CN109959647B

CN109959647B - 一种光谱诊断辅助装置

Info

Publication number: CN109959647B
Application number: CN201910309984.4A
Authority: CN
Inventors: 邓子谦; 毛杰; 张岩; 刘敏; 张小锋; 牛少鹏; 邓春明; 邓畅光; 杨焜; 宋琛
Original assignee: Guangdong Institute of New Materials
Current assignee: Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: CN109959647A

Abstract

本发明公开了一种光谱诊断辅助装置，涉及超低压等离子喷涂的光谱诊断技术领域。该装置用于配合光学发射光谱仪监测超低压等离子喷涂装置的等离子射流特性。其包括移动定位机构和光路采集机构。移动定位机构设置于超低压等离子喷涂装置，用于进行定位作业，光路采集机构设置于移动定位机构，用于当移动定位机构定位后，采集并监测等离子喷涂装置的等离子射流。该光谱诊断辅助装置可实现多位置、多角度测量，通过透镜与挡光板选择可实现主动选择光的方向及采集量，还可通过Abel转换实现空间分辨率的测量。同时通过配合发射光谱仪(OES)使用，可实现OES在VLPPS上的在线诊断，既可指导开发新型工艺又可以监控涂层质量与设备运转状态。

Description

一种光谱诊断辅助装置

技术领域

本发明涉及超低压等离子喷涂的光谱诊断技术领域，具体而言，涉及一种光谱诊断辅助装置。

背景技术

随着热喷涂涂层的应用越来越广泛，对热喷涂工作过程实现在线诊断的需求变得越来越迫切，主要有两个好处：一是加快新的工艺开发，二是监控加工过程以确保质量可靠和生产可持续。

超低压等离子喷涂(VLPPS)，是一类基于低压等离子喷涂(LPPS)发展而来的拥有更高真空度的等离子喷涂技术，包括真空等离子喷涂(VPS)、低压等离子喷涂－薄膜技术(LPPS-TF)、等离子喷涂－物理气相沉积(PS-PVD)和等离子喷涂－化学气相沉积(PS-CVD)，在功能涂层制备方面具有广泛的应用。由于工作压力低，且一般工作功率较高，超低压等离子喷涂(VLPPS)的射流相比最长可达3m，直径可达200～400mm，且射流亮度和温度比传统等离子喷涂射高很多，此外如果喷涂粉末足够细的话甚至可以实现粉末大量气化。这些特点使得传统的等离子喷涂诊断方式，如DPV-2000、焓探针法等等并不适用于超低压等离子喷涂射流特性的诊断。因此，操作简便、选择性好、灵敏度和准确度高对等离子体本身无干扰，能实现原位诊断的光谱分析就成为超低压等离子喷涂工艺生产过程在线诊断的首选。而发射光谱仪直接对超低压等离子喷涂射流诊断，面对如下难点：1)等离子射流光强值太大，即使调控发射光谱仪的狭缝也远高于仪器的测量范围；2)无法实现定点采集和移动采集的变换，更无法实现多位置、多角度、多节点的等离子射流特性光谱诊断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光谱诊断辅助装置，配合发射光谱仪(OES)使用，实现OES在VLPPS上的在线诊断，既可以指导开发新型工艺又可以监控涂层质量与设备运转状态。

