基于PID控制的冷喷涂气体温度精确控制研究_郑悠.pdf

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 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。气体的温度和压力被设定为室温（）和标准大气压（）。代表固 气交换边界，边界条件为耦合。代表加热管壁，具有热通量的边界。热通量的值被设定为时间的函数，由用户定义函数（）实现。在本研究中，被用来根据不同的加热策略改变瞬时热通量值。加热管被网格化为 个四边形单元，以实现基于独立网格的解决方案。为保证计算准确性，对近壁区域的网格进行细化。图 显示了加热管的网格划分。加速气体选择氮气作载气。为考虑压缩性效应，1 图 加热管的网格划分 利用理想气体定律计算气体密度。选用基于密度的稳态隐式求解器来解决气体的温度和速度。为准确捕捉流动特征，利用低雷诺数 湍流模型结合用于近壁面处理的标准壁面函数计算喷嘴内的流动状态，并采用二阶迎风离散方案用于获取最终的流量项。控制策略 传统的开关控制策略在冷喷涂中，常用开关控制策略来实现气流温度的控制，其流程图如图 所示。图 开关控制策略流程图 其中，表示目标温度，表示热通量常数，表示缓冲带，表示壁面的输入通量变量，表示工作气体的温度。开关控制可分为 步：当加速气体的实时温度低于目标温度时，加热装置将被打开；当实时温度高于目标温度时，加热装置将被关闭。伴随着关闭过程，未被加热的冷气将被输送到系统中以冷却加速气体。通过这种开关控制，加速气体温度可以保持在目标温度左右。考虑到冷喷涂的加热速率快，本策略采用一个缓冲带来防止气体过热，这个缓冲带是根据系统的经验来设定的。当出口气体的温度上升到缓冲带时，加热装置会关闭。值得注意的是，在每次瞬态模拟中执行，其中的变量也将涵盖除静态变量以外的其他变量。控制策略本研究中，气流温度控制采用比例积分微分。本质上，控制策略是控制目标值（）和实际值（）之间的误差，可以用公式表示：()()（）。因此，控制策略可以表示为：()()()（）|（）其中，（）为控制变量，即墙体热通量的动态变化，代表加热功率的控制策略；为比例系数；为积分时间系数；为导数时间系数；为时间变量。与开关控制策略类似，策略中的 将在 的每次瞬态模拟中执行。因此，时间变量 应从连续控制转化为离散控制，用离散时间点 代替连续时间。此外，积分由矩形积分代替，微分由一阶后向差分方程代替公式（）。综上，策略可表示为公式（）。这里，是时间步长，是时间步长的序列号，（）和（）分别是步骤 和步骤 的控制误差。（）()()()()()()（）|（）()()()()()（）控制策略的流程图如图 所示。其中，和 表示 常数，通过正交实验进行优化。气体温度的稳定时间和过冲共同作用会影响冷喷涂中涂层的精度和效率。与开关控制策略不同，策略包含 个重要参数：比例（）、积分（）和导数（）（其值通过正交实验确定），它们共同作用于冷喷涂中气体温度的稳定时间和过冲。因此，本工作设计了一个由 个因素和 个水平（）组成的正交实验，分别评估 个关键因素对稳定时间（）和过冲率（）的影响。正交实验中 个因素的水平值如表 所示。1 图 控制策略流程图 表 正交实验中的水平值 水平比例（）积分（）微分（）结果和讨论冷喷涂中，加热管从室温被加热到 ，气体压力为 ，通过数值模拟计算加热管出口中心的气体温度。在传统开关和 策略下，气体温度与加热时间的关系如图 所示。图 策略和开关策略下加热时间和气体温度的函数关系 可以看出，开关策略的温度曲线还是表现出有界输入有界输出（）的稳定性。过冲值约为 。气体温度是冷喷涂中最重要的因素之一，它可以影响沉积效率和涂层孔隙率，从而影响冷喷涂涂层的性能。然而，参 数 优 化 中 的 温 度 偏 差 通 常 需 要 小 于。因此，基于开关控制策略的气体温度控制误差无法很好地满足精度要求。冷喷涂中气体温度的另一个重要因素是稳定时间。开关控制策略控制模式下的温度曲线需要 才能稳定到有界输入有界输出的状态。至于 控制策略的温度曲线，没有发现大的温度偏差。气体温度在 内迅速稳定下来，误差为。因此，可以得出结论，控制策略比传统开关策略具有更高的控制精度和效率。本研究设计了 个因素和 个水平（）的正交实验，研究各因素（，和）对气体温度稳定时间和过冲率的影响，其中采用了正交设计直接分析和极差分析（表）。表 气体温度的稳定时间（）和过冲率（）与 参数的关系 （）（）序号比例（）积分（）微分（）（）（）（）（）（）（）（）（）从表 可以看出，气体温度的最佳稳定时间为，参数为，气体温度过冲率的最小值为，参数组合也为。极差分析结果表明，中比例值和积分值对气体温度稳定时间的影响较大；积分值对气体过冲温度的影响较大。结 论本研究通过计算机流体动力学模拟和用户定义功能，研究了冷喷涂加速气体的加热策略。通过对传统的开关控制模式和 控制模式的仿真实验表明，在 温度控制模式下，被加热的气体呈现出较低的过冲1 率和较短的稳定时间。对于气体温度的稳定时间和过冲率，比例值和积分值分别被赋予更大的权重。气体温度的最佳稳定时间和过冲率可以分别控制在 和。参考文献 黄仁忠，孙 文，郭双全，等 冷喷涂技术的研究进展与应用 中国表面工程，（）：，（）：，：，：，：，：，：杨景文，李文亚，邢词皓，等 冷喷涂铜涂层研究进展 材料保护，（）：，（）：，：，：，（）：罗政刚，陈永雄，程延海，等 冷喷涂粒子速度温度协同作用及复合喷涂新工艺研究进展 表面技术，（）：，（）：杨理京，付树仁，王少鹏，等 不同载气温度条件下低压冷喷涂 复合涂层的沉积特性 材料保护，（）：，（）：，：，：，：，：，（），：罗川宁，郝润科，杨威 工业生产过程锅炉温度控制仿真 计算机仿真，（）：，（）：，：，：周自强，郭 纯 冷喷涂数值模拟研究进展 金属制品，（）：，（）：邢龙森，郭学平，朱海彬 基于 的冷喷涂 喷嘴优化设计 造船技术，（）：，（）：（下转第 页）1 ，（）：，：卓子寒，王 超，姜波，等 镁合金微弧氧化膜复合封孔工艺及其性能研究材料保护，（）：，（）：赵 晖，杜春燕，杨金花，等钛合金微弧氧化聚四氟乙烯复合自润滑膜的制备及其性能材料保护，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（），：，：，（）：胡汉军，周 晖，曹 珍，等钛合金表面 粘接涂层的真空摩擦学性能摩擦学学报，（）：，（）：任丽梅，高 珊，陈兆祥，等自润滑微弧氧化复合膜层研究进展燕山大学学报，（）：，（）：，（），（）：，：编校：范宏义（上接第 页），：，：，（）：程相飞，兰海明，黄仁忠，等 冷喷涂气体加热器的优化研究 材料研究与应用，（）：，（）：，：，：编校：董 雪