一种超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法与流程

本发明涉及等离子喷涂技术领域，尤其涉及一种超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法。

背景技术：

随着等离子喷涂技术自身的飞速发展以及喷涂粉末制备工艺的日趋成熟，目前已能够将多种金属、陶瓷、金属陶瓷及其它复合材料制备为性能优于基体的耐高温、耐磨损、耐腐蚀及各类功能涂层(例如防垢杀菌涂层、超疏水防覆冰涂层、隐身吸波涂层、压电智能传感涂层等)。但是大量的喷涂实践表明，涂层内部的缺陷含量(孔隙、氧化夹杂、微裂纹等)、残余应力、沉积效率、力学性能(结合强度、内聚强度、弹性模量、显微硬度等)、组织结构等均会随着熔滴沉积质量或基体状态的不同而发生显著变化，直接影响到涂层的服役性能及寿命。

但是，目前的涂层工艺优化过程较为繁杂，大多是在经验范围内选取若干组参数，随后根据人工神经网络、田口试验、正交试验、完全析因设计等方法确定最优喷涂参数，其主观性较强，无法从根本上找到涂层产生不同变化的原因，这也直接导致了涂层体系创新速度缓慢，新材料从研发到投入使用需要经历较长的周期。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法，以解决上述技术问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法，包括如下步骤：

获取斑点：获取涂层中的单个凝固斑点；

数字形貌提取：提取凝固斑点的边缘形貌；

计算参数：根据边缘形貌计算凝固斑点几何形貌评价参数，该参数包括固化指数、圆度、离心率及分形维数；

优化工艺方法：根据上述计算的参数数值，对超音速等离子喷涂工艺中的各步骤进行调整优化。

进一步的，获取斑点时，粒子撞击在基体上形成凝固斑点，在获取斑点步骤之前，对基体进行超声清洗，去除基体表面污染物。

进一步的，数字形貌提取为将凝固斑点与基体分离，具体为：

通过阈值计算方法对所述凝固斑点的扫描电子显微图像进行二值化处理；

采用label函数对凝固斑点的二值图进行标注，并将单个连通域最大的区域设定为凝固斑点区域；

采用形态学处理方法对凝固斑点进行滤波处理，包括数字图像的膨胀算子与腐蚀算子；

采用candy算子提取凝固斑点的边界，最终完成边缘形貌的提取。

进一步的，计算参数步骤中，具体的计算方法为：

固化指数：通过计算凝固斑点面积与其边界包络线面积之比，提取凝固斑点的固化指数；

圆度：以凝固斑点的最大内切圆与最大外切圆的比值作为其与圆形凝固斑点的接近程度；

离心率：以凝固斑点的质心为中心，质心的计算方式为：

其中，E(j,i)表示凝固斑点二值图的矩阵形式，x_i、y_j分别表示矩阵的第i列元素和第j行元素，m，n分别表示矩阵的总列数与总行数，以最小外切圆的半径作为椭圆的长半轴a，随后缩寻找一个最小的短半轴b作椭圆，并使椭圆能够完全覆盖凝固斑点的所有像素点，此时长半轴a与短半轴b的比值即为凝固斑点的离心率；

分形维数：采用沙盒法覆盖凝固斑点边缘，初始盒子的边长为凝固斑点边长的1/10，以凝固斑点边长1/100的长度逐渐递减，分别提取盒子边长ε(N)，以及此时覆盖有凝固斑点的正方形个数N，则ε(N)与N之间满足关系：

