优化大气等离子喷涂工艺设计,降低TBC热障涂层生产成本

./TBCcoatingcostreductionbyoptimizatonoftheAtmosphericPlasmaSprayprocess优化大气等离子喷涂工艺,降低TBC〔热障涂层生产成本S.Mihm,T.Duda,Birr/CH,G.Thomas,H.Grner,ägewil/CHandB.Dzr,Ilmenau/DThegloaleconomcgrowhhastrigrdadraaticncreseintedemadforresurcsoerthelastfwyears,resultinginseadyprceicrasesfrnergyadrwmaterals.Inthegastrbinemaufacturingsectr,processoptimizatinsofcost-intnsivepodctionstesivolveaheihtenedsavigspotntialandformthebassforscurngfuturecometitiveadvanagsnthemarketecnomy.全球经济增长在过去的几年中引发了对资源需求急剧增加,导致能源和原材料价格稳步上涨。在燃气轮机制造业,对成本密集的生产工艺优化具有成本节约的潜力并能为企业在将来市场经济的竞争中打下坚实的基础。Inthiscontext,theatmosphericplasmasraying<APS>processforthermalbarriercoatings<TBC>hasbeenoptimized.AconstraintfortheAPScoatingprocessoptimizatonistheueoftheexistingcoatingequipent.在这样的大背景下,热障涂层〔TBC的大气等离子喷涂〔APS工艺得以改进优化。而APS制备涂层工艺优化的一个限制条件在于现有涂层设备的使用。Furthrmre,thecrrentcoatigqalityandchrctersicsrenotallwedtochngeinordertooidnwqualificationndtesting.此外,为了避免重新申请资质以及进行额外测试,还不能改变当前的涂层质量和性能。Usngexerenceinatoshercplmasprayingandepricallygaindata,theressptimizaionplnincldedthevariationofe.g.theplasmagascmpstionandflowrate,theelectricalpwr,thearraneentandangleoftheowerinectrstotheplmajet,thegrainszedstrbutionofthespraypwdrandthepasmatorchmovementocdurelkespraydstace,offsetaditeration.Inarticuar,pasmaproprtis<enthapy,velocity,temperatur>,powdrinjctioncoditins<injctionpoint,injctinspeed,granszedisriution,>swllastecoatiglamiation<coatigpattern,spryingdistac>areexamied.Theptimizedprcsadrsultigcatigwscoprdtothecurntsituationyseveraldignsticsmethos.在以往大气等离子喷涂经验和日常获取的宝贵数据基础上,我们的工艺优化计划包括一系列的改变,如等离子气体组成,流量；用电,布局及粉末注入等离子流的角度,粉末的粒径分布、等离子枪的移动〔如喷距、偏差以及重复性等。特别是等离子性能〔焓值、速度以及温度,注粉条件〔注粉点、注粉速度、粒径分布,以及还有涂层〔涂层形式,喷涂距离等方面做了重点研究。我们将优化后的工艺及其所制备的涂层与当前普遍使用的几种工艺采用不同的分析方法进行了对比。Theimrovdprcsprovidessignifcantlylowercstsbycievingtherquirmentofcomarblecoatingquality.Furtermre,acntributionwsmaetoabettercomrehesinoftheatmspricpasasrayingofceramcsndamethodforfutureprcsdevelpmntswsdefied.在同等涂层质量的前提下,优化后的工艺能很大程度的降低生产成本。此外,我们对大气等离子陶瓷粉末喷涂过程做了一些详细描述,使其更加通俗易懂,同时,我们还了未来工艺的研发方法。1Introdution引言Plasmacoaedthrmalbarrieroatngs<TC>resccessfullyestablsdinthegasturinemanufcturgbsiesssncethesevnties[1].IntehotgassectionofgasturbinesBC`sfulfillhefunctiosofheralisultion,therefelowerigtetemperatureofthemetallcprtionoftheprt.Firigtemperatursintecmbustincambrboe130°Cndimitedlongtrmopratintemperatursofapprox.950°Cfortheetallicateralsresultingnhighreuirmentstocatingsystesnbads,vanesndcmbustrprts.