優(yōu)化大氣等離子噴涂工藝設計,降低TBC熱障涂層生產成本

./TBCcoatingcostreductionbyoptimizatonoftheAtmosphericPlasmaSprayprocess優(yōu)化大氣等離子噴涂工藝,降低TBC〔熱障涂層生產成本S.Mihm,T.Duda,Birr/CH,G.Thomas,H.Grner,?gewil/CHandB.Dzr,Ilmenau/DThegloaleconomcgrowhhastrigrdadraaticncreseintedemadforresurcsoerthelastfwyears,resultinginseadyprceicrasesfrnergyadrwmaterals.Inthegastrbinemaufacturingsectr,processoptimizatinsofcost-intnsivepodctionstesivolveaheihtenedsavigspotntialandformthebassforscurngfuturecometitiveadvanagsnthemarketecnomy.全球經濟增長在過去的幾年中引發(fā)了對資源需求急劇增加,導致能源和原材料價格穩(wěn)步上漲。在燃氣輪機制造業(yè),對成本密集的生產工藝優(yōu)化具有成本節(jié)約的潛力并能為企業(yè)在將來市場經濟的競爭中打下堅實的基礎。Inthiscontext,theatmosphericplasmasraying<APS>processforthermalbarriercoatings<TBC>hasbeenoptimized.AconstraintfortheAPScoatingprocessoptimizatonistheueoftheexistingcoatingequipent.在這樣的大背景下,熱障涂層〔TBC的大氣等離子噴涂〔APS工藝得以改進優(yōu)化。而APS制備涂層工藝優(yōu)化的一個限制條件在于現(xiàn)有涂層設備的使用。Furthrmre,thecrrentcoatigqalityandchrctersicsrenotallwedtochngeinordertooidnwqualificationndtesting.此外,為了避免重新申請資質以及進行額外測試,還不能改變當前的涂層質量和性能。Usngexerenceinatoshercplmasprayingandepricallygaindata,theressptimizaionplnincldedthevariationofe.g.theplasmagascmpstionandflowrate,theelectricalpwr,thearraneentandangleoftheowerinectrstotheplmajet,thegrainszedstrbutionofthespraypwdrandthepasmatorchmovementocdurelkespraydstace,offsetaditeration.Inarticuar,pasmaproprtis<enthapy,velocity,temperatur>,powdrinjctioncoditins<injctionpoint,injctinspeed,granszedisriution,>swllastecoatiglamiation<coatigpattern,spryingdistac>areexamied.Theptimizedprcsadrsultigcatigwscoprdtothecurntsituationyseveraldignsticsmethos.在以往大氣等離子噴涂經驗和日常獲取的寶貴數(shù)據基礎上,我們的工藝優(yōu)化計劃包括一系列的改變,如等離子氣體組成,流量；用電,布局及粉末注入等離子流的角度,粉末的粒徑分布、等離子槍的移動〔如噴距、偏差以及重復性等。特別是等離子性能〔焓值、速度以及溫度,注粉條件〔注粉點、注粉速度、粒徑分布,以及還有涂層〔涂層形式,噴涂距離等方面做了重點研究。我們將優(yōu)化后的工藝及其所制備的涂層與當前普遍使用的幾種工藝采用不同的分析方法進行了對比。Theimrovdprcsprovidessignifcantlylowercstsbycievingtherquirmentofcomarblecoatingquality.Furtermre,acntributionwsmaetoabettercomrehesinoftheatmspricpasasrayingofceramcsndamethodforfutureprcsdevelpmntswsdefied.在同等涂層質量的前提下,優(yōu)化后的工藝能很大程度的降低生產成本。此外,我們對大氣等離子陶瓷粉末噴涂過程做了一些詳細描述,使其更加通俗易懂,同時,我們還了未來工藝的研發(fā)方法。1Introdution引言Plasmacoaedthrmalbarrieroatngs<TC>resccessfullyestablsdinthegasturinemanufcturgbsiesssncethesevnties[1].IntehotgassectionofgasturbinesBC`sfulfillhefunctiosofheralisultion,therefelowerigtetemperatureofthemetallcprtionoftheprt.Firigtemperatursintecmbustincambrboe130°Cndimitedlongtrmopratintemperatursofapprox.950°Cfortheetallicateralsresultingnhighreuirmentstocatingsystesnbads,vanesndcmbustrprts.