热沉积表面处理方法、系统和产品 本申请要求2006年10月12日提交的题目为“ThermalDeposition Surface Treatment Method，System and Product”的临时申请60/851197的优先权，本文引入其全文作为参考。
【发明背景】
使用热沉积涂覆方法施加各种涂层如金属、合金、陶瓷和复合材料到各种基底上形成部件产品的方法是已知的。利用这种方法提高基底的性能如硬度、耐腐蚀性、耐热性、表面孔隙率等。示例性的热沉积涂覆操作包括：高速氧-燃料喷涂(HVOF)和高速空气-燃料喷涂(HVAF)、在空气气氛、真空室和/或惰性气体室中的DC和RF等离子喷涂、电弧(双丝和单丝)喷涂、激光粉末涂覆或熔覆(cladding)、转移弧涂覆操作如等离子转移弧粉末涂覆和焊接覆盖沉积(weldingoverlay deposition)等。
热沉积涂覆操作沉积预热和/或熔化的涂层材料到基底表面上。在涂覆方法中，使热沉积头多次通过工件表面，每次通过都沉积一层涂层材料。需要大量能量，通常表现为热的形式，来热沉积涂层材料到工件上，并且这种能量的一部分至少部分被带到工件上。热沉积期间不合适的温度控制经常导致涂层和工件过热、热降解、和由于涂层和基底表面之间热收缩系数的不匹配而破坏热应力。当破坏通过过热、热应力等发生时，得到的涂层可能粘着差，或甚至破裂。
在为了封闭微孔和致密化这些沉积物的涂层后处理例如常规火焰、激光、等离子或感应场熔合或打光先前喷涂沉积的涂层期间，会因为表面处理部件的非优化和/或非均匀温度分布而发生类似问题。
在热沉积涂覆期间从工件移去热是至关重要的，在热沉积涂覆操作中实现热移去的最常用方法之一是在工艺循环中引入中断，使得积聚的热被散逸到环境中。由于这种做法，经常利用冷却空气射流来补偿工艺生产率损失，但(a)空气冷却通常不够且(b)冷却空气中存在的氧气连同残余水分和烃经常对涂层质量有害。
在最大化所得部件涂层质量和/或工艺生产率的冷却剂方面寻找有效热移去方法导致冷冻和低温空气冷却的发展。尽管低温冷却方法提供了快速移去热的能力的显著提高，但它们很少在热沉积涂覆工业中使用，因为在涂覆期间控制温度即热堆积和工件内热均匀性方面甚至困难更多或更窄的误差容限。
难以利用常规手段在工业条件下完成，尽管如此，基底表面温度的严格控制对于最大化涂层厚度和/或这些涂层到基底表面的粘着性是至关重要的。
说明一定程度上包括低温冷却剂使用的热沉积涂覆方法的代表性论文和专利如下：
Nuse，J.D.和Falkowski，J.A.Surface Finishing of TungstenCarbide Cobalt Coatings Applied by HVOF for Chrome ReplacementApplication，Aerospace/Airline Plating and Metal Finishing Forum，Cincinnati，OH，2000年3月27日，公开了使用HVOF在飞机前起落架和起落架(nose and landing gear)基底上施加碳化钨涂层作为铬基涂层的替代物。
Stokes，J.和Looney，L.，HVOF System Definition toMaximise the Thickness of Formed Substrates，Proceedings of theInternational Conference on Advances in Materials and ProcessingTechnologies(AMPT′99)，Dublin，Ireland，1999年8月3-6日，775-784页，公开了使用二氧化碳作为冷却剂利用HVOF施加氧化铝-氧化钙稳定氧化锆沉积物、CoNiCrAlY沉积物和碳化物沉积物。测定喷涂距离和强制冷却的影响。
