本發(fā)明涉及等離子噴涂技術領域，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：

隨著等離子噴涂技術自身的飛速發(fā)展以及噴涂粉末制備工藝的日趨成熟，目前已能夠將多種金屬、陶瓷、金屬陶瓷及其它復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)。但是大量的噴涂實踐表明，涂層內部的缺陷含量(孔隙、氧化夾雜、微裂紋等)、殘余應力、沉積效率、力學性能(結合強度、內聚強度、彈性模量、顯微硬度等)、組織結構等均會隨著熔滴沉積質量或基體狀態(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，大多是在經驗范圍內選取若干組參數，隨后根據人工神經網絡、田口試驗、正交試驗、完全析因設計等方法確定最優(yōu)噴涂參數，其主觀性較強，無法從根本上找到涂層產生不同變化的原因，這也直接導致了涂層體系創(chuàng)新速度緩慢，新材料從研發(fā)到投入使用需要經歷較長的周期。

技術實現要素：

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，以解決上述技術問題。

為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

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：獲取涂層中的單個凝固斑點；

數字形貌提?。禾崛∧贪唿c的邊緣形貌；

計算參數：根據邊緣形貌計算凝固斑點幾何形貌評價參數，該參數包括固化指數、圓度、離心率及分形維數；

優(yōu)化工藝方法：根據上述計算的參數數值，對超音速等離子噴涂工藝中的各步驟進行調整優(yōu)化。

進一步的，獲取斑點時，粒子撞擊在基體上形成凝固斑點，在獲取斑點步驟之前，對基體進行超聲清洗，去除基體表面污染物。

進一步的，數字形貌提取為將凝固斑點與基體分離，具體為：

通過閾值計算方法對所述凝固斑點的掃描電子顯微圖像進行二值化處理；

采用label函數對凝固斑點的二值圖進行標注，并將單個連通域最大的區(qū)域設定為凝固斑點區(qū)域；

采用形態(tài)學處理方法對凝固斑點進行濾波處理，包括數字圖像的膨脹算子與腐蝕算子；

采用candy算子提取凝固斑點的邊界，最終完成邊緣形貌的提取。

進一步的，計算參數步驟中，具體的計算方法為：

固化指數：通過計算凝固斑點面積與其邊界包絡線面積之比，提取凝固斑點的固化指數；

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

離心率：以凝固斑點的質心為中心，質心的計算方式為：

其中，E(j,i)表示凝固斑點二值圖的矩陣形式，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與總行數，以最小外切圓的半徑作為橢圓的長半軸a，隨后縮尋找一個最小的短半軸b作橢圓，并使橢圓能夠完全覆蓋凝固斑點的所有像素點，此時長半軸a與短半軸b的比值即為凝固斑點的離心率；

分形維數：采用沙盒法覆蓋凝固斑點邊緣，初始盒子的邊長為凝固斑點邊長的1/10，以凝固斑點邊長1/100的長度逐漸遞減，分別提取盒子邊長ε(N)，以及此時覆蓋有凝固斑點的正方形個數N，則ε(N)與N之間滿足關系：

N(ε)∝ε^-D

其中，D為凝固斑點的分形維數。

進一步的，優(yōu)化工藝方法步驟中，具體的：

當圓度小于0.43時，需要調整制粉工藝或調整相應的噴涂參數；

當離心率小于0.47時，需要調整等離子噴槍的噴涂角度；

當固化指數小于0.546時，需要降低噴涂功率或提高主氣流量；

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

在噴涂過程中，優(yōu)選圓盤型粒子凝固類型。

進一步的，獲取斑點時，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。

進一步的，所述超音速等離子噴槍移動速度設定為6m/min，將送粉量當量設定為3。

進一步的，所述擋板表面的粗糙度Ra＝1.5μm。

進一步的，掃描電子顯微鏡的拍攝模式為二次電子，電壓5-10kV。

進一步的，通過濃度為97.5％的乙醇對基體進行超聲清洗。

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，先獲取單個的凝固斑點，得到熔滴凝固斑點的數字形貌圖，根據數字形貌圖，計算固化指數、圓度、離心率及分形維數參數值，參考參數值，可以實現熔滴凝固類型的定量判定，可得到相應的涂層優(yōu)化方向；如，圓度小于0.43時，說明需要調整制粉工藝或調整相應的噴涂參數；離心率小于0.47時，需要調整等離子噴槍的噴涂角度；當固化指數小于0.546時，需要降低噴涂功率或提高主氣流量；三者都滿足條件時，通過優(yōu)選凝固斑點分形維數則作為噴涂參數最終選取的主要指標，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，方法簡單，優(yōu)化方法通過計算參數獲得，更加精確，具有一定的客觀性，更加的科學高效。

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)化方法的凝固斑點數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)化方法的凝固斑點固化指數計算原理示意圖；

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

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

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

圖中：

1、粒子；2、基體；3、擋板；4、孔。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術方案。

從微觀角度來看，等離子噴涂涂層是由噴涂粒子經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象是涂層成形過程中最基本的理化行為。

