一种冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测装置与方法

1.本发明属于电磁无损检测技术和表面工程领域，尤其涉及一种冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测装置与方法。


背景技术：

2.再制造工程技术是采用表面工程技术在报废零件失效位置生成强化涂覆层，恢复失效零件的尺寸并提升其性能，金属零件再制造现已成为国家大力发展战略性新兴产业的核心内容之一。冷喷涂技术作为一种新型表面涂层制备技术，通过喷涂成形在废旧部件表面进行修复强化。相较于传统热喷涂技术，冷喷涂技术具有喷涂速率高、沉积效率高、对基体影响小、涂层结合强度高等优点。通过冷喷涂再制造修复技术，形成再制造零件，其质量可以达到甚至超过原部件的性能。该技术在航天航空工业、造船工业、汽车工业等机械制造行业有着巨大应用潜力。
3.然而再制造对象的特殊性，决定了冷喷涂技术依然存在不确定性。再制造产品服役工况、损伤程度及失效模式具有随机性和个体差异性，使得冷喷涂的环境状况十分复杂。同时冷喷涂涂层与基体间的机械结合也存在不稳定性，再制造零件可能会出现强度失效、涂层剥落等情况，从而造成很大损失并对生命和财产安全构成威胁。因此在开展再制造生产时，为保证再制造产品质量，必须建立相应的质量评价方法体系。


