CN115077672A - 一种热喷涂送粉率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料表面工程技术领域，公开了一种热喷涂送粉率测量装置及方法，该装置包括：测量组件，所述测量组件包括重量传感器、托盘和底座，所述重量传感器分别与所述托盘和所述底座连接；粉体收集罐，所述托盘用于承托所述粉体收集罐；阀门，与所述粉体收集罐连通；控制器，用于接收所述重量传感器的测量信号，并根据所述重量传感器的测量信号生成粉末增重与时间曲线图，根据该曲线图获取从开启送粉至稳态送粉的弛豫时间。本发明实施例的热喷涂送粉率测量装置结构简单，操作实施方便，且具有多种测量功能，可测量开启送粉至稳态送粉弛豫时间，也可测量稳态送粉率，还可用作送粉器运行情况诊断。

Description

一种热喷涂送粉率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及材料表面工程技术领域，特别是涉及一种热喷涂送粉率测量装置及方法。

背景技术

热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末或丝材)送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化，并以一定速度喷射到基体材料表面形成涂层的工艺方法。热喷涂涂层具有防腐、耐磨、隔热、绝缘、抗高温、抗氧化等优异性能，能对在上述场合工作的零件起到很好的保护作用，在航空航天、机械制造、石油化工等领域获得了广泛的应用。

对于热喷涂工艺而言，送粉率(单位时间送出粉末的重量)是影响涂层沉积效率和性能的关键参数。在喷涂加工过程中，涂层沉积效率和涂层性能相当于天平的两端，需保证二者间平衡，而通过调节送粉率则是热喷涂工艺中平衡沉积效率和涂层性能最为直接的手段。无论是对于金属和陶瓷喷涂粉末，增加送粉率都能够提高其涂层沉积效率，但过大的送粉率会导致粉末熔融不充分、动能不足，导致涂层结合力低、缺陷增多。而降低送粉率虽能够在一定程度提升涂层性能，但延长了喷涂时间，降低了生产效率，提高了生产成本。

为了同时保证喷涂效率和涂层性能，调整送粉率在合适的范围内是热喷涂涂层研制和生产的关键前提之一，因此准确获得喷涂送粉率则显得尤为重要。而目前，送粉率测量一般采用两次称重法，该方法会使用到简易的开孔塑料瓶来收集粉末，并通过测量固定时间内粉末增重来计算送粉率。

但是，粉末从送粉器需通过一段距离的送粉管才能送至喷枪，因此从开启送粉至稳态送粉会存在一定的弛豫时间，采用上述方法无法测量弛豫时间。由于不同粉末存在密度、粒径和形态差异，所以各类粉末在送粉管中流速并不一致，这导致不同粉末的弛豫时间也会有所差别。由于热喷涂会形成很高的热输入，为防止工件表面过热，在喷涂过程中会对工件进行冷却，这又造成送粉和停粉操作极为频繁。而目前，在无法精确掌握送粉弛豫时间情况下，这种频繁操作会给涂层加工带来不利影响：一方面是送粉后预留时间不充足，在未达到稳态送粉即开始喷涂，导致涂层沉积效率不稳定，生产效率难以把控；而另一方面则是送粉后长时间预留使送粉稳定，以确保生产稳定性，但会造成粉末浪费，增加喷涂加工成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何测量送粉率从开启送粉至稳态送粉的弛豫时间。