N(ε)∝ε^-D

其中，D为凝固斑点的分形维数。

进一步的，优化工艺方法步骤中，具体的：

当圆度小于0.43时，需要调整制粉工艺或调整相应的喷涂参数；

当离心率小于0.47时，需要调整等离子喷枪的喷涂角度；

当固化指数小于0.546时，需要降低喷涂功率或提高主气流量；

在上述三类参数满足条件之后，通过优选凝固斑点分形维数则作为喷涂参数最终选取的主要指标，凝固斑点类型判定的依据为：

在喷涂过程中，优选圆盘型粒子凝固类型。

进一步的，获取斑点时，通过超音速等离子喷枪向基体喷射等离子射流，等离子射流中的粒子穿过挡板上的孔撞击到基体上；

其中，孔的直径为1mm，相邻的孔之间的距离为500mm。

进一步的，所述超音速等离子喷枪移动速度设定为6m/min，将送粉量当量设定为3。

进一步的，所述挡板表面的粗糙度Ra＝1.5μm。

进一步的，扫描电子显微镜的拍摄模式为二次电子，电压5-10kV。

进一步的，通过浓度为97.5％的乙醇对基体进行超声清洗。

本发明提供的一种超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法，具体操作时，先获取单个的凝固斑点，得到熔滴凝固斑点的数字形貌图，根据数字形貌图，计算固化指数、圆度、离心率及分形维数参数值，参考参数值，可以实现熔滴凝固类型的定量判定，可得到相应的涂层优化方向；如，圆度小于0.43时，说明需要调整制粉工艺或调整相应的喷涂参数；离心率小于0.47时，需要调整等离子喷枪的喷涂角度；当固化指数小于0.546时，需要降低喷涂功率或提高主气流量；三者都满足条件时，通过优选凝固斑点分形维数则作为喷涂参数最终选取的主要指标，在喷涂过程中，优选圆盘型粒子凝固类型。

该超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法，方法简单，优化方法通过计算参数获得，更加精确，具有一定的客观性，更加的科学高效。

附图说明

图1是本发明提供的超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法的流程框图；

图2是本发明提供的超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法的凝固斑点获取过程示意图；

图3是本发明提供的超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法的凝固斑点数字形貌提取原理示意图；

图4是本发明提供的超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法的凝固斑点固化指数计算原理示意图；

图5是本发明提供的超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法的凝固斑点圆度计算原理示意图；

图6是本发明提供的超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法的凝固斑点离心率计算原理示意图；

图7是本发明提供的超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法的凝固斑点分形维数计算原理示意图。

图中：

1、粒子；2、基体；3、挡板；4、孔。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

从微观角度来看，等离子喷涂涂层是由喷涂粒子经等离子弧加热熔化之后，以较高的速度撞击基体并迅速铺展凝固、粒子之间相互搭接、逐层堆垛所形成的，因而喷涂熔滴的铺展凝固现象是涂层成形过程中最基本的理化行为。

这一过程实际上是一个发生在微米级空间尺度、亚微秒级时间尺度上的物理现象，比如，真空等离子喷涂Ti6Al4V熔滴在Ti基体上的冷却速度为10⁶℃/s，凝固界面推进速度约为63cm/s，熔滴完全凝固所需时间仅为0.4μs，固化后的厚度约为3μm。这其中经历的不同凝固过程直接影响到整体涂层的物相转变、缺陷生长及残余应力等关乎涂层质量的指标。单个熔滴的凝固形貌在很大程度上能够反应这些指标与涂层宏观性能之间的关系，因而对单个熔滴凝固行为的定量研究对更加科学地进行涂层优化设计，从粉末结构、成分、物相到工艺参数、基体预处理状态等过程，起到十分重要的作用。

基于上述原理，如图1-7所示，一种超音速等离子喷涂工艺涂层优化方法，包括如下步骤：

获取斑点：获取涂层中的单个凝固斑点；

如图2所示，获取斑点时，粒子1撞击在基体2上形成凝固斑点，在获取斑点步骤之前，通过浓度为97.5％的乙醇对基体2进行超声清洗，去除基体2表面污染物。通过超音速等离子喷枪向基体喷射等离子射流，等离子射流中的粒子1穿过挡板3上的孔4撞击到基体2上，超音速等离子喷枪移动速度设定为6m/min，将送粉量当量设定为3，这样也可以达到在一定程度上减少凝固斑点之间相互干扰的目的；孔4的直径为1mm，相邻的孔4之间的距离为500mm，这样既可以确保凝固斑点的收集效率，又可以达到避免凝固斑点相互连接的目的；挡板3表面的粗糙度Ra＝1.5μm，挡板3的表面较为光滑，在挡板3上的涂层可自动掉落，可多次使用。通过调节等离子喷涂工艺参数，包括Ar，H₂，N₂，电流，喷涂距离，喷涂角度等，可以获得不同参数下的熔滴凝固形貌。

