點(diǎn)的質(zhì)心為中心，質(zhì)心的計(jì)算方式為：

其中，E(j,i)表示凝固斑點(diǎn)二值圖的矩陣形式，x_i、y_j分別表示矩陣的第i列元素和第j行元素，m，n分別表示矩陣的總列數(shù)與總行數(shù)，以最小外切圓的半徑作為橢圓的長(zhǎng)半軸a，隨后縮尋找一個(gè)最小的短半軸b作橢圓，并使橢圓能夠完全覆蓋凝固斑點(diǎn)的所有像素點(diǎn)，此時(shí)長(zhǎng)半軸a與短半軸b的比值即為凝固斑點(diǎn)的離心率，離心率的取值范圍為(0，1)，越接近1說明此時(shí)凝固斑點(diǎn)的形貌越接近圓形，反之則說明凝固斑點(diǎn)的形貌更加偏向于細(xì)長(zhǎng)形。當(dāng)離心率的值小于0.47時(shí)，需要調(diào)整等離子噴槍的角度。

分形維數(shù)：采用沙盒法覆蓋凝固斑點(diǎn)邊緣，初始盒子的邊長(zhǎng)為凝固斑點(diǎn)邊長(zhǎng)的1/10，以凝固斑點(diǎn)邊長(zhǎng)1/100的長(zhǎng)度逐漸遞減，如圖7a、圖7b、圖7c和圖7d，分別提取盒子邊長(zhǎng)ε(N)，以及此時(shí)覆蓋有凝固斑點(diǎn)的正方形個(gè)數(shù)N，則ε(N)與N之間滿足關(guān)系：

N(ε)∝ε^-D

其中，D為凝固斑點(diǎn)的分形維數(shù)。

優(yōu)化工藝方法：根據(jù)上述計(jì)算的參數(shù)數(shù)值，對(duì)超音速等離子噴涂工藝中的各步驟進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

即通過計(jì)算不同凝固斑點(diǎn)特征參數(shù)之間的差異，決定工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)象，當(dāng)圓度小于0.43時(shí)，需要調(diào)整制粉工藝或調(diào)整相應(yīng)的噴涂參數(shù)；當(dāng)離心率小于0.47時(shí)，需要調(diào)整等離子噴槍的噴涂角度；當(dāng)固化指數(shù)小于0.546時(shí)，需要降低噴涂功率或提高主氣流量；

在上述三類參數(shù)滿足條件之后，通過優(yōu)選凝固斑點(diǎn)分形維數(shù)則作為噴涂參數(shù)最終選取的主要指標(biāo)，凝固斑點(diǎn)類型判定的依據(jù)為：

在噴涂過程中，優(yōu)選圓盤型粒子凝固類型。

本實(shí)施方式所能達(dá)到的有益效果為：

1、通過提高等離子噴槍的移動(dòng)速度、降低送粉量，以及在基體前預(yù)置擋板的方式，極大地提高了單個(gè)凝固斑點(diǎn)的收集效率與質(zhì)量；

2、通過提取凝固斑點(diǎn)數(shù)字掃描電子顯微圖像，結(jié)合數(shù)字圖像分析技術(shù)與數(shù)學(xué)形態(tài)處理方法，對(duì)凝固斑點(diǎn)進(jìn)行濾波，提高了凝固斑點(diǎn)幾何特征參數(shù)計(jì)算的精度；

3、通過分形維數(shù)、固化指數(shù)、圓度、離心率等參數(shù)對(duì)凝固斑點(diǎn)的幾何形貌進(jìn)行判定，可以實(shí)現(xiàn)熔滴凝固類型的定量判定；

4、結(jié)合各類凝固斑點(diǎn)的幾何特征參數(shù)分析，指導(dǎo)噴涂參數(shù)優(yōu)化，使得等離子噴涂工藝優(yōu)化過程更為科學(xué)高效。

以上結(jié)合具體實(shí)施例描述了本發(fā)明的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制?；诖颂幍慕忉?，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實(shí)施方式，這些方式都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。