從上世紀七十年代起,采用等離子技術制備的熱障涂層〔TBC成功應用到燃氣輪機制造業(yè)。在燃氣輪機的熱燃氣領域,熱障涂層滿足了隔熱的要求,從而降低了工件金屬部分的溫度。燃燒室的燒結溫度超過1300攝氏度,而大部分金屬材料的長期工作溫度在950攝氏度左右,這樣一來,就勢必導致旋片,小葉片以及燃燒室部件在噴涂時的高要求。Typicalthmalbrrircoatigsareulti-lyersystesasdonadplexsrcture,aensemetallcbondcoatlyer<matrial:MCrAlY,M-Niand/rC>andaproscramctpcoatlayer<materal:YSZ,yttrium-stabilizedzircona>,showninFig.1.典型的熱障涂層是一個以復式結構為基礎的多層系統(tǒng),包括致密金屬結合涂層〔材料如：MCrAlY,M-Ni和/或C,以及上層多孔陶瓷涂層〔材料如：YSZ,釔穩(wěn)定氧化鋯,如圖1所示。Fig.1.plasacoatdTBC-catingsstemonturbneblade圖1：輪機葉片上的熱障涂層系統(tǒng)〔等離子制備TheeseCrAlYcoatigprotecstebseaterialagaistcorroson/oxidatonadprovidsteconctionorthecermictopcot.Theprusceramictopcoatfunctionsinconnectionwiththeexternalndinternalcoonentcooligasathrmalbarrier.ConrarytothedeseCrlYcoatingadefinedorsityoftheYSZcoatingsncssarytocomesatestraindiffernceandtoredcethralcodc.Thsepccrquientspsechalengetothetechlogyforprducngsuchcoatigsstms.CrAlY致密涂層對母材起到了抗氧化防腐蝕作用,并同時實現(xiàn)了與表面陶瓷涂層的連接。表面多孔陶瓷涂層一來用于與里面的涂層相連,也為其所覆蓋的內部部件形成了一個熱障礙層,起到了冷卻的作用。相對于CrAlY致密涂層而言,固定孔隙率的YSZ涂層對拉力差異補償及降低導熱率來說是非常必要的。而這些特殊要求就對當今涂層生產技術提出了新的挑戰(zhàn)。Inadditintonsurecoatingquality,hemanufcturgcstsremorendoreinfcsofcurrntdeveopmens.除涂層質量外,制造成本也越來越成為了當前發(fā)展的焦點問題。TheprodctonofporosYSZcoatigsisdonebyAtmoshericplasmasraying<APS>.Usingthistechologyheplsatorchcostructionsoelimitingfactorforprocessmproveents.Forexapevoltageadpowerflctutionsinfleethearticeproertisegatively[2],[3],[4].Theuseofcylindrcalnozzedesignlimitsthepossibilityofadjstingteplsmaflow.Byseveralnwpasatorchcocts<multi-eecrode,casce,highpowr[5],[6],[7],[8]>newcharacteristcsarechievdwhichcancntribuetoardctioninmaufacturngcst.Thetraditioalsigl-cathod-aodeplasatorchbasednF4MC60istemostwidely-sedsystmforyears.spcallyinturbnemanufcturgthissystemissedforcoatigcompoentswithcompexgeomerisndaccrdngtothistaretedprodctextensivemnipulationsquecsofteplsmatrchisrequired.多孔YSZ涂層通過大氣等離子工藝〔APS進行噴涂。而采用該項技術進行工藝改造的關鍵限制因素是等離子槍的設計制造。如電壓和電流的波動會影響到粉末顆粒的性能[2],[3],[4]。圓柱形噴嘴的使用限制了等離子流調整的可能性。通過采用一些新的設計理念〔如多電極、串聯(lián)方式,大功率等[5],[6],[7],[8],等離子噴槍開發(fā)了一些新的性能,從而能達到降低生產成本的目的?；贔4/MC60基礎上制造的傳統(tǒng)單陰陽極等離子噴槍系統(tǒng)已經廣泛推廣并使用多年。特別是在輪機制造行業(yè),該系統(tǒng)用于復雜工件的噴涂,因為工件結構復雜,等離子噴槍的安裝工序就更繁雜一些。