Lucchese，P.等，Optimization of Robotic Trajectories in theAtmosphere and Temperature Controlled Plasma Spray Process onCeramic Substrate Using Heat Flow Modelling，Proceedings of the 1993National Thermal Spray Conference，Anaheim，CA，1993年6月7-11日，231-239页公开了使用液态氩作为冷却剂的大气和温度控制等离子喷涂的应用。将难熔粉末喷涂在利用自动化轨道可旋转的陶瓷工件上。使用位于等离子喷涂区域中的记录IR相机测量温度对时间的关系并使用这些结果减少热通量以及避免基底和涂层破坏。
US 6,740,624 B1和EP 0 960 955 A1公开了通过火焰或等离子喷涂提供厚度通常大于5mm的金属氧化物涂层到基底上的方法。在热喷涂期间进行基底背侧的低温冷却。建议使用与单点低温冷却剂源相连的单点红外传感器，另外的选择是在基底表面上设置多个这种传感器-冷冻剂源对。
US 6,648,053 B2、WO 02/083971 Al、WO 02/083972 A1和EP 1 038 987 B1公开了使用无冷却剂的基于传感表面温度的热控制方法和使用热绝缘陶瓷基底在自动化喷涂单元中电弧喷涂成形厚沉积物(坯料)的装置，特征在于减少的变形和内部应力。公开的表面温度传感基于使用多点测量、温度记录(thermographic)或热成象(热视觉)相机的喷涂沉积表面的实时二维绘图。
工艺控制算法使温度记录相机坐标与自动喷涂机坐标同步，并当在工件表面上形成热点时，通过操纵横向移动速度和自动喷涂成形枪的定位来控制喷涂在这些热点区域上的材料数量，消除这类热点。
发明简述
本发明涉及用于工件表面热处理的方法和系统，包括步骤：(a)改变工件表面的温度，其中选自以下组的至少一个条件是可控的：热处理速度，表面和所述处理装置之间的相对运动，到所述工件上的冷却剂流速，到所述工件上的加热流速，和加热装置或冷却装置与表面之间的相对速度；(b)同时测量工件表面上多个位置处的温度；(c)确定步骤(b)中所测量温度的平均温度；(d)比较平均温度与工件的预先选择最小温度和预先选择最大温度；和(e)如果所述平均温度不在工件的预先选择最小温度和预先选择最大温度之间，则自动调整可控条件中的至少一个。进行这个步骤，同时继续进行改变步骤，然后重复工艺步骤。
本发明还提供处理工件的方法，所述方法包括步骤：(a)改变工件表面的温度，其中选自以下组地至少一个条件是可控的：热处理速度，表面和所述热处理装置之间的相对运动，到所述表面上的冷却剂流速，到所述表面上的加热流速，和热处理装置与表面之间的相对速度；(b)将工件表面分成多个区；(c)同时测量工件表面上多个区中多个位置处的温度，其中在每个区中测量至少一个温度；(d)使用步骤(c)中测量的所述温度确定所述多个区的每一个中的平均温度；(e)比较每个平均温度与该区的预先选择最小温度和预先选择最大温度；和(f)如果所述平均温度不在至少一个区的预先选择最小温度和预先选择最大温度之间，则自动调整可控条件中的至少一个。
在本发明的其它实施方案中，工件中一般由工件的各个部分之间的不均匀温度引起的局部应力被最小化，不均匀温度可能归因于下面中的一个或多个：工件几何形状，非优化冷却剂施加，非优化热施加，非优化改变工件的温度，和相对于工件尺寸较小的加热装置、冷却装置和热处理装置，或者其它，未优化的热工艺参数。这可能伴随计算已描述实施方案的所有温度读数的标准偏差，并响应标准偏差的预定值控制热处理装置和工件之间的相对运动(速度)、和/或热处理速度(其可为加热处理速度或冷却处理速度)和/或冷却剂流速、和/或加热流速。另一种实施方案包括上面的步骤(a)至(e)或(f)和附加的步骤：(f或g)确定所述平均温度和累计的所述测量温度之间的标准偏差；(g或h)比较标准偏差与第一预先选择标准偏差，S1；和(h或i)如果所述标准偏差大于第一预先选择标准偏差S1，则自动调整可控条件中的至少一个。进行这个步骤，同时继续改变工件表面的温度。然后重复工艺步骤。