本发明的实施例是这样实现的：

一种光谱诊断辅助装置，用于配合光学发射光谱仪监测超低压等离子喷涂装置的等离子射流特性，包括：

移动定位机构和光路采集机构，移动定位机构设置于超低压等离子喷涂装置，且用于进行定位作业，光路采集机构设置于移动定位机构，且用于当移动定位机构定位后，采集并监测等离子喷涂装置的等离子射流。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，移动定位机构包括驱动组件、连接组件及激光器，驱动组件设置于超低压等离子喷涂装置，驱动组件与连接组件传动连接，激光器设置于连接组件，驱动组件用于驱动连接组件带动激光器移动，以使激光器发出的激光与超低压等离子喷涂装置的喷涂激光器发出的激光相交汇，以进行定位。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，驱动组件包括垂直设置的第一支架和第二支架，第一支架与超低压等离子喷涂装置固定连接，第二支架与第一支架连接，连接组件包括第一连接板和第二连接板，第一连接板活动地设置于第二支架，第二连接板设置于第一连接板，激光器设置于第二连接板。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，第一支架和第二支架内均开设有滑槽，第二支架的滑槽内设置有可沿第二支架长度方向可选地锁定或滑动的滑块，第一连接板与滑块连接。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，第一支架和第二支架的滑槽内均设有螺杆调节组件，第二支架与第一支架的螺杆调节组件固定连接，滑块与第二支架的螺杆调节组件固定连接。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，螺杆调节组件包括调节钮和螺杆，螺杆沿滑槽的长度方向延伸设置，调节钮与螺杆固定连接，且用于在外力作用下带动螺杆转动。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，第一支架和第二支架均设有沿其长度方向延伸的刻度。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，第一连接板通过多个调节螺丝设置于滑块，以使第一连接板可相对于滑块倾斜，以相对于光学发射光谱仪调节激光器和光路采集机构的位置。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，光路采集机构包括固定支架和依次设置于固定支架的聚光透镜、挡光板以及光纤端口，固定支架设置于连接组件，聚光透镜、挡光板以及光纤端口沿直线方向设置。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，聚光透镜的焦长与挡光板和聚光透镜之间的距离相等。

本发明的实施例至少具备以下优点或有益效果：

本发明的实施例提供了一种光谱诊断辅助装置，其用于配合光学发射光谱仪监测超低压等离子喷涂装置的等离子射流特性，该光谱诊断辅助装置包括移动定位机构和光路采集机构。其中，移动定位机构设置于超低压等离子喷涂装置，且用于进行定位作业，光路采集机构设置于移动定位机构，且用于当移动定位机构定位后，采集并监测等离子喷涂装置的等离子射流。该光谱诊断辅助装置通过配合发射光谱仪(OES)使用，可实现OES在VLPPS上的在线诊断，既可以指导开发新型工艺又可以监控涂层质量与设备运转状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的实施例提供的光谱诊断辅助装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的光谱诊断辅助装置的局部结构示意图一；

图3为本发明的实施例提供的光谱诊断辅助装置的局部结构示意图二；

图4为本发明的实施例提供的光谱诊断辅助装置的局部结构示意图三；

图5为本发明的实施例提供的光谱诊断辅助装置的局部结构示意图四；

图6为本发明的实施例提供的光谱诊断辅助装置配合光学发射光谱仪后检测到的光谱图；

图7为本发明的实施例提供的超低压等离子喷涂装置喷涂后通过光谱诊断辅助装置和光学发射光谱仪收集到的Zr和Y元素的发射光谱局部谱图；

图8为本发明的实施例提供的各成分光谱强度径向分布图。

图标：100-光谱诊断辅助装置；101-超低压等离子喷涂装置；103-光学发射光谱仪；105-移动定位机构；107-光路采集机构；109-驱动组件；111-连接组件；113-激光器；115-第一支架；117-第二支架；119-第一连接板；121-第二连接板；125-滑块；127-螺杆调节组件；129-调节钮；131-螺杆；133-光纤端口；135-聚光透镜；137-挡光板；139-凹槽固定件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

图1为本实施例提供的光谱诊断辅助装置100的结构示意图。请参阅图1，本实施例提供了一种光谱诊断辅助装置100，其主要用于配合光学发射光谱仪103监测超低压等离子喷涂装置101的等离子射流特性。该光谱诊断辅助装置100包括：移动定位机构105和光路采集机构107。

图2为本实施例提供的光谱诊断辅助装置100的局部结构示意图一；图3为本实施例提供的光谱诊断辅助装置100的局部结构示意图二；图4为本实施例提供的光谱诊断辅助装置100的局部结构示意图三；图5为本实施例提供的光谱诊断辅助装置100的局部结构示意图四。请参阅图1至图5，在本实施例中，动定位机构设置于超低压等离子喷涂装置101，且用于进行定位作业，光路采集机构107设置于移动定位机构105，且用于当移动定位机构105定位后，采集并监测等离子喷涂装置的等离子射流。该光谱诊断辅助装置100可实现多位置、多角度测量，可通过Abel转换实现空间分辨率的测量。同时通过配合发射光谱仪(OES)使用，可实现OES在VLPPS上的在线诊断，既可以指导开发新型工艺又可以监控涂层质量与设备运转状态。