技术实现要素：

4.针对冷喷涂技术中存在的问题，本发明提供了一种冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测装置与方法，本装置及方法实现了在冷喷涂过程中对铁磁性材料的基体及涂层缺陷的实时监测，避免再制造零件出现强度失效、涂层剥落等意外情况。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测装置包括：信号发生模块、磁场激励模块、运动控制模块、数据采集模块以及装置固定模块；所述信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，用于产生周期性电信号，并将电信号放大后传递给磁场激励模块；所述磁场激励模块包括u型磁轭、励磁线圈和信号接收器，为待喷涂铁磁性材料提供连续变化的周期性外加激励磁场；所述运动控制模块主要由机械臂和冷喷涂装置构成，用于控制磁场激励模块以及冷喷涂装置运动；所述数据采集模块包括电压放大器、数据采集卡和上位机，用于采集磁巴克豪森信号；所述装置固定模块包括支架、底座和夹具，用于固定磁场激励模块。
6.所述信号发生器发出的周期性电信号传递给功率放大器，由功率放大器放大电信号功率，所述功率放大器与信号发生器和励磁线圈相连接，所述励磁线圈缠绕在u型磁轭的底部，所述u型磁轭倒置固定在支架内，所述信号接收器由铁氧体铁芯缠绕线圈组合固定于支架内，所述信号接收器与电压放大器连接，所述电压放大器用于放大采集到的磁巴克豪森电信号，所述数据采集卡分别与电压放大器和上位机相连。
7.所述磁场激励模块固定于支架内，所述支架置于底座上，所述底座两侧安装有夹
具，所述夹具用于固定铁磁性材料，所述冷喷涂装置位于铁磁性材料上方，所述上位机分别与运动控制模块和数据采集卡相连。
8.进一步地，所述励磁线圈的线圈匝数为600-1200匝，横截面积为0.01-1mm2。所述信号发生器发出的周期性电信号频率范围为0.1-200hz，幅值范围为0.1-20v。
9.进一步地，所述运动控制模块包括：机械臂和冷喷涂装置；所述机械臂与支架连接，可以在x轴，y轴方向自由运动，所述冷喷涂装置可以在x轴、y轴、z轴方向自由移动，所述机械臂、冷喷涂装置均与上位机连接。
10.进一步地，所述冷喷涂装置在喷涂过程中，其喷嘴需要保持在铁磁性材料的正上方10-40mm处。
11.进一步地，所述铁磁性材料背部与信号接收器、u型磁轭顶部均紧密接触。
12.进一步地，所述信号接收器必须置于u型磁轭两端脚柱中间以获得更好的磁巴克豪森信号。
13.本发明还提供了一种冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测方法，具体包括如下步骤：步骤一：将待进行冷喷涂的铁磁性材料放置于u型磁轭的两端脚柱上，使用夹具将铁磁性材料与底座固定；步骤二：提前将冷喷涂的工艺参数传输给上位机；步骤三：准备好待喷涂粉末送入送粉器内，打开气压泵以及气体加热器，准备启动冷喷涂装置；步骤四：通过上位机控制冷喷涂装置沿着x轴和y轴方向移动到待进行冷喷涂的铁磁性材料表面设定的初始位置上方，继续控制冷喷涂装置沿着z轴方向移动，使冷喷涂装置喷嘴停在铁磁性材料表面上方一定距离位置。同时，上位机控制机械臂使磁场激励模块和支架移动到设定的初始位置；步骤五：调节信号发生器，选择合适的频率f、幅值v，使信号发生器产生周期电信号，通过功率放大器放大周期电信号，并使磁场激励模块产生周期变化的激励磁场；步骤六：上位机发出开始信号，启动冷喷涂装置，运动控制模块控制冷喷涂装置按照预先设定好的路径运动并向铁磁性材料表面喷涂粉末，机械臂带动磁场激励模块同步运动并控制速度和路径与喷涂装置的速度和路径完全一致，数据采集卡采集磁巴克豪森信号传输给上位机；步骤七：完成铁磁性材料表面涂层喷涂过程，数据采集模块停止采集电信号，通过上位机控制冷喷涂装置沿z轴方向移动一定距离，然后移动到所述的初始位置，并通过上位机控制机械臂带动磁场激励模块和支架移动到所述的初始位置；步骤八：将采集到的磁巴克豪森电信号数据传输给上位机，提取磁噪声特征值，分析特征值，获得铁磁性材料基体及涂层缺陷的结果。
14.进一步地，所述冷喷涂装置垂直于铁磁性材料，并且在喷涂过程中始终保证冷喷涂装置中心轴与信号接收器的中心在同一轴线上。
15.进一步地，所述喷涂粉末喷出速度为300-1200m/s，粒径为10μm-60μm；所述喷涂粉末居里温度要高于喷涂粉末预热温度0-600摄氏度；所述喷涂粉末若为铁磁性材料，则本发明可以对涂层缺陷进行监测，若为非铁磁性材料，则本发明只能对界面结合强度进行监测。
16.进一步地，所述磁场激励模块的磁化深度h为：（1）其中，f为产生激励磁场的频率；
µ
为相对磁导率；σ为材料电导率。
17.根据冷喷涂所需制备的涂层厚度，确定磁化深度h，通过公式（1）计算得到相应的磁化频率f。调节信号发生器中激励磁场的频率为上述计算得到的磁化频率f，以便在冷喷涂过程中对不同厚度的冷喷涂层进行实时在线监测。
18.本发明有益效果在于：本发明提供了一种冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测装置与方法，本装置及方法实现了在冷喷涂过程中对铁磁性材料的基体及涂层缺陷的实时监测，避免再制造零件出现强度失效、涂层剥落等意外情况，具体地：一、通过采集到的实时数据，经过分析及提取特征值，可以量化评估铁磁性材料内部受力、内部缺陷以及可能出现的缺陷等零件失效情况。
19.二、通过调节频率，控制测量深度可以实现对涂层厚度的实时监测，进而得到需要的喷涂涂层厚度。
20.三、分析采集的数据，并提取特征值可以评估涂层与材料的界面结合强度，从而即时发现并防止涂层剥落的情况。
21.四、如果喷涂粉末具有可磁化性，本发明也可以对喷涂涂层的内部受力、内部缺陷以及可能出现的缺陷等做出量化评估。
22.五、本发明装置及方法具有保护环境、节约成本、便捷操作、工作安全等优点。
附图说明
23.图1为本发明冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测装置示意图。
具体实施方式
24.为了方便相关领域技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。