ForthecatingprocessfturbinecmponntswithporusYSZcoatingandaporsityclssof>15%,themanufcturgcstsecludngwerparsforadeprecatedequipentlkeF4withpicalcatigparmetersreshwninFig.2.輪機部件的YSZ多孔涂層噴涂工藝〔孔隙率大于15%的成本計算在圖12中做了圖示說明,采用典型參數(shù)進行噴涂,費用中不包含部件磨損和F4這樣的設備折舊費用。Fig.2.cstallocationofAPSprocessorporousYZcoatig,excludingwerpartsad deprciatdequipent圖2：采用APS工藝制備多孔YSZ涂層的成本計算圖,部件磨損及設備折舊費用不在計算范圍內Plasmaparameterswithatotalgasflowrate<30slpmandnrgn/hydrgenratioof4:1,aswellasaelectrcalpwerof<30kWrsultbyapowdrfeedrateof80g/minindpositinefficiency<ratioofdepsitedpwdrweighttofeededpwdrweight=DE>ofabot35%.Inrelationtocurrentcstsofemployee,eectrcity,gasesandpwder,theYSZpowderseisthemajrcstfactorofthecoatigprcss.Thencraenprcssecencybyustheexistingequipentwithnocageofcatigquality<orosity,porsitydistrbtion,coatigthicknss,sress,thermashkstabiliy>isbenefcalbecasenoadditioalinvestmentcossoccrandahighdereofexperieceinhandlingheequimetisretaind.Aparalleluseofalradyalifiedcoatigprcsseswththeexistigequimentispssbleswell.Inthiscontextanmproveentoftheplasatorchquientbasednasinglcathod-aoesstemwithsusqentcoatigparameeroptimizatinisone.Targetistoralizeamoreefficientprcsswithncresedeffectivecatigdeposition.等離子參數(shù)為：燃氣總流量<30slpm,氧氣/氫氣比率為4:1,功率小于30kW,這是因為35%左右的沉積效率〔粉末沉積重量除以送粉重量的比率=DE,送粉率的送粉速度為80g/min。按照目前的人工、用電、燃氣和粉末成本,YSZ粉末無疑是噴涂過程中的主要成本因素。通過使用現(xiàn)有噴涂設備,涂層質量保持不變〔孔隙率、孔隙率分布、涂層厚度、應力、熱震穩(wěn)定性的前提下,提高噴涂效率是非常有益的,因為并沒有產生額外的成本,并且工人以往積累的設備操作經驗也得以保留。更難能可貴的是,它并不影響在現(xiàn)有設備上使用以往的噴涂工藝。在這樣的背景下,在單陰陽極系統(tǒng)上進行的噴槍改造以及噴涂參數(shù)優(yōu)化工作得以進行。優(yōu)化目標是通過增加涂層有效沉積率,從而達到提高生產效率的目的。ExperimentlWork試驗工作2.1Motiation試驗動機Thecrrntcatingocssasdontecomerciallywidelysreadsinge-cathod-aoesystem,suchasF4/C0.Assmingthtaslow,hghenthalpyplmajetisncessarytorduceaprosYSZcoating,theusdeuipment<plsmatorch>withacylindrcalozzledsign<diaeter8m>andatotlgasflwraelesstan30spmsnotoptimal.Arealzedeositionefficncyof35%leastohihpowdercoumption,increasedcoatigtimesandresultsinighcsts.Furthrmre,duetotheasymmericlasmajet,thepwdrinectionhstobeadaptdeveryprodctionsetupnddjustdtotheplasajet.nitialsetuptstslkespraysotaalyssandcatingoftestpartsforprcscontrolligareneedesslycomplicatedndcasehghworkodbeforerdctionstrtadleadtoaddtionalcsts.當前使用的涂層工藝是在商業(yè)上廣泛推廣的單陰陽極系統(tǒng),如F4/MC60。假設制備多孔YSZ涂層時,需要慢速高焓值的等離子射流,那么以往總量小于30slpm的燃氣流量以及圓柱形噴嘴設計〔直徑為8mm的設備〔等離子噴槍就不是很理想了。如果要達到35%的沉積效率,就意味著粉末用量增加,噴涂時間延長,并最終導致噴涂成本升高。