详细地，请再次参阅图1至图5，在本实施例中，移动定位机构105包括驱动组件109、连接组件111及激光器113，驱动组件109设置于超低压等离子喷涂装置101，驱动组件109与连接组件111传动连接，激光器113设置于连接组件111，驱动组件109用于驱动连接组件111带动激光器113移动，以使激光器113发出的激光与超低压等离子喷涂装置101的喷涂激光器113发出的激光相交汇，以进行定位。通过驱动组件109的设置，可使得连接组件111有效地带动激光器113与超低压等离子喷涂装置101的喷涂激光器113发出的激光进行交汇定位，从而可使得基准点位于喷枪口中心轴线上，保证等离子射流的监测作业的有效进行。

具体地，在本实施例中，驱动组件109包括垂直设置的第一支架115和第二支架117，第一支架115与超低压等离子喷涂装置101固定连接，第二支架117与第一支架115连接，连接组件111包括第一连接板119和第二连接板121，第一连接板119活动地设置于第二支架117，第二连接板121设置于第一连接板119，激光器113设置于第二连接板121。通过第一支架115和第二支架117的设置，使得激光器113可随之运动，以进行定位作业。通过第一连接板119和第二连接板121的设置，使得激光器113可在稳定作业的情况下进行定位，从而保证作业的效率与质量。

需要说明的是，在本实施例中，移动定位系统具体还包括近半圆凹槽固定件139，第一支架115通过近半圆凹槽固定件139与超低压等离子喷涂装置101的法兰盘固定连接。

请再次参阅图1至图5，在本实施例中，第一支架115和第二支架117内均开设有滑槽，也即第一支架115和第二支架117均为内槽式支架，且第一支架115水平设置，第二支架117竖直设置。第二支架117的滑槽内设置有可沿第二支架117长度方向可选地锁定或滑动的滑块125，第一连接板119与滑块125连接。通过滑块125的设置，使得激光器113的调节作业可更便捷地进行。

详细地，在组装该光谱诊断辅助装置100以进行诊断作业时，可以先将近半圆凹槽固定件139固定在法兰盘上，再将横向内槽式支架，也即第一支架115固定在近半圆凹槽固定件139上，然后将竖向内槽式支架，也即第二支架117套在横向内槽式支架；接着将滑块125嵌在第二支架117，将第一连接板119固定在滑块125上，将光路采集系统的固定支架和已经固定好激光器113的第二连接板121一起通过4个支杆固定于第一连接板119上即可。当然，在本发明的其他实施例中，支杆的数量还可以根据需求进行调整，本发明的实施例不做限定。

请再次参阅图1至图5，在本实施例中，为了方便滑块125的调节，在本实施例中，第一支架115和第二支架117的滑槽内均设有螺杆调节组件127，第二支架117与第一支架115的螺杆调节组件127固定连接，滑块125与第二支架117的螺杆调节组件127固定连接。通过螺栓调节组件的设置，使得激光器113可在连接组件111的带动下合理地、快速地进行定位，以便于后续的监测作业的正常进行。

详细地，在本实施例中，螺杆调节组件127包括调节钮129和螺杆131，螺杆131沿滑槽的长度方向延伸设置，调节钮129与螺杆131固定连接，且用于在外力作用下带动螺杆131转动。当然，在本发明的其他实施例中，螺杆调节组件127还可通过其他直线调节机构进行替代，本发明的实施例不做限定。

作为优选的方案，在本实施例中，第一支架115和第二支架117均设有沿其长度方向延伸的刻度。第二支架117和滑块125分别由位于第一支架115和第二支架117的滑槽内的螺杆131调节机构按照第一支架115和第二支架117上的刻度尺调节并实现相当距离的滑动，从而便于激光器113进行定位作业。

请再次参阅图1至图5，在本实施例中，第一连接板119通过多个调节螺丝设置于滑块125，以使第一连接板119可相对于滑块125倾斜，以相对于光学发射光谱仪103调节激光器113和光路采集机构107的位置。通过调节螺丝的设置，使得第一连接板119可相对于滑块125倾斜，从而便于激光器113在不同角度进行定位，进而保证光谱监测作业的进行。