为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种热喷涂送粉率测量装置，包括：

测量组件，所述测量组件包括重量传感器、托盘和底座，所述重量传感器分别与所述托盘和所述底座连接；

粉体收集罐，所述托盘用于承托所述粉体收集罐；

阀门，与所述粉体收集罐连通；

控制器，用于接收所述重量传感器的测量信号，并根据所述重量传感器的测量信号生成粉末增重与时间曲线图，根据该曲线图获取从开启送粉至稳态送粉的弛豫时间。

进一步的，所述粉体收集罐包括罐本体，所述罐本体的两端分别设有端盖，所述阀门通过其中一个所述端盖与所述罐本体的内部连通。

进一步的，所述粉体收集罐还包括滤芯，所述滤芯设于远离所述阀门的所述端盖上。

进一步的，所述罐本体和所述端盖均采用PP材料制成。

进一步的，所述传感器为悬臂式传感器，所述托盘位于所述传感器上方，所述底座位于所述传感器下方。

进一步的，所述粉体收集罐的内壁面设有聚氨酯泡沫内衬。

进一步的，所述阀门为三通转换阀，所述阀门分别与送粉器、所述粉体收集罐及除尘系统连通。

为了解决上述技术问题，本发明另一方面提供了一种热喷涂送粉率测量方法，采用如上述任一项所述的热喷涂送粉率测量装置实现，该热喷涂送粉率测量方法包括稳态送粉弛豫时间测量模式和稳态送粉率测量模式。

进一步的，所述稳态送粉弛豫时间测量模式包括：

调节阀门，使送粉器通过阀门与粉体收集罐连通；

开启送粉器，实时测量粉体收集罐内粉末的重量，生成粉末增重与时间曲线图，并获取从开启送粉至稳态送粉所需的稳态送粉弛豫时间。

进一步的，所述稳态送粉率测量模式包括：

调节阀门，使送粉器通过阀门与除尘系统连通；

开启送粉器，至达到稳态送粉后，再调节阀门，使送粉器通过阀门与粉体收集罐连通；

实时测量粉体收集罐内粉末的重量，生成粉末增重与时间曲线图，计算稳态送粉期间粉末在单位时间的平均增重，即为稳态送粉率。

上述技术方案所提供的一种热喷涂送粉率测量装置及方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

热喷涂送粉率测量装置结构简单，操作方便，可测量开启送粉至稳态送粉弛豫时间，也可测量稳态送粉率，还可用作送粉器运行情况诊断。

热喷涂送粉率测量方法通过准确获得稳态送粉弛豫时间、稳态送粉率以及有效诊断送粉器运行状态，从而有助于促进热喷涂生产效率和涂层性能的平衡，并有助于在降低加工成本的同时，确保生产稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的热喷涂送粉率测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的氧化铝陶瓷粉末在不同载气流量下测量的粉末增重与时间曲线图；

图3是本发明实施例二提供的氧化铬陶瓷粉末在不同载气流量下测量的粉末增重与时间曲线图；

图4是本发明实施例三提供的氧化铝陶瓷粉末和氧化铬陶瓷粉末在稳态送粉时的粉末增重与时间曲线图；

图5是本发明实施例四提供的不同粒径的镍铬铝钇金属粉末的粉末增重与时间曲线图。

其中，1－测量组件，11－重量传感器，12－托盘，13－底座，2－控制器，21－信号采集器，22－PC端，3－粉体收集罐，31－罐本体，32－端盖，33－滤芯，34－气管接头，35－聚氨酯泡沫内衬，4－阀门，5－送粉器，6－除尘系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例一方面提供了一种热喷涂送粉率测量装置，包括测量组件1、粉体收集罐3、阀门4和控制器2；

测量组件1包括重量传感器11、托盘12和底座13，重量传感器11分别与托盘12和底座13连接；托盘12用于承托粉体收集罐3，重量传感器11用于实时测量粉体收集罐3内粉体的重量，底座13用于支撑固定托盘12和重量传感器11；

阀门4与粉体收集罐3连通，在测量时，送粉器5通过阀门4向粉体收集罐3内通入粉体；

控制器2包括信号采集器21和PC端22，信号采集器21采用24位A/D转换器，利用RS485通讯输出接入PC端22；控制器2用于接收重量传感器11的测量信号，并根据重量传感器11的测量信号生成粉体收集罐3内粉末增重与时间曲线图，根据该曲线图获取从开启送粉至稳态送粉的弛豫时间。