在本发明的另一种实施方案中，包括附加的步骤：(i或j)比较标准偏差与第二预先选择标准偏差，S2；和(j或k)如果所述标准偏差大于第二预先选择标准偏差S2，则自动中止(suspend)或限制改变工件的温度。可在步骤(g或h)和(h或i)前或后进行步骤(i或j)和(j或k)。然后可重复工艺步骤。如果改变步骤被中止，则重复步骤(b)到步骤(j或k)或步骤(b)到步骤(e)和(i或j)和(j或k)，直到标准偏差小于S2，然后可重复所有步骤直到热工艺完成。
本发明还提供一种系统，包括：a.改变工件表面温度的热处理装置和用于所述热处理装置的控制器；b.夹持工件的工件夹持器；c.用于相对于所述工件夹持器移动所述热处理装置的运动控制器；d.可同时测量工件表面上多个位置处温度的至少一个温度传感器；e.计算机，其接受来自至少一个温度传感器的输入并确定温度的平均温度；比较平均温度与工件的预先选择最小温度和预先选择最大温度；并且如果所述平均温度不在工件的预先选择最小温度和预先选择最大温度之间，则自动联系至少一个控制器。
本发明还提供将工件分成多个区并测量每个区中至少一个温度的系统。在系统的一些实施方案中，为每个区提供多个温度传感器或测量位置(对于单个温度传感器，能够同时测量多个位置的输出)以计算(确定)该区的平均温度。在本发明的系统的其它实施方案中，提供每个区至少一次温度测量，和在至少部分在相邻区中的区域内测量的至少一次附加温度测量。该至少一次附加温度测量可为在完全在与正计算平均温度的区相邻的区内的区域(区域，点或位置)中测量的温度，或它可为作为位于至少二个或多个相邻区内的区域上平均温度的温度测量，其中一个区为正计算平均温度的区。
本发明还提供由本文所述方法中任何一个得到的工件。
基于使用本发明的热处理方法和系统，可获得诸多优点，并可包括下面中的一个或多个：没有过度加热和热破坏工件材料、或涂层材料加热不足和热破坏涂层材料、或在基底材料上不能达到所需效果的风险就实现良好生产率的能力；如果涂覆则在工件上产生良好粘着的均匀涂层同时最小化破坏涂覆工件中涂层和表面之间内部应力的能力；对任选地包括冷却剂或加热装置的困难控制操作提供温度控制的能力，其还可包括生产环境中执行的简化、即使各种瞬时(momentary)过程波动也可靠的热测量以及同时接受接触和非接触传感器测量；和利用来自不同温度传感设备的混合输入的能力。附图简述
图1为说明单点温度测量的简化交互式(reciprocal)热沉积涂覆操作的图。
图2为工件和涂层之间界面的单点温度测量值对时间的曲线，说明图1所示热沉积操作中的温度循环。
图3为能够在本发明的方法中使用的系统的一种实施方案，显示了热沉积过程中低温冷却剂分配器的各种构造和布置。
图4为可在本发明的方法中使用的系统，显示了圆柱形工件的热沉积涂覆、低温冷却和控制系统的一种实施方案。
图5为可用在本发明的方法中的温度输入记录矩阵的一种实施方案。
图6为本发明的冷却控制方法的一种实施方案的流程图，显示了既用于热控制又用于均匀温度控制的二个逻辑模块。
图7为在包括同时低温冷却涂覆表面的HVOF喷涂涂覆方法中测量和计算的温度的曲线图。
图8为在狭长(elongated)部件的火焰预热过程中测量和计算的温度的曲线图。
图9为可用在本发明的方法中涉及狭长基底零件的热分区(zoning)方法。
发明详述
本发明的方法和系统可用在工件热处理的任何方法或系统中，在所述任何方法或系统中，工件(或工件上的涂层)的加热不足或过热和/或不均匀加热或冷却对工件或涂层具有有害影响。热处理方法为其中工件温度被改变的方法，即工件被加热和/或冷却，同时试图改变工件的性质或增加涂层到工件上，并且希望保持工件温度在所需范围内。热处理方法中单独的工件加热或冷却可能导致工件表面的所需处理，或可引入其它气体、流体或材料到工件表面上作为热处理方法的一部分以获得所需的表面修饰。在本发明的热处理方法的一些实施方案中，通过产生工件非均匀加热和冷却的加热处理装置、冷却处理装置、加热装置或冷却装置进行工件的加热和/或冷却。