CN104372285A - 一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法，所述方法包括试件预处理，制作喷涂模板，喷涂试件以及试件后处理这些处理步骤。通过本发明提供的方法制作的散斑能够在2000℃～3000℃的超高温环境下应用，所制作的散斑具有耐高温、结合性强、无脱色、厚度均匀、图像对比度高的特点，能够方便相机采集散斑图像，进而为数字图像相关法在2000℃～3000℃的超高温环境下测量试件应变提供计算数据。

Description

一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法

技术领域

本发明涉及一种人工散斑制作方法，特别涉及一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法。

背景技术

常温环境下基于数字图像相关法的三维应变测量研究日趋成熟并被广泛用于实际工程领域，而超高温环境下的三维测量分析研究大多处于探索阶段。散斑图像是基于数字图像相关法测量试件高温应变的分析对象，试件表面散斑图像的质量直接影响后续应变测量的精度。

目前制作高温散斑采用黑白高温漆喷涂试件制作散斑，但是目前的高温漆只能在1500℃以下使用，随着温度的升高，高温漆与试件材料的因膨胀系数不同，结合力下降，发生不同程度的变形甚至发生脱层现象，与空气中的氧气、水份等在高温下易发生化学反应而脱色，相机采集到的图像已完全失效，不能进行相关性计算，因此，高温漆不适合超高温度环境下的散斑制作。

因此，为了在超高温环境下更广泛的应用此测量方法，迫切需要一种超高温散斑图案的制作方法，以满足超高温环境下试件变形状态采集，保证散斑图像质量，进而在线全场测量超高温试件的变形位移并揭示试件的变形规律。

发明内容

为了克服现有散斑图案制作方法的不足，并满足超高温环境使用的要求，本发明提供了一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法，可以有助于在超高温环境下应用数字图像相关法实现试件表面的三维全场应变的测量。

一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法，所述方法包括下述步骤：

步骤1：试件预处理：根据材料的应变大小选择不同的预处理方式；其中，对于应变大于等于30％的试件在进行粗化处理之后再进行净化处理，而对于应变小于30％的试件进行净化处理；

步骤2：制作喷涂模板：根据所述试件大小制作完全覆盖所述试件上的喷涂模板；

步骤3：喷涂试件：用制作好的喷涂模板将经过预处理后的试件包裹紧密，利用等离子喷涂工艺对所述试件进行喷涂；

步骤4：试件后处理：在喷涂完成后，对喷涂后的试件进行冷却处理。

本发明方法具有以下优点：

(1)由于本发明方法使用等离子喷涂耐高温金属粉末工艺，因此，散斑具有较高的耐高温性和结合性，喷涂表面质量高，对工件热变形影响小，喷涂材料广泛。

(2)由于本发明方法制作的高温散斑操作简单方便，效率高，便于工业现场制作。

(3)由于本发明方法使用模板作为散斑喷涂形状，对散斑形状与大小无硬性要求，因此模板制作的柔性大。

附图说明

图1本发明方法具体操作流程图；

图2本发明方法喷涂装置示意图；

图3平板试件喷涂模板；

图4圆柱试件喷涂模板；

图5平板试件喷涂模板形成的散斑场；

图6圆柱试件喷涂模板形成的散斑场。

具体实施方式

在一个实施例中，一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法，所述方法包括下述步骤：

步骤1：试件预处理：根据材料的应变大小选择不同的预处理方式；其中，对于应变大于等于30％的试件在进行粗化处理之后再进行净化处理，而对于应变小于30％的试件进行净化处理；

步骤2：制作喷涂模板：根据所述试件大小制作完全覆盖所述试件上的喷涂模板；

步骤3：喷涂试件：用制作好的喷涂模板将经过预处理后的试件包裹紧密，利用等离子喷涂工艺对所述试件进行喷涂；

步骤4：试件后处理：在喷涂完成后，对喷涂后的试件进行冷却处理。

在这个实施例中，所述试件预处理是利用等离子喷涂制作散斑的重要环节，目的是提高散斑涂层与试件的结合强度，根据试件的应变大小来选择合适的预处理方式，帮助提高散斑涂层和试件的粘结力。

对于试件预处理，主要预处理方式包括净化处理和粗化处理。对于小应变试件，通常指所述试件的应变小于30％的试件，如果试件表面仅有少量的油脂、锈迹等，可采用有机溶剂，比如使用酒精等对试件表面进行净化处理，需要注意的是：所选择的有机溶剂不能与所述试件发生化学反应。

对于大应变试件，通常指所述试件的应变大于等于30％，无论试件初始表面质量好坏，锈迹多少，都应先进行粗化处理，然后再进行净化处理。其中，粗化处理可以根据所述试件的形状、材质以及粗糙度的大小，可采用喷砂或化学砂面处理。