从上世纪七十年代起,采用等离子技术制备的热障涂层〔TBC成功应用到燃气轮机制造业。在燃气轮机的热燃气领域,热障涂层满足了隔热的要求,从而降低了工件金属部分的温度。燃烧室的烧结温度超过1300摄氏度,而大部分金属材料的长期工作温度在950摄氏度左右,这样一来,就势必导致旋片,小叶片以及燃烧室部件在喷涂时的高要求。Typicalthmalbrrircoatigsareulti-lyersystesasdonadplexsrcture,aensemetallcbondcoatlyer<matrial:MCrAlY,M-Niand/rC>andaproscramctpcoatlayer<materal:YSZ,yttrium-stabilizedzircona>,showninFig.1.典型的热障涂层是一个以复式结构为基础的多层系统,包括致密金属结合涂层〔材料如：MCrAlY,M-Ni和/或C,以及上层多孔陶瓷涂层〔材料如：YSZ,钇稳定氧化锆,如图1所示。Fig.1.plasacoatdTBC-catingsstemonturbneblade图1：轮机叶片上的热障涂层系统〔等离子制备TheeseCrAlYcoatigprotecstebseaterialagaistcorroson/oxidatonadprovidsteconctionorthecermictopcot.Theprusceramictopcoatfunctionsinconnectionwiththeexternalndinternalcoonentcooligasathrmalbarrier.ConrarytothedeseCrlYcoatingadefinedorsityoftheYSZcoatingsncssarytocomesatestraindiffernceandtoredcethralcodc.Thsepccrquientspsechalengetothetechlogyforprducngsuchcoatigsstms.CrAlY致密涂层对母材起到了抗氧化防腐蚀作用,并同时实现了与表面陶瓷涂层的连接。表面多孔陶瓷涂层一来用于与里面的涂层相连,也为其所覆盖的内部部件形成了一个热障碍层,起到了冷却的作用。相对于CrAlY致密涂层而言,固定孔隙率的YSZ涂层对拉力差异补偿及降低导热率来说是非常必要的。而这些特殊要求就对当今涂层生产技术提出了新的挑战。Inadditintonsurecoatingquality,hemanufcturgcstsremorendoreinfcsofcurrntdeveopmens.除涂层质量外,制造成本也越来越成为了当前发展的焦点问题。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涂层通过大气等离子工艺〔APS进行喷涂。而采用该项技术进行工艺改造的关键限制因素是等离子枪的设计制造。如电压和电流的波动会影响到粉末颗粒的性能[2],[3],[4]。圆柱形喷嘴的使用限制了等离子流调整的可能性。通过采用一些新的设计理念〔如多电极、串联方式,大功率等[5],[6],[7],[8],等离子喷枪开发了一些新的性能,从而能达到降低生产成本的目的。基于F4/MC60基础上制造的传统单阴阳极等离子喷枪系统已经广泛推广并使用多年。特别是在轮机制造行业,该系统用于复杂工件的喷涂,因为工件结构复杂,等离子喷枪的安装工序就更繁杂一些。ForthecatingprocessfturbinecmponntswithporusYSZcoatingandaporsityclssof>15%,themanufcturgcstsecludngwerparsforadeprecatedequipentlkeF4withpicalcatigparmetersreshwninFig.2.轮机部件的YSZ多孔涂层喷涂工艺〔孔隙率大于15%的成本计算在图12中做了图示说明,采用典型参数进行喷涂,费用中不包含部件磨损和F4这样的设备折旧费用。Fig.2.cstallocationofAPSprocessorporousYZcoatig,excludingwerpartsad deprciatdequipent图2：采用APS工艺制备多孔YSZ涂层的成本计算图,部件磨损及设备折旧费用不在计算范围内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.等离子参数为：燃气总流量<30slpm,氧气/氢气比率为4:1,功率小于30kW,这是因为35%左右的沉积效率〔粉末沉积重量除以送粉重量的比率=DE,送粉率的送粉速度为80g/min。按照目前的人工、用电、燃气和粉末成本,YSZ粉末无疑是喷涂过程中的主要成本因素。通过使用现有喷涂设备,涂层质量保持不变〔孔隙率、孔隙率分布、涂层厚度、应力、热震稳定性的前提下,提高喷涂效率是非常有益的,因为并没有产生额外的成本,并且工人以往积累的设备操作经验也得以保留。更难能可贵的是,它并不影响在现有设备上使用以往的喷涂工艺。在这样的背景下,在单阴阳极系统上进行的喷枪改造以及喷涂参数优化工作得以进行。优化目标是通过增加涂层有效沉积率,从而达到提高生产效率的目的。