请再次参阅图1至图5，在本实施例中，光路采集机构107包括固定支架和依次设置于固定支架的聚光透镜135、挡光板137以及光纤端口133，固定支架设置于连接组件111，聚光透镜135、挡光板137以及光纤端口133沿直线方向设置。详细地，光路采集系统的固定支架上安装好聚光透镜135、挡光板137和光纤端口133，三者安装在同一条水平线上，挡光板137与透光镜之间的距离和透光镜的焦长f相当。该光谱诊断辅助装置100安装好之后，通过调节第一支架115和第二支架117的滑槽内的螺杆131调节机构，可实现滑块125在第一支架115和第二支架117上的滑动。同时，在进行定位作业时，将第二支架117和滑块125滑动至第一支架115或第二支架117的刻度尺标定的(0,0)位置，然后采用激光器113和固定于超低压等离子喷涂装置101的喷枪上的激光器113的激光共同定位，将喷枪移动到测量位置，激光交汇点为采集基准点，基准点位于喷枪口中心轴线上，到喷枪的距离是喷距。然后在线诊断开始后，等离子射流发射的光经过透镜折射后，只有特定方向的光才能通过挡光板137，经光纤端口133传输到发射光谱仪，通过选用不同型号的聚光透镜135和不同孔径的挡光板137，使得只有满足特定光强范围的光信号进入发射光谱仪。同时，还需要说明的是，在本发明的实施例中，聚光透镜135的折射和挡光板137的孔径的设置可采集特定方向光，因此，在本发明的其他实施例中，实现宽大的超低压等离子射流空间特性诊断，通过选择聚光透镜135和挡光板137的型号，即可实现只有特定方向的光才能被光纤采集并传输到OES，再进行Abel转换可以得到局部的光强，获得射流不同空间位置的特性。

下面对本实施例所具体采用实施方式进行详细地说明：

本发明的超低压等离子喷涂外置可调型光谱诊断辅助装置100按图1的结构示意图装配完成，移动定位系统固定在超低压等离子喷涂设备的法兰盘窗口上后，通过螺杆131调节机构上下移动透光镜头，激光器113进行辅助定位，其中透光镜头在等离子射流轴向距离的950mm处，距焰流中心800mm。对光路采集系统进行调试，聚光透镜135根据与挡光板137距离选取不同焦距的型号，挡光板137选取最小孔径0.5mm，使得通过的光满足OES的测量适用范围。透光镜头通过光纤与发射光谱仪连接，然后进行8YSZ粉末等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)喷涂，制备热障涂层陶瓷层，并进行等离子射流光谱在线诊断。其中，8YSZ粉末粒径为1～30μm，喷涂参数如下表。

发射光谱仪(OES)参数如下表。

通过OES分别收集得到送粉后等离子体射流光谱谱图，如图6，查阅Zr元素和Y元素的不同发射光谱特征值，通过Origin软件对谱线进行局部放大，如图7为送粉前后Zr峰和Y峰的光谱曲线对比图。图7监测到的光谱图可以得知8YSZ粉末在等离子射流中950mm处有气相成分生成。实际生产中相同OES参数下，大量收集光谱谱图并将同波长处进行局部放大对比，结合实际涂层质量结果分析，可总结出好的涂层质量与设备喷涂状态对应的光谱强度合理的波动范围，从而做到对等离子喷涂-物理气相沉积喷涂过程的在线诊断与监测，为喷涂过程的持续性及涂层质量的可靠性进行指导。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：

本发明超低压等离子喷涂外置可调型光谱诊断辅助装置100按图1的结构示意图装配完成后，通过螺杆131调节机构上下移动透光镜头，激光器113进行辅助定位，使得透光镜头位于射流轴距950mm处，距离焰流中心800mm处。对光路采集系统进行调试，聚光透镜135根据与挡光板137距离选取不同焦距的型号，挡光板137选取最小孔径0.5mm，使得通过的光满足OES的测量适用范围。然后调节竖向支架实现射流不同径向光强值的测量，径向距离定为0 10 20…100 120mm。喷涂参数如下表。

