[发明专利]一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置与方法

说明书

一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置与方法，装置包括热窗口片，由等离子体射流中单个飞行粒子发出的热辐射经热窗口片后，依次通过带通滤波片、相机镜头，成像到单彩色CCD相机的芯片上，高温粒子自身的热辐射经过带通滤波片，将等离子体射流中高强度的等离子体自身及粒子表面蒸发的元素的线状光谱滤除后由相机镜头聚焦到单彩色CCD相机的芯片上，得到带通滤波片波段范围的粒子的飞行轨迹，单彩色CCD相机与计算机连接，在线监测粒子参数，本发明不仅能够在线测量高温等离子体喷涂射流中单个飞行粒子的温度、速度、粒径的大小，同时也能够获取单个粒子飞行过程中的温度变化的规律，还可以统计分析多个粒子的温度、速度、粒径的大小分布。

技术领域

本发明涉及高温高速粒子飞行参数测量技术领域，具体涉及一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置与方法。

背景技术

高温等离子体喷涂制备的热障涂层和防护涂层被广泛应用到航空发动机和燃气轮机的叶片上，提高了叶片的使用寿命。影响高温等离子体喷涂制备的涂层的工艺参数有很多且相互耦合，很难实现涂层质量的精确控制和可重复性生产。而影响涂层质量的本质参数是等离子体射流中飞行粒子的温度、速度、粒径的大小，通过在线监测粒子的参数，可以将多工艺参数问题转化为控制粒子的温度、速度、粒径三个参数，大大提高了涂层的质量的可控性和可重复性，同时监测单个粒子飞行过程中的温度的变化规律，可以对高温等离子体与粉末粒子的反应过程进行研究。现有的粒子飞行参数通用测量装置有两种：DPV2000与SprayWatch 2i。其中，DPV2000每次只能测量单个粒子参数，测量周期长，采用双光路，发射率引入误差导致温度测量准确度受到影响；SprayWatch 2i不能测量单个粒子的温度及温度的变化规律，只能测量温度的平均值，同时采用双光路，发射率引入误差导致温度测量准确度受到影响。上述两种测量装置难以获得单个粒子飞行过程中的温度的变化规律，并且不能同时完成多个粒子的温度分布、速度分布、粒径分布的统计分析。同时，两种装置结构相对复杂，成本较高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置与方法，不仅能够在线测量高温等离子体射流中单个飞行粒子的温度、速度、粒径的大小，同时也能够获取单个粒子飞行过程中的温度变化的规律，还可以一次性统计分析多个粒子的温度、速度、粒径的大小分布；此外，可以采用单光路测量，装置结构简单，能够降低发射率误差，提高温度测量的准确度。

为了达到上述粒子参数测量的目的，本发明采用的技术方案是：

一种等离子喷涂中粒子飞行参数的在线测量装置，包括热窗口片1，由等离子体射流中单个飞行粒子发出的热辐射经热窗口片1后，依次通过带通滤波片2、相机镜头3，成像到单彩色CCD相机4的芯片上，高温粒子自身的热辐射经过带通滤波片2，将等离子体射流中高强度的等离子体自身及粒子表面蒸发的元素的线状光谱滤除后由相机镜头3聚焦到单彩色CCD相机4的芯片上，得到带通滤波片2波段范围的粒子的飞行轨迹，单彩色CCD相机4与第一计算机5连接，在线监测粒子参数。

所述的带通滤波片2的带通波段的选择基于光谱分析方法得到，具体的选择方法是：

(1)聚焦光路的搭建:聚焦光路包括光阑8，等离子体射流的强辐射光先经过光阑8后，再经过平凸透镜9的聚焦作用，耦合到光纤探头11中，光纤探头11由光纤转接板10固定；

(2)光谱采集装置的搭建：采用高分辨率的测量波段在可见光到近红外波段的光谱仪12作为光谱采集装置的分析仪器，利用光纤转接板10将光谱仪12和光纤探头11连接起来，第二计算机13作为光谱数据存储和显示装置；

(3)光谱的采集：YSZ和Al₂O₃两种不同的陶瓷粉末注入到喷枪6中，喷枪6在机器手的带动下沿着喷涂射流方向移动，光谱采集装置捕捉不同位置处的光谱图，第二计算机13显示并保存采集到的光谱图，通过第二计算机13中的光谱图的波段选择原则确定带通滤波片2的带通波段；