此外,由于等離子流不對稱,注粉時不得不調整工裝以及粉末注入等離子流的角度。在正式生產前進行的初始工裝測試,如噴涂點分析,對測試部件噴涂所做的工藝控制都造成了不必要的復雜以及高強度工作,從未最終導致了成本上升,費用增加。Inordrtosimplifythesetuprceurendtoachevetimesavins,asablendcosistntplsajetisneeed.Cosquentl,twomaintargetsforptimizationofthecoatigprcsscanedeined.1.Improveofepsitioneffciecyofthecoatigprcss<torducethemaufacturngcsts>2.Genrateastablendcnsstentpasmajet<impctonidirctadddvalue>Oneopprtnitytoinflunceprocessstabilityadplasaproertiesstheadjustentoftheandedesgnwhhisfnctiningsanozzle.ormerinvestigatinswithdifferntnozzledsigsshwapotentialtocrasetheefficiecyofteatmspercplasasraing[9].Basednthesefindigsanewnzzedesinwsdeveloed,whichisdapedtothereuiredoudrycoditiosfrcatingprocessofturbecomonens<minimumspraydistance>.Thisnewnozzleconfiuratin<VMT-nozze>tebassfortefollowigpressoptimization.為了簡化工裝并節(jié)省時間,等離子射流必須要穩(wěn)定并連續(xù)。這樣一來,涂層工藝優(yōu)化的兩大目標由此可以得到確定：提高涂層工藝的沉積效率〔降低生產成本制造連續(xù)穩(wěn)定的等離子射流〔影響間接附加值影響生產穩(wěn)定性以及等離子性能的其中一個方式是調整對陽極的設計〔陽極作為噴嘴使用。以往改變噴嘴設計的研究表明了通過此方法提高大氣等離子噴涂效率的可能性[9]。在此基礎上,我們設計了一個新型噴嘴,該新型噴嘴能很好的適應葉片部件的邊界噴涂〔最小噴距。而該噴嘴的配置〔VMT-噴嘴是接下來工藝優(yōu)化的前提和基礎。2.2 Optimiztionapproah優(yōu)化過程Previosstdiessowaconflctbetweenicresigthedeositinefficiecyndthenedofacosistntcoatigporsity[10].Byincresingtenumbraddesityofmoltenpartcleinthesprystream,thecoatigensityincrasesandthereuiredprsitydecress.The maininfluecingfactorrecosquntlytemperature,velocityanddistriutionofparticesintespraystrem.TorealzeanncresdDEapssibeaprochsaholsticaminationofthecoatigprocs,descrbedinFig.3.之前的研究總是會在提高沉積效率和保持一致的涂層孔隙率之間相互矛盾[10]。通過在等離子射流中增加熔融顆粒的數(shù)量和濃度,可以達到涂層密度和孔隙率降低的目的。而主要的影響因素是等離子射流中粉末顆粒的溫度,速度以及粒徑分布。為了提高沉積效率,一個可行的辦法是按照圖3的程序對整個噴涂工藝進行全面的檢查。Fig.3.plasmacoatigprocess,singasinge-cathode-anodesstem<e.g.F4/MC60>圖3：采用單陰陽極系統(tǒng)〔如F4/MC60進行的等離子噴涂示意圖,Potentialinflencngvrialesofthecatingrcssoptimizatinsare<elcted>:等離子噴涂工藝優(yōu)化的潛在影響因素〔選定的a>Adjutmentofplasmapopertis:Plasmaenthalpy,-velocity,-viscsity,-density,-temperatureodifiedby→plsagases,→elctrcalowr,voltag,voltagefluctuatiosa>等離子性能的調整：下列因素可以改變等離子焓值、速度、粘度、濃度、溫度：→等離子氣體→電流、電壓、電壓波動b>Adjutmentofpaticlepopertis:Particlerainsizedistrbuton,particevelocty,temperauremdifiedby→powderfeedrate→carrirgsflow→injctioncnditiosb>粉末顆粒性能的調整:下列因素可以改變粉末顆粒的粒徑分布、速度以及溫度：→送粉率→載氣流量→注粉情況c>Adjutmentofcotingeposition:Coatigthickness,-prsiy,-porosityistributinmodifiedby→spraydistance→moveentprceure→robotvelcity,offset,numberoflayersc>涂層沉積的調整：下列因素可以改變涂層厚度、孔隙率以及孔隙分布情況：→噴距→行走程序→機器人速度、偏差以及噴涂遍數(shù)1.3 