无论是利用有机溶剂对试件表面直接进行净化处理，还是先对所述试件表面进行粗化处理后再进行净化处理以及其他预处理方式，所述试件预处理，都是为了增强喷涂粉末与所述试件表面的结合力。

在制作喷涂模板时，需要根据试件大小，制作可以完全覆盖于试件之上的喷涂模板，所述喷涂模板通常采用金属薄板，其上有遍布于所述喷涂模板的网状镂空，所述镂空处即为在等离子喷涂粉末后形成散斑的地方。所述镂空的形状无定性要求，圆形、正方形、S形均可。制作的散斑形状和大小即可通过所述喷涂模板得到，因而在实际制作过程中选择便于在采集的图像中能够明显分辨出的散斑图案为宜。

所述镂空的大小及数量主要与试件的测量幅面大小有关，所述镂空的网格最大面积即为散斑面积，为了便于估算适于测量的散斑的大小，假设所述散斑面积的估算采用正方形面积，边长为a毫米，则a的估算步骤如下：

步骤i：设测量幅面的宽为F_w毫米，幅面的高为F_h毫米；设用相机拍摄面积的宽为W像素，所述相机拍摄面积的高为H像素，则F_w、F_h、W和H满足下述关系：

$\frac{F_w}{F_h}=\frac{W}{H};$

步骤ii：假设计算时面片大小为W_面×W_面像素，其中W_面根据实际测量需要设置，所述面片大小对应的计算区域为A×A平方毫米，则A的计算公式如下：

步骤iii，假设制备的散斑特征系数为η，则a和A的关系为：

a＝η×A；

将A的表达式代入a＝η×A中，则：

在一个实施例中，所述面片大小设置为15×15像素，在另一个实施例中，所述面片大小设置为25×25像素。

在一个实施例中，所述散斑特征系数为60％，在另一个实施例中，所述散斑特征系数为65％，在第三个实施例中，所述散斑特征系数为70％。

对于金属薄板的选择，由于利用等离子喷涂，喷涂时温度较高，等离子弧的整体温度均在10000℃以上，对金属模板会产生一定的损伤，产生熔化情况，所以将金属模板作为耗材使用，因而可以采用低廉的材料，但是为了不影响散斑的制作质量，对金属薄板的材质的选择需要考虑喷涂时的温度。而对于金属薄板的厚度则需要满足在高温等离子喷涂时，模板金属材料受到的烧蚀影响较小，至少应该保证在喷涂过程中不能被完全烧蚀掉。另外，为了使模板材料产生较小的熔化影响，需要控制喷涂时间，并在喷涂完成后迅速取下模板，以防止模板金属熔化粘附在试件上。根据试件的不同形状，可以选择方便合适的喷涂模板覆盖方式，对于圆柱形试件，所述喷涂模板可采用将整个喷涂模板包裹在试件表面上，也可采用网状金属缠绕试件表面，只要喷涂模板能与试件包裹紧密，在喷涂模板镂空处形成清晰、厚度均匀、图像对比度高的散斑即可。

在一个实施例中，选择45号钢作为金属薄板来制作包裹试件的喷涂模板。利用等离子喷涂技术进行喷涂，等离子弧的整体温度均在10000℃，足以融化喷涂粉末，并且作为喷涂模板的金属薄板也会受到烧蚀，但是带有喷涂粉末的等离子体喷到所述试件上后，温度急剧降低，而且喷涂时间短，金属模板不会迅速熔化。

对于喷涂材料的选择，需要根据所述试件的颜色和所述试件在测量时的温度环境，因此所选择的喷涂材料需满足两个条件。第一，所选喷涂材料与喷涂前的试件的颜色有一定对比度，所述有一定对比度为所选喷涂材料的颜色与未喷涂前试件表面的颜色形成鲜明对比，这样制成的散斑图像清晰明显，方便在对所述试件进行形变测量时进行图像采集，比如试件为白色，则喷涂材料不宜选择淡黄色，但是如果试件为红色，则喷涂材料可以选择淡黄色。第二，喷涂材料熔点需高于测量所述试件应变时的温度，这样保证了制作的散斑在高温测量时不会变形，如试件为碳碳复合材料，测量所述试件应变时的温度为2000℃，可采用钨粉进行等离子喷涂，而钨的熔点为3410℃。

由于在等离子喷涂过程中，等离子喷涂装置的喷射力比较大，喷涂前必须将所述试件与喷涂模板一起固定在夹具上。喷涂前，根据所述试件与喷涂粉末材料的要求设置等离子喷涂装置的参数；喷涂时，所述喷涂粉末被载入等离子焰流时，呈半融化状态，高速喷射在零件表面上；喷涂后，所述喷涂粉末通过所述喷涂模板的镂空附着在所述试件上，形成致密涂层，而所述喷涂模板的其他位置保留所述试件喷涂前的状态。对于喷涂停止的判断，以肉眼能够看出喷涂位置与喷涂前所述试件的表面颜色产生明显差异为准。