ExperimentlWork试验工作2.1Motiation试验动机Thecrrntcatingocssasdontecomerciallywidelysreadsinge-cathod-aoesystem,suchasF4/C0.Assmingthtaslow,hghenthalpyplmajetisncessarytorduceaprosYSZcoating,theusdeuipment<plsmatorch>withacylindrcalozzledsign<diaeter8m>andatotlgasflwraelesstan30spmsnotoptimal.Arealzedeositionefficncyof35%leastohihpowdercoumption,increasedcoatigtimesandresultsinighcsts.Furthrmre,duetotheasymmericlasmajet,thepwdrinectionhstobeadaptdeveryprodctionsetupnddjustdtotheplasajet.nitialsetuptstslkespraysotaalyssandcatingoftestpartsforprcscontrolligareneedesslycomplicatedndcasehghworkodbeforerdctionstrtadleadtoaddtionalcsts.当前使用的涂层工艺是在商业上广泛推广的单阴阳极系统,如F4/MC60。假设制备多孔YSZ涂层时,需要慢速高焓值的等离子射流,那么以往总量小于30slpm的燃气流量以及圆柱形喷嘴设计〔直径为8mm的设备〔等离子喷枪就不是很理想了。如果要达到35%的沉积效率,就意味着粉末用量增加,喷涂时间延长,并最终导致喷涂成本升高。此外,由于等离子流不对称,注粉时不得不调整工装以及粉末注入等离子流的角度。在正式生产前进行的初始工装测试,如喷涂点分析,对测试部件喷涂所做的工艺控制都造成了不必要的复杂以及高强度工作,从未最终导致了成本上升,费用增加。Inordrtosimplifythesetuprceurendtoachevetimesavins,asablendcosistntplsajetisneeed.Cosquentl,twomaintargetsforptimizationofthecoatigprcsscanedeined.1.Improveofepsitioneffciecyofthecoatigprcss<torducethemaufacturngcsts>2.Genrateastablendcnsstentpasmajet<impctonidirctadddvalue>Oneopprtnitytoinflunceprocessstabilityadplasaproertiesstheadjustentoftheandedesgnwhhisfnctiningsanozzle.ormerinvestigatinswithdifferntnozzledsigsshwapotentialtocrasetheefficiecyofteatmspercplasasraing[9].Basednthesefindigsanewnzzedesinwsdeveloed,whichisdapedtothereuiredoudrycoditiosfrcatingprocessofturbecomonens<minimumspraydistance>.Thisnewnozzleconfiuratin<VMT-nozze>tebassfortefollowigpressoptimization.为了简化工装并节省时间,等离子射流必须要稳定并连续。这样一来,涂层工艺优化的两大目标由此可以得到确定：提高涂层工艺的沉积效率〔降低生产成本制造连续稳定的等离子射流〔影响间接附加值影响生产稳定性以及等离子性能的其中一个方式是调整对阳极的设计〔阳极作为喷嘴使用。以往改变喷嘴设计的研究表明了通过此方法提高大气等离子喷涂效率的可能性[9]。在此基础上,我们设计了一个新型喷嘴,该新型喷嘴能很好的适应叶片部件的边界喷涂〔最小喷距。而该喷嘴的配置〔VMT-喷嘴是接下来工艺优化的前提和基础。2.2 Optimiztionapproah优化过程Previosstdiessowaconflctbetweenicresigthedeositinefficiecyndthenedofacosistntcoatigporsity[10].Byincresingtenumbraddesityofmoltenpartcleinthesprystream,thecoatigensityincrasesandthereuiredprsitydecress.The maininfluecingfactorrecosquntlytemperature,velocityanddistriutionofparticesintespraystrem.TorealzeanncresdDEapssibeaprochsaholsticaminationofthecoatigprocs,descrbedinFig.3.之前的研究总是会在提高沉积效率和保持一致的涂层孔隙率之间相互矛盾[10]。通过在等离子射流中增加熔融颗粒的数量和浓度,可以达到涂层密度和孔隙率降低的目的。而主要的影响因素是等离子射流中粉末颗粒的温度,速度以及粒径分布。为了提高沉积效率,一个可行的办法是按照图3的程序对整个喷涂工艺进行全面的检查。