這一過程實際上是一個發(fā)生在微米級空間尺度、亞微秒級時間尺度上的物理現象，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，凝固界面推進速度約為63cm/s，熔滴完全凝固所需時間僅為0.4μs，固化后的厚度約為3μm。這其中經歷的不同凝固過程直接影響到整體涂層的物相轉變、缺陷生長及殘余應力等關乎涂層質量的指標。單個熔滴的凝固形貌在很大程度上能夠反應這些指標與涂層宏觀性能之間的關系，因而對單個熔滴凝固行為的定量研究對更加科學地進行涂層優(yōu)化設計，從粉末結構、成分、物相到工藝參數、基體預處理狀態(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：獲取涂層中的單個凝固斑點；

如圖2所示，獲取斑點時，粒子1撞擊在基體2上形成凝固斑點，在獲取斑點步驟之前，通過濃度為97.5％的乙醇對基體2進行超聲清洗，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速度設定為6m/min，將送粉量當量設定為3，這樣也可以達到在一定程度上減少凝固斑點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的收集效率，又可以達到避免凝固斑點相互連接的目的；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上的涂層可自動掉落，可多次使用。通過調節(jié)等離子噴涂工藝參數，包括Ar，H₂，N₂，電流，噴涂距離，噴涂角度等，可以獲得不同參數下的熔滴凝固形貌。

數字形貌提取：提取凝固斑點的邊緣形貌；

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

計算參數：根據邊緣形貌計算凝固斑點幾何形貌評價參數，該參數包括固化指數、圓度、離心率及分形維數；

如圖4-7所示，固化指數：通過計算凝固斑點面積與其邊界包絡線面積之比，提取凝固斑點的固化指數，依據固化指數的大小判定凝固斑點對應噴涂粒子的熔化狀態(tài)；

圓度：以凝固斑點的最大內切圓與最大外切圓的比值作為其與圓形凝固斑點的接近程度，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的形貌越趨近其它不規(guī)則形狀。當熔滴的圓度小于0.43時，需要對噴涂粉末的制備方式進行重新優(yōu)化，否則所制備涂層的結構缺陷較多，內聚強度不高

離心率：以凝固斑點的質心為中心，質心的計算方式為：

其中，E(j,i)表示凝固斑點二值圖的矩陣形式，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與總行數，以最小外切圓的半徑作為橢圓的長半軸a，隨后縮尋找一個最小的短半軸b作橢圓，并使橢圓能夠完全覆蓋凝固斑點的所有像素點，此時長半軸a與短半軸b的比值即為凝固斑點的離心率，離心率的取值范圍為(0，1)，越接近1說明此時凝固斑點的形貌越接近圓形，反之則說明凝固斑點的形貌更加偏向于細長形。當離心率的值小于0.47時，需要調整等離子噴槍的角度。

分形維數：采用沙盒法覆蓋凝固斑點邊緣，初始盒子的邊長為凝固斑點邊長的1/10，以凝固斑點邊長1/100的長度逐漸遞減，如圖7a、圖7b、圖7c和圖7d，分別提取盒子邊長ε(N)，以及此時覆蓋有凝固斑點的正方形個數N，則ε(N)與N之間滿足關系：

N(ε)∝ε^-D

其中，D為凝固斑點的分形維數。

優(yōu)化工藝方法：根據上述計算的參數數值，對超音速等離子噴涂工藝中的各步驟進行調整優(yōu)化。

即通過計算不同凝固斑點特征參數之間的差異，決定工藝參數的優(yōu)化對象，當圓度小于0.43時，需要調整制粉工藝或調整相應的噴涂參數；當離心率小于0.47時，需要調整等離子噴槍的噴涂角度；當固化指數小于0.546時，需要降低噴涂功率或提高主氣流量；

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

在噴涂過程中，優(yōu)選圓盤型粒子凝固類型。

本實施方式所能達到的有益效果為：

1、通過提高等離子噴槍的移動速度、降低送粉量，以及在基體前預置擋板的方式，極大地提高了單個凝固斑點的收集效率與質量；

2、通過提取凝固斑點數字掃描電子顯微圖像，結合數字圖像分析技術與數學形態(tài)處理方法，對凝固斑點進行濾波，提高了凝固斑點幾何特征參數計算的精度；

3、通過分形維數、固化指數、圓度、離心率等參數對凝固斑點的幾何形貌進行判定，可以實現熔滴凝固類型的定量判定；

4、結合各類凝固斑點的幾何特征參數分析，指導噴涂參數優(yōu)化，使得等離子噴涂工藝優(yōu)化過程更為科學高效。

以上結合具體實施例描述了本發(fā)明的技術原理。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本發(fā)明保護范圍的限制?；诖颂幍慕忉?，本領域的技術人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可聯想到本發(fā)明的其它具體實施方式，這些方式都將落入本發(fā)明的保護范圍之內。