测量整理后的径向强度分布如图8，从图中可以看出焰流中心(零点)区域Ar和He的谱线强度随径向距离的增加而增加，在20mm处达到最大值；而Zr峰的强度与径向距离成反比，随着径向的增加而减小。通过等离子射流径向诊断可以分辨出射流中制备有效涂层的区域，还可以通过与其他工艺的射流径向分布对比，实现超低压等离子喷涂新工艺的优化。

综上所述，本发明的实施例提供的光谱诊断辅助装置100，其用于配合光学发射光谱仪103监测超低压等离子喷涂装置101的等离子射流特性，该光谱诊断辅助装置100包括移动定位机构105和光路采集机构107。其中，移动定位机构105设置于超低压等离子喷涂装置101，且用于进行定位作业，光路采集机构107设置于移动定位机构105，且用于当移动定位机构105定位后，采集并监测等离子喷涂装置的等离子射流。该光谱诊断辅助装置100通过配合发射光谱仪(OES)使用，可实现OES在VLPPS上的在线诊断，既可以指导开发新型工艺又可以监控涂层质量与设备运转状态。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光谱诊断辅助装置，用于配合光学发射光谱仪监测超低压等离子喷涂装置的等离子射流特性，其特征在于，包括：

移动定位机构和光路采集机构，所述移动定位机构设置于所述超低压等离子喷涂装置，所述移动定位机构包括驱动组件、连接组件及激光器，所述驱动组件设置于所述超低压等离子喷涂装置，所述驱动组件与所述连接组件传动连接，所述激光器设置于所述连接组件，所述驱动组件用于驱动所述连接组件带动所述激光器移动，以使所述激光器发出的激光与所述超低压等离子喷涂装置的喷涂激光器发出的激光相交汇，以进行定位；所述光路采集机构设置于所述移动定位机构，且用于当所述移动定位机构定位后，采集并监测所述等离子喷涂装置的等离子射流。

2.根据权利要求1所述的光谱诊断辅助装置，其特征在于：

所述驱动组件包括垂直设置的第一支架和第二支架，所述第一支架与所述超低压等离子喷涂装置固定连接，所述第二支架与所述第一支架连接，所述连接组件包括第一连接板和第二连接板，所述第一连接板活动地设置于所述第二支架，所述第二连接板设置于所述第一连接板，所述激光器设置于所述第二连接板。

3.根据权利要求2所述的光谱诊断辅助装置，其特征在于：

所述第一支架和所述第二支架内均开设有滑槽，所述第二支架的滑槽内设置有可沿所述第二支架长度方向可选地锁定或滑动的滑块，所述第一连接板与所述滑块连接。

4.根据权利要求3所述的光谱诊断辅助装置，其特征在于：

所述第一支架和所述第二支架的滑槽内均设有螺杆调节组件，所述第二支架与所述第一支架的所述螺杆调节组件固定连接，所述滑块与所述第二支架的所述螺杆调节组件固定连接。

5.根据权利要求4所述的光谱诊断辅助装置，其特征在于：

所述螺杆调节组件包括调节钮和螺杆，所述螺杆沿所述滑槽的长度方向延伸设置，所述调节钮与所述螺杆固定连接，且用于在外力作用下带动所述螺杆转动。

6.根据权利要求2所述的光谱诊断辅助装置，其特征在于：

所述第一支架和所述第二支架均设有沿其长度方向延伸设置的刻度。

7.根据权利要求3所述的光谱诊断辅助装置，其特征在于：

所述第一连接板通过多个调节螺丝设置于所述滑块，以使所述第一连接板可相对于所述滑块倾斜，以相对于所述光学发射光谱仪调节所述激光器和所述光路采集机构的位置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光谱诊断辅助装置，其特征在于：

所述光路采集机构包括固定支架和依次设置于所述固定支架的聚光透镜、挡光板以及光纤端口，所述固定支架设置于所述连接组件，所述聚光透镜、所述挡光板以及所述光纤端口沿直线方向依次设置。

9.根据权利要求8所述的光谱诊断辅助装置，其特征在于：

所述聚光透镜的焦长与所述挡光板和所述聚光透镜之间的距离相等。