数字形貌提取：提取凝固斑点的边缘形貌；

如图3所示，采用场发射扫描电子显微镜提取凝固斑点的灰度形貌(图3a)，扫描电子显微镜的拍摄模式为二次电子，电压5-10kV。通过阈值计算方法对凝固斑点的扫描电子显微图像进行二值化处理(图3b)，阈值计算方法采用最佳全局值处理Ostu’s法；采用label函数对凝固斑点的二值图进行标注(图3c)，并将单个连通域最大的区域设定为凝固斑点区域(图3d)；采用形态学处理方法对凝固斑点进行滤波处理(图3e)，包括数字图像的膨胀算子与腐蚀算子；采用candy算子提取凝固斑点的边界(图3f)，最终完成边缘形貌的提取。

计算参数：根据边缘形貌计算凝固斑点几何形貌评价参数，该参数包括固化指数、圆度、离心率及分形维数；

如图4-7所示，固化指数：通过计算凝固斑点面积与其边界包络线面积之比，提取凝固斑点的固化指数，依据固化指数的大小判定凝固斑点对应喷涂粒子的熔化状态；

圆度：以凝固斑点的最大内切圆与最大外切圆的比值作为其与圆形凝固斑点的接近程度，圆度越接近1，则表示与圆形的接近程度越高，而圆度越低则表示凝固斑点的形貌越趋近其它不规则形状。当熔滴的圆度小于0.43时，需要对喷涂粉末的制备方式进行重新优化，否则所制备涂层的结构缺陷较多，内聚强度不高

离心率：以凝固斑点的质心为中心，质心的计算方式为：

其中，E(j,i)表示凝固斑点二值图的矩阵形式，x_i、y_j分别表示矩阵的第i列元素和第j行元素，m，n分别表示矩阵的总列数与总行数，以最小外切圆的半径作为椭圆的长半轴a，随后缩寻找一个最小的短半轴b作椭圆，并使椭圆能够完全覆盖凝固斑点的所有像素点，此时长半轴a与短半轴b的比值即为凝固斑点的离心率，离心率的取值范围为(0，1)，越接近1说明此时凝固斑点的形貌越接近圆形，反之则说明凝固斑点的形貌更加偏向于细长形。当离心率的值小于0.47时，需要调整等离子喷枪的角度。

分形维数：采用沙盒法覆盖凝固斑点边缘，初始盒子的边长为凝固斑点边长的1/10，以凝固斑点边长1/100的长度逐渐递减，如图7a、图7b、图7c和图7d，分别提取盒子边长ε(N)，以及此时覆盖有凝固斑点的正方形个数N，则ε(N)与N之间满足关系：

N(ε)∝ε^-D

其中，D为凝固斑点的分形维数。

优化工艺方法：根据上述计算的参数数值，对超音速等离子喷涂工艺中的各步骤进行调整优化。

即通过计算不同凝固斑点特征参数之间的差异，决定工艺参数的优化对象，当圆度小于0.43时，需要调整制粉工艺或调整相应的喷涂参数；当离心率小于0.47时，需要调整等离子喷枪的喷涂角度；当固化指数小于0.546时，需要降低喷涂功率或提高主气流量；

在上述三类参数满足条件之后，通过优选凝固斑点分形维数则作为喷涂参数最终选取的主要指标，凝固斑点类型判定的依据为：

在喷涂过程中，优选圆盘型粒子凝固类型。

本实施方式所能达到的有益效果为：

1、通过提高等离子喷枪的移动速度、降低送粉量，以及在基体前预置挡板的方式，极大地提高了单个凝固斑点的收集效率与质量；

2、通过提取凝固斑点数字扫描电子显微图像，结合数字图像分析技术与数学形态处理方法，对凝固斑点进行滤波，提高了凝固斑点几何特征参数计算的精度；

3、通过分形维数、固化指数、圆度、离心率等参数对凝固斑点的几何形貌进行判定，可以实现熔滴凝固类型的定量判定；

4、结合各类凝固斑点的几何特征参数分析，指导喷涂参数优化，使得等离子喷涂工艺优化过程更为科学高效。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。