Fig.3.plasmacoatigprocess,singasinge-cathode-anodesstem<e.g.F4/MC60>图3：采用单阴阳极系统〔如F4/MC60进行的等离子喷涂示意图,Potentialinflencngvrialesofthecatingrcssoptimizatinsare<elcted>:等离子喷涂工艺优化的潜在影响因素〔选定的a>Adjutmentofplasmapopertis:Plasmaenthalpy,-velocity,-viscsity,-density,-temperatureodifiedby→plsagases,→elctrcalowr,voltag,voltagefluctuatiosa>等离子性能的调整：下列因素可以改变等离子焓值、速度、粘度、浓度、温度：→等离子气体→电流、电压、电压波动b>Adjutmentofpaticlepopertis:Particlerainsizedistrbuton,particevelocty,temperauremdifiedby→powderfeedrate→carrirgsflow→injctioncnditiosb>粉末颗粒性能的调整:下列因素可以改变粉末颗粒的粒径分布、速度以及温度：→送粉率→载气流量→注粉情况c>Adjutmentofcotingeposition:Coatigthickness,-prsiy,-porosityistributinmodifiedby→spraydistance→moveentprceure→robotvelcity,offset,numberoflayersc>涂层沉积的调整：下列因素可以改变涂层厚度、孔隙率以及孔隙分布情况：→喷距→行走程序→机器人速度、偏差以及喷涂遍数1.3 Experimentlprocedure试验程序Thefirststepoftheptimzationprocessfcssonincresingtedpsitionefficiecy.Teaalyssecarridoutycoatingstaicspraysots.Thescdstepinvolvsanadaptinofthecoatngproprties<prsity/porsitydistrbution>andisrealizedycoatigsrins.Astrngsacatingwhchsroucdbyaverticalmovementoftherobot<cnstntrootsped>withohorzontaloffsetandterefrewithnooverlapingfpaths.工艺优化的第一步就是提高沉积效率。研究分析是在固定喷涂点上进行的。第二步则是改变涂层性能〔孔隙率/孔隙率分布并通过涂层列来实现。涂层列是指通过机器人〔机器人速度恒定垂直运动来进行喷涂所制备的涂层,无水平偏差,因此不会产生涂层重叠的情况。Testeris>Adjustmntofplasmapopertis:testobjcts=spraysposDevelopmenttarget=icrasigofDEtomaximum试验A系列>等离子性能的调整试验对象=喷涂点试验目的=将沉积率提高到最大值Byatheoretcalsumptonthatthearticleveociyshuldeslwspssibletogenrateahighporoscoatig,itisncssaryordcetetotalgsflwratetoaminmum.Frthrmoreahighempratureoftheplasajetisfavourdtoraisetepercentgeofmoltenprticlesadthrughthisanincresingofdepsitionfficiency.Tisfactsnfluecedychngigthecntentofmoleculrgs<hydrogn>intheplasa.ThetestsrestooptimizeDEarednebycnstntcatingdstace,costanteecrcalpower,cnsantpowderfedrate.从理论上假定,如果需要制备多孔涂层,则粉末速度需要越慢越好,如降低粉末速度,则总燃气流量必须要降至最低。另外,等离子射流的温度越高,粉末熔融的比率就会越高,这样一来,沉积率也相应得到提高。但改变等离子流中分子气体〔氢气含量可以影响该情况。通过恒定喷涂距离、恒定电流以及恒定送粉率来实现沉积率优化系列的实验。Theowderfeedrateofthestndrdcoatingrcsswith80gminhsensed.oachieveheminimumcatingdistncetheplasaprpertis-velocity,temperatreareinfluecedyvaryingtotalgasflwraeandrg/hydrognrtio.ResulsofthesetstsriesaresowninFig.4.标准喷涂工艺使用80g/min的送粉率。为了达到最小的喷涂距离,通过改变气体总流量以及氩气和氢气的比率来调节等离子性能〔速度和温度。该系列试验的结果如图4所示：Fig.4.influeceofargonhydroenratoandtotalgsflowtoDE,P=30kW图4:氩气/氢气比率及总气流对沉积率的影响,P=30kWIncosieraionofaodeandcathewarndalimitation oftheusedequipent, aratioofargn/hydroenof4:1ndatotalgsfowrateof7.5slpmrechse.TheometryoftheVMTnozzleleastoareuctionoflnthoftheemittedpasajetcomaredtothecylinriclnozzle,Fig.5.Durngteprevioststsitbcomsceartattheprstinjectincoditionof100°inplasmaflowdirectinisnottheoptimumfortheVMTnozzle.