基于PID控制的冷喷涂气体温度精确控制研究_郑悠.pdf
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1、1 基于 控制的冷喷涂气体温度精确控制研究郑 悠,方丹丹,高建红,张金涛,徐小龙,梅军云,所新坤(宁波工程学院电子与信息工程学院,浙江 宁波;宁波智慧城市规划标准发展研究院,浙江 宁波;安徽马钢表面技术股份有限公司,安徽 马鞍山;宁波大学机械工程与力学学院,浙江 宁波)摘 要 在冷喷涂增材制造中,气体温度是影响颗粒速度、颗粒温度和涂层质量的关键参数之一,精确控制气体温度对气体加热效率、沉积效率的稳定性以及涂层的微观结构具有重要意义。为此,采用 建立数值模型,研究了基于 策略和传统的开关控制策略对冷喷涂气体温度精确的影响。结果表明:采用 策略时,气体温度的稳定时间和过冲都有大幅优化。此外,对于
2、策略,使用正交实验研究了 个因素(比例、积分和导数)对气体温度稳定时间和过冲的影响。实验结果表明,稳定时间和过冲主要分别受比例参数和积分参数的影响。随着比例参数和积分参数的增加,稳定时间和过冲率减小,对气体温度控制的精确度增加。关键词 冷喷涂;气体温度;控制;数值模拟中图分类号 文献标识码 :文章编号(),(,;,;,;,):,(,),:;收稿日期 基金项目 国家自然科学基金();工业控制技术国家重点实验室开放课题();宁波市“科技创新”重大专项();宁波市“科技创新”重大专项()资助 通信作者 所新坤(),教授,博士研究生导师,主要研究方向为冷喷涂和超高速激光熔覆等,:前 言冷喷涂,也称为冷
3、气体动力喷涂(),是一种固态涂层沉积工艺。它利用高压和高温气体通过特殊设计的德拉瓦喷嘴产生超音速气流,将颗粒加速撞击至基体上产生塑性变形,形成涂层,。经过 多年1 的基础研究,冷喷涂技术已在增材制造和修复再制造等领域孕育出一系列应用,等利用高压冷喷涂技术在钴基高温合金基体上制备了 涂层,结果表明:该涂层致密性良好,即使在高温下暴露 后,涂层与基材的结合依旧良好,没有任何开裂和剥落,该涂层可应用于航空发动机和燃气轮机热端部件的抗高温氧化部件。等研究了冷喷涂技术在铝合金 基体上制备铬酸盐转化膜()的微观结构和耐腐蚀性,研究表明,该涂层具有良好的防腐性能。等采用冷喷涂技术制备 合金构件,通过对比其他
4、工艺发现,冷喷涂制备的 合金构件效率高、致密性好、力学性能更优异。传统的激光增材制造和修复技术,粉末会在沉积前熔化,破坏粉末微观结构,涂层微观结构由粉末材料的凝固模式决定。然而,冷喷涂涂层表现出微观结构的严重变形,在某些情况下,再结晶效应可能会产生更细小的等轴晶粒结构,因此被认为是一种新型且优秀的增材制造方法。例如,冷喷增材制造能够生产出致密的钛沉积体,其极限抗拉强度高于激光选择性熔化制造的涂层。激光增材制造在工业领域中适用于零件的特定位置,而不是整个零件,冷喷技术则可以应用到许多大型零件,国外已有冷喷技术用于制造块材或零件的报道,如不锈钢以及 块和零件。与 打印技术类似,精度是冷喷增材制造的
5、关键因素。不少研究表明速度 温度高质量协同对于高质量涂层起到了关键作用,等研究了矩形冷喷喷嘴的径向喷射角、扩径比和横移速度对涂层质量的影响,结果表明:涂层的沉积速率随着喷嘴横向速度的增加而增加,在 时,涂层的沉积效率和结合强度最高。加速气体温度不仅可以决定粒子的速度,还可以通过控制基材的热软化来影响涂层形成的临界速度。这是实现良好涂层 基材组合的重要因素,。等的研究表明:随着加速气体温度的升高,涂层的粘合强度、电导率和热扩散率增加。在 的加速气体温度下,仅通过 次沉积就获得了 具 有 高 粘 合 强 度 的 致 密 铝 涂 层。比例()积分()导数()()控制是一种自动控制方法,已被广泛用于现
6、代工业,如催化裂化反应器、扩散炉和焦炉。到目前为止,在冷喷涂系统中应用广泛,但相关研究还没有在文献中公开报道。因此,本工作利用数值模拟方法研究并提出了一种基于 策略的冷喷涂气体温度精确控制方法,并通过正交实验研究了 的 个因素(比例、积分和导数)对稳定时间和加速气体温度过冲的影响。数值模型计算流体力学()技术通常被用来预测和描述冷喷涂中的气体流动和推进气体温度。本研究采用 技术来评估不同控制策略下冷喷加热管的稳定时间和加速气体温度的过冲,使用商业软件 进行了数值模拟。图 为冷喷系统中使用的加热管的简图及其主要尺寸。区代表加热管的管壁,它是由高合金不锈钢制成厚度为 ,密度为 ,比热容为 (),热
7、导率为 ()。区代表气体通过的管子的内部空间。为了简化计算,模型做如下假设:()加热管使用电阻丝加热方案。由于隔热层的存在,进入空气中的热耗散可以被忽略。因为加热管完全被加热电阻丝所包裹,所以加热功率可通过计算 表面的热通量来测量。()忽略加热管加热功率变化的响应时间,即实体区 无加热和散热过程中的滞后反应。()该模型是平面轴对称的,为对称轴。图 加热管的简图及其主要尺寸 在 模型中,加热管的管壁通过交流电进行电阻加热,加热管中的加速气体通过与加热管内壁()的热交换被加热。代表管子的气体入口,边界条件为压力入口。气体的表压和原始速度分别被设定为 和 。代表气体出口,边界条件为压力出口。气体的温
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