专利名称：冷气动力喷涂临界速度测量方法
技术领域：
本发明涉及冷气动力喷涂技术，特别属于不同的粉末与不同基板组合的 实际应用临界速度快速测量方法。
背景技术：
冷气动力喷涂技术(简称冷喷涂)是以高压压縮气体为动力，驱动微小 金属颗粒高速撞击基体材料表面，当喷涂粒子的速度超过一个特定的速度后， 喷涂颗粒在材料表面发生强烈塑性变形而发生粘接，在基体材料表面形成涂 层。这一特定的速度被称为临界速度。在临界速度以下，微小金属颗粒对材 料表面形成冲蚀现象，不但不能形成涂层，反而会将材料表面剥离掉，造成 表面损伤，因此临界速度对于冷喷涂非常重要。但是对于一种特定的基板和 金属颗粒组合均有一个特定的临界速度，无论是材料的成分、组织以及颗粒 的种类等任何一种因素发生变化，就会引起临界速度发生变化，影响喷涂工
艺参数的设定和涂层的质量。
由此可见，临界速度是冷气动力喷涂技术中最为关键的技术指标，所有 的参数均是为达到临界速度而设计。对于粒子中如果存在一些速度远远超过 临界速度的粒子，同时又存在大量的低于临界速度的粒子，就会在涂层中形 成縮孔，严重影响涂层的质量。因此对于临界速度的测量一直是冷气动力喷 涂技术的关键技术，目前还没有有效的办法，只能采用尝试方法，即采用多 次粒子速度测量，再进行实际喷涂实验确定哪一速度能够形成粘结，从而确 定临界速度。这种方法需要测量多个粒子速度，并且需要使用粒径分布非常 窄的粒子以确保粒子速度相近。同时由于冷气动力喷涂的粒子粒径小且速度 高，粒子速度测量非常困难，需要专用的设备，因此测量费时而不是十分准 确，为确定临界速度耗费大量的时间，同时实验条件也非常苛刻。冷气动力 喷涂对于特定的粉末和基板组合都存在一个特定的临界速度，所以每一次的 实验前均要进行临界速度测量，目前的方法难以适应要求，急需一种快速测量临界速度的方法。并且直接测量速度的方法会由于环境和技术参数的细微 的变化而产生很大的误差，对于工艺的稳定性产生不利的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供冷气动力喷涂临界速度测量方法，它能 够快速测量出冷气动力喷涂中基板与特定粒子的临界速度，能适用任何基板 和粉末组合，能适合特定的工艺参数，只需一次实验就能获得临界速度值， 具有较强的适用性和实用性。
本发明的技术原理是冷喷涂过程中，粒子在高压压縮气体驱动下获得 很高的速度。通过理论分析可知，在相同的工艺参数下，粒径小的粒子获得 速度较高，随着粒子的粒径增加，速度逐渐降低。超过临界速度的粒子可以 在基板上沉积，低于临界速度的粒子在基板上不能形成沉积。所以在一定的 条件下只有小于一定粒径的粒子才能形成沉积，所以沉积率对就应着粒子粒 径所对应的质量积分值。即粒子的粒径与质量沉积积分曲线和速度有着同一 对应关系，而可沉积的粒径最大的粒子的最低速度即为这种基板与粒子组合 的临界速度值。
本发明的技术构思如下利用粒子粒径分布，粒子粒径与速度的关系以 及冷气动力喷涂过程中粒子沉积率来测量冷气动力喷涂粒子的临界速度。具 体特征为在同一粒子粒径坐标系中同时绘制粒径与速度以及粒子粒径质量积 分分布曲线，利用沉积率标定粉末的粒径质量分数中的粒径点，通过粒径点 标记粒径临界速度。
本发明的冷气动力喷涂临界速度测量方法，其包含如下步骤
1) 一组基板和粒子组合，先要对所用粒子进行粒径分布测量，得到粒子 粒径分布微分曲线，根据粒子的分布范围和粒径的微分分布换算出粒子粒径 的质量积分分布；
2) 根据喷涂工艺参数条件，计算不同粒径粒子的速度值，并绘出粒子粒 径和速度的曲线；
3) 进行实际的喷涂实验，测量这一基板和粒子组合中该种粒子的沉积率；