在测量时，需将测量组件1按照底座13朝下，托盘12朝上水平放置，再将重量传感器11信号线正确接入信号采集器21中，通过数据线连至PC端22，开启测量软件辅助传感器校准，对粉体收集罐3自身重量归零，归零完成后即可进行测量。

在本实施例中，如图1所示，粉体收集罐3包括罐本体31，罐本体31的两端分别设有端盖32，阀门4通过其中一个端盖32与罐本体31的内部连通，具体的，阀门4的出口与端盖32上的气管接头34连接。

在本实施例中，如图1所示，粉体收集罐3还包括滤芯33，滤芯33设于远离阀门4的端盖32上。滤芯33用于阻隔粉末并排放送粉载气，保证粉体收集罐3内气压稳定。其中，滤芯33可为轻质钛合金烧结制成，过滤精度为50－100μm，孔隙率为35－50％。

可选的，罐本体31和端盖32均采用PP材料制成，PP塑料质量轻，密封性能好。

可选的，传感器为悬臂式传感器，托盘12位于所述传感器上方，底座13位于传感器下方。其中，传感器测量精度不高于最大量程的0.01％，根据收集粉体材料密度不同，可选择0－300g、0－600g量程型号。

在本实施例中，如图1所示，粉体收集罐3的内壁面设有聚氨酯泡沫内衬35，具体的，在罐本体31和端盖32上分别设置有聚氨酯泡沫内衬35，聚氨酯泡沫内衬35用于吸附粉体，防止粉体悬浮影响测量精确度。

在本实施例中，如图1所示，阀门4为三通转换阀，阀门4分别与送粉器5、粉体收集罐3及除尘系统6连通。具体的，阀门4的入口与送粉器5连通，阀门4的一个出口与气管接头34连接，另一个出口与除尘系统6连通，两个出口可切换；阀门4可为PTFE材料的卡套式三通转换阀。

本发明实施例另一方面提供了一种热喷涂送粉率测量方法，采用上述热喷涂送粉率测量装置实现，该热喷涂送粉率测量方法包括稳态送粉弛豫时间测量模式和稳态送粉率测量模式。

其中，稳态送粉弛豫时间测量模式包括：

S101：调节阀门4，使送粉器5通过阀门4与粉体收集罐3连通；

具体的，如图1所示，阀门4左侧与气管接头34连通的出口打开，右侧与除尘系统6连通的开口关闭，送粉器5工作时使粉末直接通入粉体收集罐3内。

S102：开启送粉器5，实时测量粉体收集罐3内粉末的重量，生成粉末增重与时间曲线图，并获取从开启送粉至稳态送粉所需的稳态送粉弛豫时间。

另外，稳态送粉率测量模式包括：

S201：调节阀门4，使送粉器5通过阀门4与除尘系统6连通；

具体的，如图1所示，此时阀门4左侧的出口关闭，右侧的出口打开，送粉器5开始工作时粉末通入除尘系统6。

S202：开启送粉器5，至达到稳态送粉后，再调节阀门4，使送粉器5通过阀门4与粉体收集罐3连通；

从开启送粉至稳态送粉所需的稳态送粉弛豫时间可通过稳态送粉弛豫时间测量模式测量，送粉器5开始工作将粉末通入除尘系统6的时间超过弛豫时间后，将阀门4的两个出口切换，使粉末通入粉体收集罐3内。

S203：实时测量粉体收集罐3内粉末的重量，生成粉末增重与时间曲线图，计算稳态送粉期间粉末在单位时间的平均增重，即为稳态送粉率。可根据测得的稳态送粉率对送粉器5的运行情况进行诊断。

综上，本发明实施例提供一种热喷涂送粉率测量装置及方法，操作实施方便，且具有多种测量功能，可测量开启送粉至稳态送粉弛豫时间，也可测量稳态送粉率，还可用作送粉器5运行情况诊断。