除了热喷涂涂覆外，涉及或导致改变工件温度的热处理方法的例子包括热处理、化学和物理气相沉积涂覆、表面热处理、熔合、淬火(hardening)、氮化、渗碳(carburizing)、感应热处理、激光上光(laser glazing)、热覆面(heat-facing)和热屏蔽表面、模塑和其它浇铸方法、挤出金属带轧制、锻造、成形、感应热处理、接合、钎焊(brazing)、焊接和热切削操作以及非金属材料的印刷和固化、冷轧、表面低温处理、机械加工和金属切削。沉积涂覆操作的例子包括：高速氧燃料喷涂(HVOF)和高速空气燃料喷涂(HVAF)、在空气气氛、真空室和/或惰性气体室中的DC和RF等离子喷涂、电弧(双丝和单丝)喷涂、激光粉末涂覆或熔覆(cladding)、转移弧涂覆操作如等离子转移弧粉末涂覆和焊接覆盖沉积(welding overlay deposition)。
热处理装置可为加热处理装置或冷却处理装置，并可为刚才所述本文公开的热处理方法中任何一个所需设备的任何一个。热处理装置包括下面这些：热沉积头、热喷涂枪(并包括HVOF、APS、VPS、电弧喷涂、火焰等)以及MIG焊炬、激光器、火焰、等离子放电、电弧焊炬、低温喷嘴、机械加工设备。刚才所述热处理装置中的许多种都通过沉积高温材料到工件表面上改变工件表面的温度。
本发明可用在其中必须保持工件低于最大温度和高于最小温度的工件热处理方法中，其在热处理方法中可包括通过加热装置预热和/或加热工件表面以保持温度在最小温度以上和/或通过冷却装置预冷和/或冷却工件表面以保持温度在最大温度以下的步骤。参考工件的热沉积处理详细描述本发明的热处理方法；但是，本发明不限于热沉积处理方法和系统。对热沉积处理方法和系统的任何提及都适用于任何热处理方法和系统。
当用于说明书和权利要求书中所述本发明实施方案中任何特征时，如本文中使用的不定冠词“a”和“an”指一个或多个。“a”和“an”的使用不限制到单一特征的含义，除非专门声明这种限制。在单数或复数名词或名词短语前的定冠词“the”表示一个特别指明的特征或多个特别指明的特征，并可具有单数或复数涵义，取决于使用它的上下文。形容词“任何”不受限制地指一个、一些或全部，不管何种数量。放在第一实体和第二实体之间的术语“和/或”指下面中的一种：(1)第一实体，(2)第二实体，和(3)第一实体和第二实体。
为了有助于理解导致本发明的思想，参考图1。图1描绘了简化的工件热处理，具体为将高温涂层材料施加到工件上的热沉积涂覆操作。在图1中，用由热处理装置(在这种情况下为热沉积头6)沉积的涂层材料4涂覆包括工件基底表面3的工件2。热沉积头6在工件2的表面3上的点a和点b之间往复运动，并且涂层材料4沿线ab施加在工件2的表面3上。这意味着从a到b的冲程时间(t冲程)远远小于完成整个涂覆操作所需要的时间。这样，工业实施通常需要热头6的几次扫描或往复运动在工件的预先选择区域上或工件2的整个表面3上产生具有预先选择厚度的涂层。当热沉积头从点a移动到点b时，从冷却剂源10供应低温冷却剂8到工件2的表面3以帮助移去热。当热沉积头从点b移动到点a时，过程被反转。从工件2快速移去热允许通过保持工件总温度低于预先选择设计的最大温度(Tmaxi)和高于最小温度(Tmini)来提高生产率。由热电偶12记录瞬时(instantaneous)温度读数。
Tmaxi和Tmini由热喷涂涂覆系统的操作人员根据部件几何形状和材料考虑因素来“任意”设定。例如，在基于燃烧加热的热喷涂方法中，例如利用H2-火焰或烃火焰的HVOF(高速氧燃料)喷涂中，通常设定Tmini刚好高于水的沸点。在于真空室中的等离子喷涂涂覆情况下，可使用其它考虑因素设定Tmini。通常设定Tmaxi在防止基底材料热机械降解的水平。如果热喷涂涂覆热处理过且低温回火(temper)的钢部件，则可设定Tmaxi在200或300℃的水平以防止不合需要的工件材料软化。对于时效铝合金(aged aluminum alloys)、聚合物复合材料部件和往往集中破坏热应力的复杂几何形状部件，可在预设Tmaxi中使用类似的手段。在其它热处理方法中，如果涂层的温度未保持在一定温度以上，这个可为Tmini，则涂层可能会受不利影响，如果工件的温度不降低，则可设定Tmaxi在较高温度，高于它工件开始受不利影响。