Experimentlprocedure試驗程序Thefirststepoftheptimzationprocessfcssonincresingtedpsitionefficiecy.Teaalyssecarridoutycoatingstaicspraysots.Thescdstepinvolvsanadaptinofthecoatngproprties<prsity/porsitydistrbution>andisrealizedycoatigsrins.Astrngsacatingwhchsroucdbyaverticalmovementoftherobot<cnstntrootsped>withohorzontaloffsetandterefrewithnooverlapingfpaths.工藝優(yōu)化的第一步就是提高沉積效率。研究分析是在固定噴涂點上進行的。第二步則是改變涂層性能〔孔隙率/孔隙率分布并通過涂層列來實現(xiàn)。涂層列是指通過機器人〔機器人速度恒定垂直運動來進行噴涂所制備的涂層,無水平偏差,因此不會產生涂層重疊的情況。Testeris>Adjustmntofplasmapopertis:testobjcts=spraysposDevelopmenttarget=icrasigofDEtomaximum試驗A系列>等離子性能的調整試驗對象=噴涂點試驗目的=將沉積率提高到最大值Byatheoretcalsumptonthatthearticleveociyshuldeslwspssibletogenrateahighporoscoatig,itisncssaryordcetetotalgsflwratetoaminmum.Frthrmoreahighempratureoftheplasajetisfavourdtoraisetepercentgeofmoltenprticlesadthrughthisanincresingofdepsitionfficiency.Tisfactsnfluecedychngigthecntentofmoleculrgs<hydrogn>intheplasa.ThetestsrestooptimizeDEarednebycnstntcatingdstace,costanteecrcalpower,cnsantpowderfedrate.從理論上假定,如果需要制備多孔涂層,則粉末速度需要越慢越好,如降低粉末速度,則總燃氣流量必須要降至最低。另外,等離子射流的溫度越高,粉末熔融的比率就會越高,這樣一來,沉積率也相應得到提高。但改變等離子流中分子氣體〔氫氣含量可以影響該情況。通過恒定噴涂距離、恒定電流以及恒定送粉率來實現(xiàn)沉積率優(yōu)化系列的實驗。Theowderfeedrateofthestndrdcoatingrcsswith80gminhsensed.oachieveheminimumcatingdistncetheplasaprpertis-velocity,temperatreareinfluecedyvaryingtotalgasflwraeandrg/hydrognrtio.ResulsofthesetstsriesaresowninFig.4.標準噴涂工藝使用80g/min的送粉率。為了達到最小的噴涂距離,通過改變氣體總流量以及氬氣和氫氣的比率來調節(jié)等離子性能〔速度和溫度。該系列試驗的結果如圖4所示：Fig.4.influeceofargonhydroenratoandtotalgsflowtoDE,P=30kW圖4:氬氣/氫氣比率及總氣流對沉積率的影響,P=30kWIncosieraionofaodeandcathewarndalimitation oftheusedequipent, aratioofargn/hydroenof4:1ndatotalgsfowrateof7.5slpmrechse.TheometryoftheVMTnozzleleastoareuctionoflnthoftheemittedpasajetcomaredtothecylinriclnozzle,Fig.5.Durngteprevioststsitbcomsceartattheprstinjectincoditionof100°inplasmaflowdirectinisnottheoptimumfortheVMTnozzle.考慮到陽極和陰極的磨損以及所使用設備的限制,選擇4:1的氬氣/氫氣比率,氣體總流量為37.5slpm。如圖5所示,相對于圓柱形噴嘴,我們設計的幾何形狀的VMT噴嘴減小了等離子流發(fā)散的長度。按照之前的試驗結果,目前的100度并不是VMT噴嘴的最佳注入角度。Fig.5.Imaesofplsajetsstanard<top>.optimizd<tton>圖5：標準等離子流〔上圖與優(yōu)化后的等離子對比效果圖〔下圖Duetothstepwdrinjctionointisplacedclosertothenozzleexit,theinjectionngleschngedrm100°to0°nflowdirecton.Theresltisalogerexposuretimeofprticlsinthepasajetrsultingnanehacedmeltingbaviour,theDEincrassfrom28%to46%.