以下结合不同的实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

本实施例为了测量氧化铝陶瓷粉末在不同载气流量下的稳态送粉弛豫时间。测试用氧化铝粉末为粒径5－22μm的电熔破碎粉末，送粉载气为氩气，测试载气流量分别为2.5、3.5和4.5L/min，并按此顺序依次进行测试。重量传感器11选用量程0－300g、精度0.01％型号，滤芯33选用过滤精度50μm、孔隙率50％规格。

测试前设置送粉器5转盘转速为2.5rpm，搅拌器转速比为50％，按前述流程进行各器件连接、安装和放置，并完成传感器校准归零。测试时先将阀门4调至左侧出口与粉体收集罐3连通，然后开启送粉器5送粉，测量时长60s，每秒采集一次重量数据，并形成增重与时间曲线，获得从开启送粉至稳态送粉所需时间，该时间即为稳态送粉弛豫时间。每次测试结束后如粉体收集罐3增重不超过重量传感器1111(0－300g型号)最大量程的1/2可对重量传感器11进行归零继续测试，如超过则需旋开端盖32并采用压缩空气吹扫清理掉罐本体31和端盖32残留粉末，重新安装后对重量传感器11进行归零再继续测试。

测试结果如图2所示。图中示出，当载气为2.5L/min时，氧化铝粉末送粉弛豫时间为15s；载气为3.5L/min时，送粉弛豫时间为10s；载气为4.5L/min时，送粉弛豫时间缩短为7s。送粉弛豫时间随送粉载气呈现逐渐减小规律。

实施例二

本实施例为了测量氧化铬陶瓷粉末在不同载气流量下的稳态送粉弛豫时间。测试用氧化铬粉末为粒径22－45μm的电熔破碎粉末，送粉载气为氩气，测试载气流量分别为2.5、3.5和4.5L/min，并按此顺序依次进行测试。重量传感器1111选用量程0－300g、精度0.01％型号，滤芯33选用过滤精度100μm、孔隙率50％规格。

测试前设置送粉器5转盘转速为2.0rpm，搅拌器转速比为50％，按前述流程进行各器件连接、安装和放置，并完成重量传感器11校准归零。测试时先将阀门4调至左侧出口打开，然后开启送粉器5送粉，测量时长60s，每秒采集一次重量数据，并形成增重与时间曲线，以获得稳态送粉弛豫时间。

测试结果如图3所示。图中示出，当载气为2.5L/min时，氧化铬粉末送粉弛豫时间为27s；载气为3.5L/min时，送粉弛豫时间为23s；载气为4.5L/min时，送粉弛豫时间缩短为19s。

实施例三

本实施例为了测量氧化铝、氧化铬陶瓷粉末的稳态送粉率。测试用氧化铝、氧化铬粉末与实施例一和二中粉末相同。两种粉末送粉参数如表1所示。重量传感器11选用量程0－300g、精度0.01％型号，滤芯33选用过滤精度100μm、孔隙率50％规格。

表1送粉参数及相应弛豫时间

按前述流程进行各器件连接、安装和放置，并完成重量传感器11校准归零。测试时先将阀门4调至右侧出口打开与除尘系统6连通，然后开启送粉器5送粉，持续送粉至超过所测试粉末在对应送粉参数下的弛豫时间后，将阀门4调回左侧出口打开，开始测量，测量时长不少于120s，每秒采集一次重量数据，形成增重与时间曲线，获得单位时间平均增重率λ(g/s)，并按照以下公式计算获得稳态送粉率fr(g/min)：

fr＝λ×60

测试结果如图4所示。图中示出，测量获得上述氧化铝粉末单位时间平均增重率为0.483g/s，计算其稳态送粉率为28.98g/min；上述氧化铬粉末单位时间平均增重率为0.66g/s，计算其稳态送粉率为39.6g/min。

实施例四

测量不同粒径镍铬铝钇金属粉末送粉弛豫时间与稳态送粉率。测试用镍铬铝钇粉末粒径为两种：NiCrAlY－1(11－37μm)和NiCrAlY－2(53－106μm)。重量传感器11选用量程0－600g、精度0.005％型号，滤芯33选用过滤精度50μm、孔隙率35％规格。