4) 通过沉积率、粒径分布积分曲线和粒径与速度的曲线确定粒子的临界 速度，绘制粒子粒径与速度的曲线，在同一坐标内绘制出粒子粒径的质量积分分布曲线，根据粒子的沉积率测量值，在粒径质量积分曲线图上找到实际 沉积率所对应的数值相同的百分率，以此点为基准，向粒子粒径坐标轴做垂 线，此垂线与粒子粒径与速度的曲线相交，此交点所表示的速度为所要测量 的基板与粒子组合的粒子临界速度。
所述步骤1)中，粒子的分布范围和粒径的微分分布换算出粒子粒径的 质量积分分布，其换算公式如下
r 4 m J* m
2孑^VZ附 S, E附
=^-x j 00% =『附,x j 00%
八7、 4mm ^ 气
Z —;zr3ya2附 Z广3 y附
式中，r为粒子半径，m为粒子微分百分数，下角标0和m分别代表最小 和最大值。
所述的粒子为球形的粒子。
所述步骤2)中，不同粒径粒子的速度值，其计算方程如下
一 S
U尸=-j
1 + 0.85
其中
^为粒子在喷枪枪口的速度；Pst基板滞止区域的平均气体密度；Lst基
板滞止区域的厚度；Pp为粒子的密度；4为粒子直径；u是气体的速度；x
距离喉管的轴向距离；P。工艺气体的压力。
所述步骤3)中沉积的测量是通过测量喷涂工艺条件下的送粉速率，计
算出单位时间内的送粉总重量，记为Wg，然后测量喷涂后单位时间内基板
的实际增重，记为W沉积，沉积率二W沉积/W总x100。/0。 所述步骤l)中，粒子的粒径分布范围为l|iim-65|am。 优选地，所述步骤l)中，粒子的粒径最佳分布范围为5|_mi -45pm。 本发明的方法与现有技术相比，具有的有益效果是不必直接测量冷气
动力喷涂粒子的速度；所采用的所有数据均是实际工程应用中所直接得到的
6数据，用粒子粒径分布测量结果进行了数学的换算，得到了粒径与质量的对
应关系；测量速度快，适用于各种粒子与基板组合； 一次实验可测量出粒子 的临界速度；具有实用性。
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明粉末的粒径微米分布虚线及粒径质量积分分布实线图。
图2是本发明技术粉末的粒径与速度曲线图。
图3是铜合金粉末与不同基板测得的临界速度实施例图。
图4是铝合金粉末与不同基板测得的临界速度实施例图。
图5是镍粉末与不同基板测得的临界速度实施例图。
图6是304不锈钢粉末与不同基板测得的临界速度实施例图。
图7是钛粉末与不同基板测得的临界速度实施例图。
具体实施例方式
实施例1
如图1、图2和图3所示，测量铜合金粉末在铜板上的冷气动力喷涂临 界速度，绘制粒径速度曲线和粒径重量分布积分曲线。见图1中类抛物线形 虚线是粉末的粒径微米分布曲线，图中实线是粒径质量积分分布曲线。见图 2铜合金粒子的状态参数得到粒子粒径与速度的曲线。从图中可知，粒径小 的粒子速度较高，粒子的粒径增加，速度逐渐降低。在粒径小于5微米时， 速度随着粒子粒径的增加而增高，在5微米达到最大值，然后随着粒子粒径 的增加而迅速降低，50微米时已降低到450m/s以下了。因此粒子的粒径分 布范围为lpm-65网，最佳范揮应为5-45微米之间。图3是测得的铜合金粉 末与不同基板的临界速度图。同时绘制粉末粒径质量分布及速度图，从图中 标记沉积率可获得临界速度。将图1中的积分曲线和图2绘制在同一张图中 (见图3)。
然后进行实验的喷涂实验，得到铜合金粒子在铜基板上的沉积率为64%。 从积分曲线纵轴上找到这一沉积率值，并在积分曲线上标记出相应的沉积率 点n，再从粒径与速度的曲线上标记出速度点 从速度坐标轴上得到速度值为556 m/s。从而测量出了这一铜合金粒子与铜基板组合的临界速度为556 m/s。
实施例2
实验条件与实施例1相同，更改基板为铝基板。