考虑到阳极和阴极的磨损以及所使用设备的限制,选择4:1的氩气/氢气比率,气体总流量为37.5slpm。如图5所示,相对于圆柱形喷嘴,我们设计的几何形状的VMT喷嘴减小了等离子流发散的长度。按照之前的试验结果,目前的100度并不是VMT喷嘴的最佳注入角度。Fig.5.Imaesofplsajetsstanard<top>.optimizd<tton>图5：标准等离子流〔上图与优化后的等离子对比效果图〔下图Duetothstepwdrinjctionointisplacedclosertothenozzleexit,theinjectionngleschngedrm100°to0°nflowdirecton.Theresltisalogerexposuretimeofprticlsinthepasajetrsultingnanehacedmeltingbaviour,theDEincrassfrom28%to46%.由于这样的原因,注粉点设置得离喷嘴出口更近,而注粉角度就从顺流方向100度变为90度。这样一来,等离子流中粉末颗粒的暴露时间就会延长,那么粉末熔融情况得以加强,沉积效率从28%增加到46%。FortheseectedplsaparametrandowerinjectincoditiontheDEisoptimzedrelatedtoteadjstmentofelectrcalpwer,Fig.6.在选定等离子参数及注粉条件的情况下,如图6所示,通过调整电流达到提高沉积效率的目的。Fig.6.influnceofelctrcalowervriatiosonDEandarcvoltge,powderA图6：电源调整对沉积率以及电弧电压的影响示意图,粉末AForthenvstigatedeltricalowerranethearcvoltageisamostcostntTheassciatedcostntarclength indicates afixation oftheaneattacheent<arc>isdethenzze. Infirstassumptinhiseffectscasdbytegometryofthenozzledduetothisthespcificfuiddynamcsofthegeratedplasaflow.T.1sowsacomarsnofspcificpasmapraeters,stadrdvs.improved<VMT>.按照我们研究的电流范围,电弧电压是最稳定的。稳定的电弧长度表明喷嘴内部阳极〔电弧的稳定情况。我们首先假定是几何形喷嘴对阳极的影响造成的。以及由此产生的等离子流的特殊流动性,表1中是标准喷嘴及改进后的喷嘴〔VMT,在特定等离子流参数下的对比情况。Tab.1comparisonofcharctrsticalpasaparmetersofthestanardadoptimizedrcss<VMT>表1：标准喷嘴及优化喷嘴的等离子性能参数对比表StndrdVMTrgon/hdrognrtio4:14:1Electricalpwr[kW]Plasmaoltage[V]Voltagefluctuations[V]±22±11Thrmalefficiency[]标准喷嘴优化后喷嘴/氢气比率4:14:1电源[kW]等离子电压[V]电压波动[V]±22±11热效应[]Testeris>Adjustmntofpaticlepopertis:testobjcts=spraysposandstrnsdevelopenttarget=aximiztionofDEandprsityadjstment试验b系列>颗粒性能调整:试验对象=喷涂点及喷涂行试验目标=将沉积率增加到最大,并实现孔隙率的调整Usngtheopimizedpasa-adinjctionprametrsfromtstseresa>,theprosityfrcostantcoatigdistaceecreaseselwtheminimalcceptedleve.Tocuntrt,theporsityisadjstedbyoptimiziggrainsizedistributionofthespraypowerandcoatigdistace.estadardsedYSZpwdrshwsagrainszedstributinof-12+22m<powderA>.Inordrtocieveahigerporosityevel,thefiefractionsrmovedandagrainszedstributinof-12+44µm<powderB>sdetermnedstheoptimmdistriution.Furthrmre,thecatigdistnceisoptimizdto160mm.Byadjustinghegrainszedistriution,theprsityisicresedfrm1%<pwdrA>toarquiredorsitylevelofaprox.2%<pwdrB>.采用试验a系列中的优化等离子及注粉参数,由于恒定喷涂距离的降低,孔隙率得以降到最低可接受水平。为了应对此情况,通过优化粉末颗粒的粒径分布以及喷涂距离,可以对孔隙率进行调节。标准工艺中使用的YSZ粉末的粒径分布范围为-12+22m<粉末A>.为了达到更高的孔隙率水平,去掉较细颗粒部分,我们决定采用-12+44µm〔粉末B作为优化后的粒径分布。