测试前设置送粉器5转盘转速为1.0rpm，搅拌器转速比为50％，载气流量为2.5L/min。按前述流程进行各器件连接、安装和放置，并完成传感器校准归零。测试时先将阀门4左侧出口与粉体收集罐3连通，然后开启送粉器5送粉，测量时长150s，每秒采集一次重量数据，并形成增重与时间曲线，以获得稳态送粉弛豫时间。每次测试结束后如粉体收集罐3增重不超过重量传感器11(0－600g型号)最大量程的2/3可对传感器进行归零继续测试，如超过则需旋开端盖3232、33，并采用压缩空气吹扫清理掉罐本体31和端盖32残留粉末，重新安装后对重量传感器11进行归零再继续测试。

测试结果如图5所示。图中示出，测量获得NiCrAlY－1粉末送粉弛豫时间为13s，单位时间平均增重率为0.389g/s，计算其稳态送粉率为23.34g/min；NiCrAlY－2粉末送粉弛豫时间为18s，单位时间平均增重率为0.54g/s，计算其稳态送粉率为32.4g/min。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热喷涂送粉率测量装置，其特征在于，包括：

测量组件，所述测量组件包括重量传感器、托盘和底座，所述重量传感器分别与所述托盘和所述底座连接；

粉体收集罐，所述托盘用于承托所述粉体收集罐；

阀门，与所述粉体收集罐连通；

控制器，用于接收所述重量传感器的测量信号，并根据所述重量传感器的测量信号生成粉末增重与时间曲线图，根据该曲线图获取从开启送粉至稳态送粉的弛豫时间。

2.根据权利要求1所述的热喷涂送粉率测量装置，其特征在于，所述粉体收集罐包括罐本体，所述罐本体的两端分别设有端盖，所述阀门通过其中一个所述端盖与所述罐本体的内部连通。

3.根据权利要求2所述的热喷涂送粉率测量装置，其特征在于，所述粉体收集罐还包括滤芯，所述滤芯设于远离所述阀门的所述端盖上。

4.根据权利要求2所述的热喷涂送粉率测量装置，其特征在于，所述罐本体和所述端盖均采用PP材料制成。

5.根据权利要求1所述的热喷涂送粉率测量装置，其特征在于，所述传感器为悬臂式传感器，所述托盘位于所述传感器上方，所述底座位于所述传感器下方。

6.根据权利要求1所述的热喷涂送粉率测量装置，其特征在于，所述粉体收集罐的内壁面设有聚氨酯泡沫内衬。

7.根据权利要求1所述的热喷涂送粉率测量装置，其特征在于，所述阀门为三通转换阀，所述阀门分别与送粉器、所述粉体收集罐及除尘系统连通。

8.一种热喷涂送粉率测量方法，其特征在于，采用如权利要求1－7任一项所述的热喷涂送粉率测量装置实现，该热喷涂送粉率测量方法包括稳态送粉弛豫时间测量模式和稳态送粉率测量模式。

9.根据权利要求8所述的热喷涂送粉率测量方法，其特征在于，所述稳态送粉弛豫时间测量模式包括：

调节阀门，使送粉器通过阀门与粉体收集罐连通；

开启送粉器，实时测量粉体收集罐内粉末的重量，生成粉末增重与时间曲线图，并获取从开启送粉至稳态送粉所需的稳态送粉弛豫时间。

10.根据权利要求8所述的热喷涂送粉率测量方法，其特征在于，所述稳态送粉率测量模式包括：

调节阀门，使送粉器通过阀门与除尘系统连通；

开启送粉器，至达到稳态送粉后，再调节阀门，使送粉器通过阀门与粉体收集罐连通；

实时测量粉体收集罐内粉末的重量，生成粉末增重与时间曲线图，计算稳态送粉期间粉末在单位时间的平均增重，即为稳态送粉率。

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