进行实验的喷涂实验，得到铜合金粒子在铝基板上的沉积率为91%。从 积分曲线纵轴上找到这一沉积率值，并在积分曲线上标记出相应的沉积率点 r2，再从粒径与速度的曲线上标记出速度点&从速度坐标轴上得到速度值 为506 m/s。从而测量出了这一铜合金粒子与铝基板组合的临界速度为506 m/s。见图3。
实施例3
实验条件与实施例1相同，更改基板为钛基板。
进行实验的喷涂实验，得到铜合金粒子在钛基板上的沉积率为76.4%。 从积分曲线纵轴上找到这一沉积率值，并在积分曲线上标记出相应的沉积率 点。，再从粒径与速度的曲线上标记出速度点v3，从速度坐标轴上得到速度 值为540m/s。从而测量出了这一铜合金粒子与钛基板组合的临界速度为540 m/s。见图3。
实施例4
实验条件与实施例1相同，更改基板为316L不锈钢基板。 进行实验的喷涂实验，得到铜合金粒子在316L不锈钢基板上的沉积率 为49.6%。从积分曲线纵轴上找到这一沉积率值，并在积分曲线上标记出相 应的沉积率点f4，再从粒径与速度的曲线上标记出速度点v4，从速度坐标轴 上得到速度值为579m/s。从而测量出了这一铜合金粒子与316L不锈钢基板 组合的临界速度为579m/s。见图3。
实施例5
采用铝合金粉末，基板为铝基板。测量铝合金粉末的粒径微米分布曲线， 绘制粒径速度曲线和粒径重量分布积分曲线。进行实验的喷涂实验，得到铝合金粒子在铝基板上的沉积率为77.8%。 从积分曲线纵轴上找到这一沉积率值，并在积分曲线上标记出相应的沉积率 点，再从粒径与速度的曲线上标记出速度点，从速度坐标轴上得到速度值为 591 m/s。从而测量出了这一铝合金粒子与铝基板组合的临界速度为591 m/s。 见图4。
实施例6
实验条件与实施例5相同，更改基板为黄铜合金基板。 进行实验的喷涂实验，得到铝合金粒子在黄铜合金基板上的沉积率为 72.2%。从积分曲线纵轴上找到这一沉积率值，并在积分曲线上标记出相应 的沉积率点，再从粒径与速度的曲线上标记出速度点，从速度坐标轴上得到 速度值为604m/s。从而测量出了这一铝合金粒子与黄铜合金基板组合的临界 速度为604m/s。见图4。
实施例7
采用镍粉末，基板分别为铜和镍基板。测量镍粉末的粒径微米分布曲线， 绘制粒径速度曲线和粒径质量分布积分曲线。
进行实验的喷涂实验，得到镍粒子在铜和镍基板上的沉积率为44.0%和 31.2%。从积分曲线纵轴上找到这一沉积率值，并在积分曲线上标记出相应 的沉积率点，再从粒径与速度的曲线上标记出速度点，从速度坐标轴上得到 速度值分别为589 m/s和607 m/s。从而测量出了这一镍粒子与铜和镍基板组 合的临界速度分别为为589m/s和607m/s。见图5。
实施例8
采用304不锈钢粉末，基板分别为铜、低碳钢、316L不锈钢和304不锈 钢基板。测量304不锈钢粉末的粒径微米分布曲线，绘制粒径速度曲线和粒 径质量分布积分曲线。
进行实验的喷涂实验，得到镍粒子在铜、低碳钢、316L不锈钢和304不 锈钢基板上的沉积率分别为45.1%、 24.7%、 15.4%和4.7%。从积分曲线纵轴 上找到这一沉积率值，并在积分曲线上标记出相应的沉积率点，再从粒径与速度的曲线上标记出速度点，从速度坐标轴上得到速度值分别为579 m/s、624 m/s、 651 m/s和708 m/s。从而测量出了镍粒子在铜、低碳钢、316L不锈钢 和304不锈钢基板上组合的临界速度分别为为579m/s、 624m/s、 651m/s和 708m/s。见图6。
实施例9
采用钛粉末，基板分别为镁、钛、铜和铝合金基板。测量钛粉末的粒径 微米分布曲线，绘制粒径速度曲线和粒径重量分布积分曲线。