在喷涂完成后，覆盖有喷涂模板的试件和所述喷涂模板的温度都很高，需要对试件进行冷却等后处理工艺。在进行后处理之前，需要用钳子、夹子等工具把所述试件与喷涂模板分开，所进行的冷却处理根据所述试件的材料性质，或者选择风冷处理，或者自然冷却处理，或者其它冷却方式处理，但是不论是何种冷却方式处理，均不能改变所述试件的材料性能。

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法，操作步骤如图1所示，依次进行试件预处理，制作散斑模板，喷涂试件和试件后处理，每一步的具体操作如上所述。

本发明所采用的硬件装置组成如图2所示，包括等离子喷涂装置和欲进行喷涂的试件。

所述等离子喷涂装置包括用于产生等离子体的阴极和阳极，其中所述阳极呈尖端状，在所述等离子喷涂装置的下方的后面部分有用于吹出等离子体的工作气体入口，所述工作气体作为喷涂时的动力源；在所述等离子体喷涂装置的下方的前面部分有喷涂粉末的入口。在所述阳极和阴极之间有个腔体，在所述腔体内，被所述工作气体吹出的等离子体和用于喷涂的喷涂粉末混合，由于所述等离子体温度较高，所述喷涂粉末与所述等离子体混合后呈熔融粒子状态。

所述试件在所述等离子体喷涂装置的正前方，所述试件被喷涂模板所包裹。在所述工作气体的吹力作用下，所述喷涂粉末与所述等离子体的混合物被喷射到所述喷涂模板上，在所述喷涂模板镂空处所述试件的表面上形成喷涂涂层，即为散斑。这样制作的散斑涂层具有结合强度高、对试件影响小、可精确控制的特点。

如图3和图4所示，喷涂模板的镂空可为正方形、圆形等任意形状，排列顺序也不受严格限制，其形状与散斑制作效果没有影响。所述镂空大小根据试件大小和测量需要不同而不同，并且每个镂空的大小也不需要一致。用图3和图4所示的喷涂模板喷涂后的效果图如图5和图6所示。

通过本发明提供的方法制作的散斑能够在2000℃～3000℃的超高温环境下应用，所制作的散斑具有耐高温、结合性强、无脱色、厚度均匀、图像对比度高的特点，能够方便相机采集的散斑图像，进而为数字图像相关法在2000℃～3000℃的超高温环境下测量试件应变提供计算数据。

以上对本发明所提供的一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于等离子喷涂的高温散斑制作方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：试件预处理：根据材料的应变大小选择不同的预处理方式；其中，对于应变大于等于30％的试件在进行粗化处理之后再进行净化处理，而对于应变小于30％的试件进行净化处理；

步骤2：制作喷涂模板：根据所述试件大小制作完全覆盖所述试件上的喷涂模板；

步骤3：喷涂试件：用制作好的喷涂模板将经过预处理后的试件包裹紧密，利用等离子喷涂装置对所述试件进行喷涂；

步骤4：试件后处理：在喷涂完成后，对喷涂后的试件进行冷却处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：优选的，所述喷涂模板为镂空网状金属薄板。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过假设散斑为正方形来估算适于测量的散斑的大小，假设所述散斑的边长为a毫米，则a的估算步骤如下：

步骤i：设测量幅面的宽为F_w毫米，幅面的高为F_h毫米；设所用相机拍摄面积的宽为W像素，所述相机拍摄面积的高为H像素，则F_w、F_h、W和H满足下述关系：

$\frac{F_w}{F_h}=\frac{W}{H};$

步骤ii：假设计算时面片大小为W_面×W_面像素，其中W_面根据实际测量需要设置，所述面片大小对应的计算区域为A×A平方毫米，则A的计算公式如下：

步骤iii，假设制备的散斑特征系数为η，则a和A的关系为：

a＝η×A；

将A的表达式代入a＝η×A中，则：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述散斑特征系数的取值范围为60％～70％。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述镂空的形状包括圆形，方形，S形或其它形状。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述喷涂模板的厚度以在喷涂完时不会被完全烧蚀为准。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中喷涂时所选择的喷涂材料的颜色与喷涂前试件表面的颜色能产生差异对比。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中喷涂时所选择的喷涂材料的熔点高于测量所述试件应变时的温度。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中喷涂结束的判断标准为以肉眼能够看出喷涂位置与喷涂前试件表面的颜色产生差异为准。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述金属薄板的材质根据喷涂时的温度来选择。