术语“热头”的使用代表热处理装置的子集，并被定义为热涂覆设备的一部分，要被涂覆在工件表面上的材料从中离开热涂覆设备来涂覆工件的表面。热头包括热喷枪(并包括HVOF、APS、VPS、弧喷涂、火焰等)以及可用于焊接覆盖涂覆的MIG焊炬、激光粉末喷涂涂覆系统、PTA粉末和线涂覆系统(等离子和焊接的混合)等。
图2为当图1所示的热沉积头6在没有冷却剂情况下在点a和b之间沉积涂层材料4时由热电偶12测量的瞬时(instantaneous)温度对时间的曲线图。在热沉积涂覆操作中，每次通过热电偶都产生在温度点T峰值20处代表的峰值温度。当热沉积头远离热电偶时，热电偶处的工件温度由于工件2内经由传导、通过辐射和通过对流的热散逸(heat dissipating)而降低，导致较低的最小温度22。线Taver 24为计算的平均温度。(在下面的段落中描述它对于本发明的意义。)术语平均(average)和平均值(mean)在本文中可互换使用，除非另外指明。工件设计的预先选择最大温度被指定为Tmaxi 25，工件设计的预先选择最小温度被指定为Tmini 27。Tmaxi为涂覆系统中工件的优选最大温度，Tmini为涂覆系统中工件的优选最小温度。如图2中所示，系统的温度快速移动到Tmaxi以上，因此涂层将不是所需要的，和/或可能有缺陷。
图1所示沉积方法使用单源温度测量，其不能充分解决从工件2移去热和工件不同位置处可能超过Tmaxi或低于Tmini的不均匀温度的问题。此外，固定点温度传感器的使用没有解决各种瞬时(momentary)工艺测量波动，包括热传感器位置(在进行温度测量的时点时相对于热沉积头)，并且温度传感器反应过度。温度传感反应过度可能因喷涂流(spray plume)、灰尘、低温蒸气或冰雾、横向移动(traversing)的热沉积头自身和热材料流(hot material plume)遮蔽和遮掩温度传感器而引起。温度传感反应过度还可能因工件表面的发射率和热场局部转换而引起，工件表面的发射率和热场为工件表面上位置和测量时间的函数。
使用上面图2中提供的单源温度方法通常产生的热输入数据使申请人认识到：必须以比以前更均匀的方式提供涂覆操作中工件温度，以便能使用它用于控制目的；需要使用导热基底表面即导热工件或工件表面和/或导热涂层材料使热涂覆期间工件表面上产生的局部热梯度平稳(even out)；而且，基本上同时读取多个区域的表面温度并取它们的平均值将有助于控制热处理方法。另外，在一些实施方案中，需要使用多个温度测量设备以提供更可靠的温度测量和平均温度测定。受热涂覆期间工件表面上产生的局部(local)和暂时(temporal)温度梯度影响的热涂层的完整性和粘合性主要取决于限制整个工件和/或涂层因工件和涂层材料的热膨胀系数之间的不匹配引起的大规模膨胀或收缩。使大规模膨胀和收缩最小要求保持工件的平均温度在Tmini和Tmaxi之间。
本发明考虑导热基底或涂层材料或两者的使用。在一些实施方案中，基底(工件表面)和/或涂层(如果在过程中施加)将具有至少5w/mK的导热率。基底可为金属，作为要被涂覆的工件，在一些实施方案中，可以在工件基底表面上在多道次(multiple passes)中铺设的总涂层厚度将小于基底在其最薄横截面处厚度的一半。以另一种方式说明，导热基底在其最薄横截面处比得到的沉积涂层的厚度厚至少二倍。本发明的一个方面在于基本同时使用多个温度输入用于过程控制，它们可来自于一个或二个或更多(多个)接触和/或非接触温度测量设备，在使用它们时，对它们在预定时间跨度(time-span)和预定表面区域内工件表面温度的瞬时(momentary)读数取平均。在本文所示的一种实施方案中，使用多个非接触温度测量设备测量工件表面的温度；但是，一个或多个接触和一个或多个非接触温度测量设备的混合也能用于本发明。另外，测量区域内或可能位于一个或二个或多个区内的位置的平均温度的温度测量设备可单独用于本发明，或与在区域中、可能位于单个区内的点或位置处测量的温度传感器结合用于本发明。另外，单一系统中不同类型的非接触温度测量设备的混合也是有用的。