由于這樣的原因,注粉點設置得離噴嘴出口更近,而注粉角度就從順流方向100度變?yōu)?0度。這樣一來,等離子流中粉末顆粒的暴露時間就會延長,那么粉末熔融情況得以加強,沉積效率從28%增加到46%。FortheseectedplsaparametrandowerinjectincoditiontheDEisoptimzedrelatedtoteadjstmentofelectrcalpwer,Fig.6.在選定等離子參數(shù)及注粉條件的情況下,如圖6所示,通過調整電流達到提高沉積效率的目的。Fig.6.influnceofelctrcalowervriatiosonDEandarcvoltge,powderA圖6：電源調整對沉積率以及電弧電壓的影響示意圖,粉末AForthenvstigatedeltricalowerranethearcvoltageisamostcostntTheassciatedcostntarclength indicates afixation oftheaneattacheent<arc>isdethenzze. Infirstassumptinhiseffectscasdbytegometryofthenozzledduetothisthespcificfuiddynamcsofthegeratedplasaflow.T.1sowsacomarsnofspcificpasmapraeters,stadrdvs.improved<VMT>.按照我們研究的電流范圍,電弧電壓是最穩(wěn)定的。穩(wěn)定的電弧長度表明噴嘴內部陽極〔電弧的穩(wěn)定情況。我們首先假定是幾何形噴嘴對陽極的影響造成的。以及由此產生的等離子流的特殊流動性,表1中是標準噴嘴及改進后的噴嘴〔VMT,在特定等離子流參數(shù)下的對比情況。Tab.1comparisonofcharctrsticalpasaparmetersofthestanardadoptimizedrcss<VMT>表1：標準噴嘴及優(yōu)化噴嘴的等離子性能參數(shù)對比表StndrdVMTrgon/hdrognrtio4:14:1Electricalpwr[kW]Plasmaoltage[V]Voltagefluctuations[V]±22±11Thrmalefficiency[]標準噴嘴優(yōu)化后噴嘴/氫氣比率4:14:1電源[kW]等離子電壓[V]電壓波動[V]±22±11熱效應[]Testeris>Adjustmntofpaticlepopertis:testobjcts=spraysposandstrnsdevelopenttarget=aximiztionofDEandprsityadjstment試驗b系列>顆粒性能調整:試驗對象=噴涂點及噴涂行試驗目標=將沉積率增加到最大,并實現(xiàn)孔隙率的調整Usngtheopimizedpasa-adinjctionprametrsfromtstseresa>,theprosityfrcostantcoatigdistaceecreaseselwtheminimalcceptedleve.Tocuntrt,theporsityisadjstedbyoptimiziggrainsizedistributionofthespraypowerandcoatigdistace.estadardsedYSZpwdrshwsagrainszedstributinof-12+22m<powderA>.Inordrtocieveahigerporosityevel,thefiefractionsrmovedandagrainszedstributinof-12+44μm<powderB>sdetermnedstheoptimmdistriution.Furthrmre,thecatigdistnceisoptimizdto160mm.Byadjustinghegrainszedistriution,theprsityisicresedfrm1%<pwdrA>toarquiredorsitylevelofaprox.2%<pwdrB>.采用試驗a系列中的優(yōu)化等離子及注粉參數(shù),由于恒定噴涂距離的降低,孔隙率得以降到最低可接受水平。為了應對此情況,通過優(yōu)化粉末顆粒的粒徑分布以及噴涂距離,可以對孔隙率進行調節(jié)。標準工藝中使用的YSZ粉末的粒徑分布范圍為-12+22m<粉末A>.為了達到更高的孔隙率水平,去掉較細顆粒部分,我們決定采用-12+44μm〔粉末B作為優(yōu)化后的粒徑分布。此外,優(yōu)化后的噴涂距離為160mm。通過調整粒徑分布范圍,孔隙率從13%〔粉末A增加到所需的20%左右〔粉末B。Duetotheesntdevepmentrsults,itispssibetodedceanoptimizedaraetersetforcoatingofporusYSZwithsecifcporsitylevel.按照目前的研究結果,可以推導出通過優(yōu)化參數(shù)設置,達到YSZ涂層所要求的孔隙率水平。