25.实施例1如图1为本发明冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测装置示意图，该冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测装置包括：信号发生模块、磁场激励模块、运动控制模块、数据采集模块以及装置固定模块，信号发生模块包括信号发生器1和功率放大器2，用于产生周期性电信号，并将电信号放大后传递给磁场激励模块；磁场激励模块包括u型磁轭10、励磁线圈9和信号接收器11，为待喷涂铁磁性材料7提供连续变化的周期性外加激励磁场；运动控制模块主要由机械臂6和冷喷涂装置8构成，用于控制磁场激励模块以及冷喷涂装置8运动；数据采集模块包括电压放大器15、数据采集卡12和上位机13，用于采集磁巴克豪森信号；装置固定模块包括支架4、底座3和夹具5，用于固定磁场激励模块。
26.本发明中信号发生器1发出的周期性电信号传递给功率放大器2，由功率放大器2放大电信号功率，功率放大器2与信号发生器1和励磁线圈9相连接，励磁线圈9缠绕在u型磁轭10的底部， u型磁轭10倒置固定在支架4内；所述信号接收器11由铁氧体铁芯缠绕线圈组合固定于支架4内，信号接收器11与电压放大器15连接，电压放大器15用于放大采集到的磁
巴克豪森电信号，数据采集卡12分别与电压放大器15和上位机13相连。
27.本发明中磁场激励模块固定于支架4内，支架4置于底座3上，底座3两侧安装有夹具5，夹具5用于固定铁磁性材料7，冷喷涂装置8位于铁磁性材料7上方，上位机13分别与运动控制模块和数据采集卡12相连，磁场激励模块分别与数据采集模块、信号发生模块相连。
28.本发明中信号发生器1用于提供激励信号，包括交变电信号，如方波、三角波、正弦波等；本发明中的信号发生器1发出的正周期性电信号频率范围为0.1-200hz，幅值范围为0.1-20v，选择合适的频率用于监测不同厚度的铁磁性材料基体及涂层。
29.本发明中励磁线圈9的线圈匝数为600-1200匝，横截面积为0.01-1mm2，使励磁磁线圈9产生的激励信号有效且稳定。
30.本发明中u型磁轭10倒置固定在支架4内用于磁化铁磁性材料7并与之构成闭合磁路；本发明中的u型磁轭10为铁氧体高性能材质，确保激励磁场有效稳定。
31.本发明中信号接收器11必须置于u型磁轭10两端脚柱中间以获得更好的磁巴克豪森信号。
32.本发明的运动控制模块包括：机械臂6和冷喷涂装置8；机械臂6与支架4连接，可以在x轴，y轴方向自由运动，冷喷涂装置8可以在x轴、y轴、z轴方向自由移动，所述机械臂6、冷喷涂装置8均与上位机13连接。
33.本发明冷喷涂装置8为市售产品，例如北京天诚宇新材料技术有限公司生产的lp-tcy
‑ⅱ
/ⅲ型超音速低压冷喷涂装置。
34.本发明中的冷喷涂装置8可以用六自由度机械臂控制运动；本发明的冷喷涂装置8的在喷涂过程中，其喷嘴需要保持在铁磁性材料7的正上方10-40mm处，保证金属粉末在铁磁性材料7表面的沉积效率。
35.本发明中铁磁性材料7背部与信号接收器11、u型磁轭10、支架4均紧密接触，避免信号接收器11和u型磁轭10与铁磁性材料7之间产生空气间隙，进而影响磁巴克豪森信号的采集。
36.实施例2本发明冷喷涂层及其界面缺陷实时监测装置通过信号发生模块调节不同大小的电信号频率，磁场激励模块磁化不同厚度基体及涂层并输出磁巴克豪森电信号，并通过上位机13控制运动控制模块带动磁场激励模块和冷喷涂装置8的同步运动，将采集到的信号输入上位机13，分析数据并提取不同特征值，实现实时监测不同厚度的铁磁性材料及冷喷涂涂层内部缺陷。因此基于磁巴克豪森检测技术，本发明提供了一种冷喷涂层及其界面缺陷的实时监测方法，具体包括如下步骤：步骤一：将待进行冷喷涂的铁磁性材料7放置于u型磁轭10的两端脚柱上，使用夹具5将铁磁性材料7与底座3固定；步骤二：提前将冷喷涂的工艺参数传输给上位机13；步骤三：准备好待喷涂粉末14送入送粉器内，打开气压泵以及气体加热器，准备启动冷喷涂装置8；步骤四：通过上位机13控制冷喷涂装置8沿着x轴和y轴方向移动到待进行冷喷涂的铁磁性材料7表面设定的初始位置上方，继续控制冷喷涂装置8沿着z轴方向移动，使冷喷涂装置8喷嘴停在铁磁性材料7表面上方一定距离位置。同时，上位机13控制机械臂6使磁场
激励模块和支架4移动到设定的初始位置；步骤五：调节信号发生器1，选择合适的频率f、幅值v，使信号发生器1产生周期电信号，通过功率放大器2放大周期电信号，并使磁场激励模块产生周期变化的激励磁场；步骤六：上位机13发出开始信号，启动冷喷涂装置8，运动控制模块控制冷喷涂装置8按照预先设定好的路径运动，机械臂6带动磁场激励模块同步运动并控制速度和路径与喷涂装置8的速度和路径完全一致；冷喷涂装置8垂直于铁磁性材料7，并且在喷涂过程中始终保证冷喷涂装置8中心轴与信号接收器11的中心在同一轴线上；将粒径为30μm、居里温度770摄氏度的金属fe喷涂粉末14以600m/s速度喷涂到铁磁性材料7表面，同时数据采集卡12采集磁巴克豪森信号传输给上位机13；步骤七：完成铁磁性材料7表面涂层喷涂过程，数据采集模块停止采集电信号，通过上位机13控制冷喷涂装置8沿z轴正方向移动一定距离，然后移动到所述的初始位置，并通过上位机13控制机械臂6带动磁场激励模块和支架4移动到所述的初始位置；步骤八：将采集到的磁巴克豪森电信号数据传输给上位机13，提取磁噪声特征值，分析特征值，获得铁磁性材料基体及涂层缺陷的结果。
37.磁场激励模块的磁化深度h为：（1）其中，f为产生激励磁场的频率；
µ
为相对磁导率；σ为材料电导率。
38.根据冷喷涂所需制备的涂层厚度，确定磁化深度h，通过公式（1）计算得到相应的磁化频率f。调节信号发生器1中激励磁场的频率为上述计算得到的磁化频率f，以便在冷喷涂过程中对不同厚度的冷喷涂层进行实时在线监测。
39.本发明冷喷涂层及其界面缺陷实时监测装置通过信号发生模块调节不同大小的电信号频率，磁场激励模块磁化不同厚度基体及涂层并输出磁巴克豪森电信号，并通过上位机13控制运动控制模块带动磁场激励模块和冷喷涂装置8的同步运动，将采集到的信号输入上位机13，分析数据并提取不同特征值，实现实时监测不同厚度的铁磁性材料及冷喷涂涂层内部缺陷，并且可以评估涂层与基体间界面结合强度，从而避免再制造零件出现强度失效、涂层剥落等意外情况。
40.上述案例只是为了更好的说明本发明的构思及特点，及方便相关领域技术人员理解和实施本发明的装置与方法，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。