进行实验的喷涂实验，得到钛粒子在镁、钛、铜和铝合金基板上的沉积 率分别为94%、 90.6%、 67.5%和50%。从积分曲线纵轴上找到这一沉积率值， 并在积分曲线上标记出相应的沉积率点，再从粒径与速度的曲线上标记出速 度点，从速度坐标轴上得到速度值为571 m/s、 585 m/s、 635 m/s和662m/s。 从而测量出了这一钛合金粒子与镁、钛、铜和铝合金基板组合的临界速度分 别为571m/s、 585 m/s、 635 m/s和662m/s。见图7。
权利要求
1. 一种冷气动力喷涂临界速度测量方法，其特征在于包含如下步骤1)一组基板和粒子组合，先对所用粒子进行粒径分布测量，得到粒子粒径分布微分曲线，根据粒子的分布范围和粒径的微分分布换算出粒子粒径的质量积分分布；2)根据喷涂工艺参数条件，计算不同粒径粒子的速度值，并绘出粒子粒径和速度的曲线；3)进行实际的喷涂实验，测量这一基板和粒子组合中该种粒子的沉积率；4)通过沉积率、粒径分布积分曲线和粒径与速度的曲线确定粒子的临界速度，绘制粒子粒径与速度的曲线，在同一坐标内绘制出粒子粒径的质量积分分布曲线，根据粒子的沉积率测量值，在粒径质量积分曲线图上找到实际沉积率所对应的数值相同的百分率，以此点为基准，向粒子粒径坐标轴做垂线，此垂线与粒子粒径与速度的曲线相交，此交点所表示的速度为所要测量的基板与粒子组合的粒子临界速度。
2. 如权利要求1所述的冷气动力喷涂临界速度测量方法，其特征在于所述步骤l)中，粒子的分布范围和粒径的微分分布换算出粒子粒径的质量积分分布，其换算公式如下-<formula>formula see original document page 2</formula>式中，r为粒子半径，m为粒子微分百分数，下角标O和m分别代表最小和 最大值。
3. 如权利要求1所述的冷气动力喷涂临界速度测量方法，其特征在于所述 粒子为球形的粒子。
4. 如权利要求1或2或3所述的冷气动力喷涂临界速度测量方法，其特征在 于所述步骤2)中，不同粒径粒子的速度值，其计算方程如下，其中^为粒子在喷枪枪口的速度；Pst基板滞止区域的平均气体密度；Lst基板 滞止区域的厚度；i^为粒子的密度；《为粒子直径；"是气体的速度；x 距离喉管的轴向距离；P。工艺气体的压力。
5. 如权利要求4所述的冷气动力喷涂临界速度测量方法，其特征在于所述 步骤3)中沉积的测量是通过测量喷涂工艺条件下的送粉速率，计算出单 位时间内的送粉总重量，记为W,g，然后测量喷涂后单位时间内基板的实 际增重，记为W沉积，沉积率二W沉积/W总x100。/0。
6. 如权利要求5所述的冷气动力喷涂临界速度测量方法，其特征在于所述步 骤l)中，粒子的粒径分布范围为l|am-65^im。
7. 如权利要求6所述的冷气动力喷涂临界速度测量方法，其特征在于所述步 骤l)中，粒子的粒径最佳分布范围为5|im -45|im。
全文摘要
本发明公开了冷气动力喷涂临界速度测量方法，其特点是一组基板和粒子组合，利用粒子粒径分布，粒子粒径与速度的关系以及冷气动力喷涂过程中粒子沉积率来测量冷气动力喷涂粒子的临界速度。本发明的方法与现有技术相比，具有的有益效果是不必直接测量冷气动力喷涂粒子的速度；所采用的所有数据均是实际工程应用中所直接得到的数据，用粒子粒径分布测量结果进行了数学的换算，得到了粒径与质量的对应关系；测量速度快，适用于各种粒子与基板组合；一次实验可测量出粒子的临界速度。
文档编号G01N19/00GK101545845SQ20081003502
公开日2009年9月30日 申请日期2008年3月24日 优先权日2008年3月24日
发明者张俊宝, 梁永立 申请人:宝山钢铁股份有限公司