Tocarctrizeteprticleroerties<velcity,temperatur>ofothcotingpraeters<stadd,improvd>SrayWachmasreentsrecrredou.Thecopativeanalssclrifiesadifferncenparticevelocity:fortheoptimizedcoaingparametrthevelocitysreucedbypprox.0m/scoparedtothestanardparmeter,Fg.7.通過Spraywatch對兩種噴涂參數(shù)〔標準及優(yōu)化后的進行顆粒速度和溫度的測量。分析對比表明顆粒速度的區(qū)別為：如圖7所示,與標準工藝參數(shù)相比,優(yōu)化后噴涂參數(shù)的顆粒速度降低了大概10m/s.Themasurementsofarticletemeratrsshwsimilrvalsfrothprametrsatspecifccoatigdistacs,Fig.8.在噴涂距離一定的情況下,而所測量到的兩種參數(shù)的顆粒溫度結果差異不大,見圖8.Fig.7.comarisonofprticevelocityalngtheaxis,stanardvs.mprovdparameter圖7：標準及優(yōu)化參數(shù)的粉末顆粒速度對比圖,Fig.8.comprisnofpartcletemperaturealongtheaxis,stanardvs.improvdparmeter圖8：標準及優(yōu)化參數(shù)的粉末顆粒溫度對比圖,Theimrovdinnrnzzedsign<VTnzzl>ldstoadecelrtedplsmaet,whichrsultsinredcedparticeveloctycomparedtothestanardparmeter.Toralizeasimplifiedrobtmovementrocedreandtoredcetheprorammgeffortofcatingprogrmsforcoplexcomonntgeometres,norienatio-indeendntsingecoatigspotwsdeveloed.AnoverviewofthesersultsssowninTab.2.改進后的內孔噴嘴設計〔VMT噴嘴會導致等離子流速度的降低,因此相對標準參數(shù)而言,粉末顆粒的速度會相應降低。為了達到簡化機器人移動程序以及降低復雜工件噴涂程序編程的難度,我們開發(fā)了非定向單一噴涂點模式。通過表2可以查看相關結果。Tab.2.Coparsonstadardvs.imrovedcoatigparmetersforsecifccatingdistnce表2：噴距一定的情況下,標準與優(yōu)化后噴涂參數(shù)的對比效果表Testseriesc>Adjustmntofcotingespostion:testobjcts=coatingpatedevelopenttarget=oogeeosprosity試驗C系列>涂層沉積的調整:試驗對象=噴涂板研發(fā)目標=均勻孔隙率Incntrstto"stanard"prcselopmensnthermalsprying,thetargetofthisevelopmntisfocsedonincrasngtheprocsefficiecybykeping<ntchangng>thecoatigprperti.Porsity,porositydstriutionndcatingthcknsshavetoecmparableandinthesaedefinedrngeforbothcoatingprcss.與熱噴涂中的"標準"工藝研發(fā)相比,本工藝研發(fā)的目標是在保持〔不改變涂層性能的前提下,提高涂層生產效率。在相同的界定范圍內,對兩種工藝制備涂層的孔隙率,孔隙率分布以及涂層厚度進行對比。Durngthecoatingrcs,thecoatigdepsitionisrealzedbyaverticaldsplcemntofstrngs.Arasofhighndwprsityreovrlapigandformacoatigwithaspcificporsitydistributinadporsityvalue.在噴涂過程中,涂層沉積通過噴涂行的垂直位移來實現(xiàn)。多孔和低孔區(qū)域相互疊加,并形成了一個有特殊孔隙率分布和孔隙率的涂層。Inordrtoachieveauniformporsitydistributinandvalue,plateswithdefindplasaaraeter<tstseres>>,njectincoditions,pwderadsraydistace<ttseresb>>arecatedwithdifferntoffsets.為了達到均勻的孔隙率分布和數(shù)值,我們按照特定的等離子參數(shù)〔試驗a系列,注粉條件,粉末和噴涂距離〔試驗b系列,采用不同的偏離值,對試驗板進行噴涂。Fortesngecatingstgeometre,averticaloffsetof 8mmand asubseqentpositive/ngtivedispacementof4mmforthestrtingpointofthefollowiglayrshstheoptimumrardigporostydistriutionndovrallorsity.Fig.8.sowsteinflueceoftheoffsettotheporsitydistribution.