此外,优化后的喷涂距离为160mm。通过调整粒径分布范围,孔隙率从13%〔粉末A增加到所需的20%左右〔粉末B。Duetotheesntdevepmentrsults,itispssibetodedceanoptimizedaraetersetforcoatingofporusYSZwithsecifcporsitylevel.按照目前的研究结果,可以推导出通过优化参数设置,达到YSZ涂层所要求的孔隙率水平。Tocarctrizeteprticleroerties<velcity,temperatur>ofothcotingpraeters<stadd,improvd>SrayWachmasreentsrecrredou.Thecopativeanalssclrifiesadifferncenparticevelocity:fortheoptimizedcoaingparametrthevelocitysreucedbypprox.0m/scoparedtothestanardparmeter,Fg.7.通过Spraywatch对两种喷涂参数〔标准及优化后的进行颗粒速度和温度的测量。分析对比表明颗粒速度的区别为：如图7所示,与标准工艺参数相比,优化后喷涂参数的颗粒速度降低了大概10m/s.Themasurementsofarticletemeratrsshwsimilrvalsfrothprametrsatspecifccoatigdistacs,Fig.8.在喷涂距离一定的情况下,而所测量到的两种参数的颗粒温度结果差异不大,见图8.Fig.7.comarisonofprticevelocityalngtheaxis,stanardvs.mprovdparameter图7：标准及优化参数的粉末颗粒速度对比图,Fig.8.comprisnofpartcletemperaturealongtheaxis,stanardvs.improvdparmeter图8：标准及优化参数的粉末颗粒温度对比图,Theimrovdinnrnzzedsign<VTnzzl>ldstoadecelrtedplsmaet,whichrsultsinredcedparticeveloctycomparedtothestanardparmeter.Toralizeasimplifiedrobtmovementrocedreandtoredcetheprorammgeffortofcatingprogrmsforcoplexcomonntgeometres,norienatio-indeendntsingecoatigspotwsdeveloed.AnoverviewofthesersultsssowninTab.2.改进后的内孔喷嘴设计〔VMT喷嘴会导致等离子流速度的降低,因此相对标准参数而言,粉末颗粒的速度会相应降低。为了达到简化机器人移动程序以及降低复杂工件喷涂程序编程的难度,我们开发了非定向单一喷涂点模式。通过表2可以查看相关结果。Tab.2.Coparsonstadardvs.imrovedcoatigparmetersforsecifccatingdistnce表2：喷距一定的情况下,标准与优化后喷涂参数的对比效果表Testseriesc>Adjustmntofcotingespostion:testobjcts=coatingpatedevelopenttarget=oogeeosprosity试验C系列>涂层沉积的调整:试验对象=喷涂板研发目标=均匀孔隙率Incntrstto"stanard"prcselopmensnthermalsprying,thetargetofthisevelopmntisfocsedonincrasngtheprocsefficiecybykeping<ntchangng>thecoatigprperti.Porsity,porositydstriutionndcatingthcknsshavetoecmparableandinthesaedefinedrngeforbothcoatingprcss.与热喷涂中的"标准"工艺研发相比,本工艺研发的目标是在保持〔不改变涂层性能的前提下,提高涂层生产效率。在相同的界定范围内,对两种工艺制备涂层的孔隙率,孔隙率分布以及涂层厚度进行对比。Durngthecoatingrcs,thecoatigdepsitionisrealzedbyaverticaldsplcemntofstrngs.Arasofhighndwprsityreovrlapigandformacoatigwithaspcificporsitydistributinadporsityvalue.在喷涂过程中,涂层沉积通过喷涂行的垂直位移来实现。多孔和低孔区域相互叠加,并形成了一个有特殊孔隙率分布和孔隙率的涂层。Inordrtoachieveauniformporsitydistributinandvalue,plateswithdefindplasaaraeter<tstseres>>,njectincoditions,pwderadsraydistace<ttseresb>>arecatedwithdifferntoffsets.为了达到均匀的孔隙率分布和数值,我们按照特定的等离子参数〔试验a系列,注粉条件,粉末和喷涂距离〔试验b系列,采用不同的偏离值,对试验板进行喷涂。