在热处理方法例如热沉积涂层材料到导热基底的控制过程的开发中，申请人确定如果基本同时在工件的大量区域(significantarea)上测量表面温度、取温度平均值并绘制温度读数平均值(Taver)的曲线，则工件表面的平均温度将在沉积过程中快速攀升但是均匀的，如图2中线24所示。在本发明中，可控制Tavg使得工件的平均温度将位于预先选择最大温度Tmaxi 25和预先选择最小温度Tmini之间。由此可推定，简单但有效的多个位置处工件温度的测量和工件平均温度Tavg的计算可用于控制下面中的至少一个：到工件上的冷却剂流速，热处理速度，其可为加热处理速度或冷却处理速度，取决于过程，热处理装置和表面之间的相对速度，加热装置或冷却装置与表面之间的相对速度，和/或到表面的加热流速。本发明的每个系统和方法未必提供控制刚才所列那些可控条件中每一个的选择。例如，在一些实施方案中，热处理速度将不是可调的，和/或冷却剂流速将不是可调的，和/或相对速度将不是可调的。
在需要增加额外的热到过程中以保持温度在指定最小温度之上的实施方案中，可利用具有加热装置控制器的加热装置(其可能是除了加热处理装置外的加热装置)提供加热流速。在本文图中所示的热沉积方法中，未提供单独的可控加热装置。在图中所示的热沉积方法中，可利用工件平均温度的计算控制冷却剂流速、到工件表面上的涂覆沉积速度和/或表面与沉积头之间的相对速度。沉积速度为热沉积方法中每单位时间由沉积头喷射的材料数量。
在需要一个或多个加热装置的实施方案中，可通过强制空气加热器(forced air heater)、燃烧器、火焰、激光器、火炬、热板、电加热器等来提供它或它们。通过增加一个或多个用于控制加热装置的加热装置控制器，加热装置应是过程可控的。单个或多个控制器将调节一个或多个加热装置以增加加入到工件表面或工件表面上特定区的热。还可提供控制器来控制加热装置相对于工件表面移动的移动。当应保持平均温度在最小温度以上并且热处理方法或系统未添加热量或足够热量时，应增加加热装置到本发明的热处理方法或系统中。增加一个或多个加热装置到系统或方法的系统和方法的例子包括需要更均匀温度的焊接应用。
具有比基底低的温度的任何冷却剂都可在本发明中用作冷却处理装置或作为冷却剂。冷却处理装置或冷却剂可为液体、气体或固体，或两相或多相的混合物或不同相中的冷却剂。可用在本发明中的冷却剂处理装置(或冷却装置)和冷却剂的例子包括强制空气、水、惰性气体、低温冷却剂或已知可用于热处理方法的任何其它冷却剂。低温冷却剂(温度低于-70℃或低于-100℃的冷却剂)可用在本发明的热处理方法中作为冷却处理装置或作为冷却装置。在热沉积方法中，低温冷却剂可通过喷射(冷却剂装置)至少一部分冷却剂到涂覆、部分涂覆和/或要被涂覆的工件表面上来用作冷却剂。低温冷却剂包括惰性冷却剂，例如惰性气体(noble gases)，其可为气态、液化或部分液化的，如用于各类涂层材料的氩气或氦气，用于大多数金属、碳化物、氮化物和硼化物涂层的氮气，以及任选地用于非氧化通常是含氧化物涂层如氧化铝、氧化锆、氧化钛、羟基磷灰石(hydroxy apatite)、钙钛矿(perovskites)等二氧化碳或空气。必须与金属一起使用惰性气体冷却剂而不是氮气(即使是低温的)的不常见情形包括喷涂快速形成氮化物的钛、钽、镁和类似的反应性金属涂层。适合本发明实施的具体热沉积涂层材料选自金属、合金、金属间化合物、氧化物-、碳化物-、硼化物-和氮化物-陶瓷、复合材料以及它们的任意组合。
用于施加或引导上述冷却剂到工件表面上的冷却装置包括风扇、压缩机、泵、喷射器、喷嘴、分配器等。冷却装置可设有一个或多个控制器用于控制来自冷却装置的冷却剂的流速。可提供用于一个或多个冷却装置的独立控制器以分别控制从冷却装置到工件表面或工件表面特定区域或区的流速。还可提供控制器用于相对于工件表面移动冷却装置。