對于單個噴涂點的幾何形狀,8mm的垂直偏離以及下一涂層從起點位置的±4mm的位移,這些數(shù)據都顯示了孔隙率分布和疊加孔隙率的最佳情況。圖8顯示的是偏離對孔隙率分布的影響。Fig.8.influenceoftheofsettoporstydistributio,averaevaleandmin./maxvalues圖8：偏離對孔隙率分布,均值以及最大/最小值的影響示意圖Usngtheotimizedcoatngpraetrandcncptwithaicresedpowdrfederaterm80g/minto100g/mn,adepsitionefficiecyof>9%coprdto35%isreaized.采用優(yōu)化后的涂層參數(shù)及理念,送粉率從80g/min提高到100g/min,沉積率從35%提高到了59%。Acomprisonofqualiybetweenstanarddoptimizdocssgienbythecrssctinimags,Fig.9andFig.10.圖9和圖10顯示的是標準工藝和優(yōu)化后工藝的涂層質量的截面對比圖Fig.9.Crsssctionimaeforstadardprcss,powderfedrate80g/min,DE35%圖9.送粉率80g/min,沉積率35%,采用標準噴涂工藝制備的涂層界面圖Fig.10.Crssctionimgeforoptimedprcs,powderfedrate100g/mi,DE>59%圖10.送粉率100g/min,沉積率>59%,采用優(yōu)化噴涂工藝制備的涂層界面圖Additionalaalysisofchnicalrpertisofbthcoatigsstms<stadr,improve>areonefrriskmitiationndtocmpretheechancalbehavirunerthermallod.對兩種工藝〔標準及優(yōu)化工藝所制備涂層的機械性能進行分析,以便對這兩種涂層在熱負載下的機械性能進行對比分析。ForhsCPsesreureentsrecared.ThICP sesrsstem measures curvature adtemperatureofsustratsdurigdpsitionadasodurigcooligdwnaftercoatig.Evlving,rsidlstrsssndelastcoduusofcoatinsreroviddbyrcorsetomesementofhesustraecurvatre[11.使用ICP傳感器進行涂層機械性能測量。ICP傳感系統(tǒng)對基體在沉積及噴涂完成后冷卻過程中的彎曲度和溫度進行了測量。通過涂層的變化應力、殘余應力和彈性模量等數(shù)值來對基體彎曲度進行測量。Twotypesofstresssaredefindasfollwd:evolvingstrss:mchancalnnrstressswhhoccurdrigcoatigadresdualsrss:summatinofevolvingandthrmalstrssesescriesstrssstatusofthecoatig/sbsrate<aumim>systemafercoolngtoromtemperate.在此我們定義了以下兩種應力：變化應力和殘余應力,變化應力是指噴涂過程中的內部機械應力；而變化應力和熱應力的總和,就詮釋了涂層/基體〔鋁制系統(tǒng)冷卻到室溫過程中的應力變化狀態(tài)。Bycomparonofbothsrsstypesfrthestanardandoptimzdcatingrcssitbcmesclertattheavergevaluesfreolvingadresiualstrssareredcdby50%fortheoptimizdrocess.通過標準工藝和優(yōu)化工藝的應力類型對比情況,我們可以很清楚的看到優(yōu)化工藝所制備涂層的變化應力和殘余應力均值降幅達到了50%。AcomprisonoftheachieedvalusforevolvingandresdualstrssareshwnnFig.11.圖11顯示的是變化應力和殘余應力的測量值對比圖Fig.11.evolvingandrsdualstresssforstanardandoptimzdcoatigprcss圖11標準工藝和優(yōu)化工藝的變化應力和殘余應力對比圖Conctedto thesress masurements,temeasuredsubstrateteperatrsforbothcatigprcssesealosttesme<stanard=30,optimizd=40°C>.相對于應力測量,對采用兩種不同工藝噴涂的基體所測量到的溫度差別不大〔標準工藝=350℃,優(yōu)化工藝=340℃。Formesrngthethmo-mcancalbhaviorofthecoatingsystemforechprametrset,samplsarecycldinisothrmalcnditiosupto250C.Tecurvatretmperatureolutionismonitoredoextracttheeasticehavirofthecoatngsystesninteractionwiththesbstrates.hecrvaturesurigheatingpareshwnnFig.12anddepctin