Fortesngecatingstgeometre,averticaloffsetof 8mmand asubseqentpositive/ngtivedispacementof4mmforthestrtingpointofthefollowiglayrshstheoptimumrardigporostydistriutionndovrallorsity.Fig.8.sowsteinflueceoftheoffsettotheporsitydistribution.对于单个喷涂点的几何形状,8mm的垂直偏离以及下一涂层从起点位置的±4mm的位移,这些数据都显示了孔隙率分布和叠加孔隙率的最佳情况。图8显示的是偏离对孔隙率分布的影响。Fig.8.influenceoftheofsettoporstydistributio,averaevaleandmin./maxvalues图8：偏离对孔隙率分布,均值以及最大/最小值的影响示意图Usngtheotimizedcoatngpraetrandcncptwithaicresedpowdrfederaterm80g/minto100g/mn,adepsitionefficiecyof>9%coprdto35%isreaized.采用优化后的涂层参数及理念,送粉率从80g/min提高到100g/min,沉积率从35%提高到了59%。Acomprisonofqualiybetweenstanarddoptimizdocssgienbythecrssctinimags,Fig.9andFig.10.图9和图10显示的是标准工艺和优化后工艺的涂层质量的截面对比图Fig.9.Crsssctionimaeforstadardprcss,powderfedrate80g/min,DE35%图9.送粉率80g/min,沉积率35%,采用标准喷涂工艺制备的涂层界面图Fig.10.Crssctionimgeforoptimedprcs,powderfedrate100g/mi,DE>59%图10.送粉率100g/min,沉积率>59%,采用优化喷涂工艺制备的涂层界面图Additionalaalysisofchnicalrpertisofbthcoatigsstms<stadr,improve>areonefrriskmitiationndtocmpretheechancalbehavirunerthermallod.对两种工艺〔标准及优化工艺所制备涂层的机械性能进行分析,以便对这两种涂层在热负载下的机械性能进行对比分析。ForhsCPsesreureentsrecared.ThICP sesrsstem measures curvature adtemperatureofsustratsdurigdpsitionadasodurigcooligdwnaftercoatig.Evlving,rsidlstrsssndelastcoduusofcoatinsreroviddbyrcorsetomesementofhesustraecurvatre[11.使用ICP传感器进行涂层机械性能测量。ICP传感系统对基体在沉积及喷涂完成后冷却过程中的弯曲度和温度进行了测量。通过涂层的变化应力、残余应力和弹性模量等数值来对基体弯曲度进行测量。Twotypesofstresssaredefindasfollwd:evolvingstrss:mchancalnnrstressswhhoccurdrigcoatigadresdualsrss:summatinofevolvingandthrmalstrssesescriesstrssstatusofthecoatig/sbsrate<aumim>systemafercoolngtoromtemperate.在此我们定义了以下两种应力：变化应力和残余应力,变化应力是指喷涂过程中的内部机械应力；而变化应力和热应力的总和,就诠释了涂层/基体〔铝制系统冷却到室温过程中的应力变化状态。Bycomparonofbothsrsstypesfrthestanardandoptimzdcatingrcssitbcmesclertattheavergevaluesfreolvingadresiualstrssareredcdby50%fortheoptimizdrocess.通过标准工艺和优化工艺的应力类型对比情况,我们可以很清楚的看到优化工艺所制备涂层的变化应力和残余应力均值降幅达到了50%。AcomprisonoftheachieedvalusforevolvingandresdualstrssareshwnnFig.11.图11显示的是变化应力和残余应力的测量值对比图Fig.11.evolvingandrsdualstresssforstanardandoptimzdcoatigprcss图11标准工艺和优化工艺的变化应力和残余应力对比图Conctedto thesress masurements,temeasuredsubstrateteperatrsforbothcatigprcssesealosttesme<stanard=30,optimizd=40°C>.相对于应力测量,对采用两种不同工艺喷涂的基体所测量到的温度差别不大〔标准工艺=350℃,优化工艺=340℃。Formesrngthethmo-mcancalbhaviorofthecoatingsystemforechprametrset,samplsarecycldinisothrmalcnditiosupto250C.Tecurvatretmperatureolutionismonitoredoextracttheeasticehavirofthecoatngsystesninteractionwiththesbstrates.hecrvaturesurigheatingpareshwnnFig.12anddepctin