在为了最小化涂层和工件基底表面之间的热诱导局部应力并保护工件不遭受局部热破坏而保持Taver(多区域温度读数的平均值)高于预先选择低温度Tmini和低于预先选择高温度Tmaxi时，对带来温度平均(确定平均值)并任选地调整冷却剂流速(或到工件表面上的涂层沉积速度，或工件表面和所述热处理装置例如沉积头之间的相对速度)的基本思想的改进在于在基底和涂层表面内形成温度均匀性。工件表面内持续的温度不均匀性可由变量如工件几何形状、非优化冷却剂施加以及热沉积方法的其它未优化参数引起。因此，在本发明的方法的另一种实施方案中，将确定累计多区域温度读数的平均值的标准偏差并考虑改进的控制，因为单独多区域温度读数的平均值不能探测工件表面和涂层内在涂覆方法和/或过度温度波动期间温度演变的更长期趋势。确定标准偏差也因类似原因而适用于其它热处理方法。
图3-6所示的本发明的改进过程控制方法中的技术细节(mechanics)包括以下作为第一步骤：基本上沿工件2表面的长度、宽度、直径或其它尺寸包括边缘和中点区域获取多传感器单温度区域读数(SAR)。(使用术语长度和宽度描述工件的尺寸不是限制性的，因为能理解到本发明的方法可用于具有任何形状的工件并且其它尺寸术语可代替术语长度和宽度)。例如，边缘温度测量的位置在图3中被确定为点c-i和k，或沿圆柱体长度在图4中的点A-F处。这些温度测量值基本同时在每个时间步长(time step)时被测量，收集形成多区域读数(MRR)，然后求平均值。时间步长为沿要被涂覆工件表面基本同时测量温度之间的时间间隔。时间步长将取决于使用本发明的方法热处理工件需要的总时间、工件和/或涂层的热导率和热处理方法的其它特征，并可根据实验确定，但可为例如0.1-5秒或0.5-1.0秒。使用平均值，更确切地为在一个时间步长时获取的多区域温度读数的平均值，命名为如上文所述的平均值(MRR)，来控制下面中的一个或多个：冷却剂流速，热处理速度，例如，到工件表面上的涂层沉积速度，和/或表面和热处理装置例如沉积头之间的相对速度，以保持Taver在Tmaxi和Tmini之间。在改进的过程控制方法的第二个步骤中，使用标准偏差作为温度控制机制。在这个步骤中，确定特定的阈值时间(ts)，然后在(每个)时间步长开始时测量单个区域读数值用于计算不仅仅是每个MRR(沿图5中的单一行)，而且还有累计多区域读数矩阵，命名为CMRR(在二维内，如图5所示)。具有全部累计多区域读数矩阵CMRR值的整个累计多区域读数矩阵总体(population)被连续更新(垂直扩展)并用于针对经过阈值时间的每次新时间步长计算标准偏差。利用这种二维数据矩阵，可计算在涂层沉积循环内测量的所有温度读数的标准偏差，命名为S(CMRR)。一旦计算出标准偏差S(CMRR)，就可使用它与先前测定并确定的对照标准偏差比较。例如，可有命名为S1和S2的两个确定的对照标准偏差，其中S2大于S1；但是，在其它实施方案中，可有1个或任意数量的对照标准偏差。对于使用二个对照标准偏差的例子，用计算的标准偏差与S1和S2比较，如果S(CMRR)的值大于预先选择的值，可执行以下动作中的至少一个：[1]可加快热处理装置例如热沉积头和工件表面之间的相对运动(速度)，和/或可降低热处理速度，例如到所述表面上的涂层沉积速度，和/或可增加到所述工件上的冷却剂流速和/或可降低到工件上的加热流速和/或可增加加热装置或冷却装置与表面之间的相对速度或[2]可临时中止或限制热处理装置，例如涂层材料的沉积。在一种实施方案中，如果S(CMRR)大于S1但小于S2，可利用选项[1]，如果S(CMRR)同时超过S1和S2，则可利用选项[2]。对于一些过程，一些热处理装置的操作可被“限制”，意味着接近完全关闭和/或对表面具有有限的影响或有限的作用，当关闭或重启热处理装置的操作时，将非常复杂或导致长时间延迟(用于加热或冷却)。
低的累计多区域读数标准偏差值S(CMRR)，即低于S1是理想的，因为这代表延时确认的(time-lapse confirmed)基底热均匀性(良好的热扩散)，确保可接受的涂层质量和最小的局部过热(或过冷)且受压的工件和/或涂层表面的风险。不过，累计多区域读数的实际标准偏差值和它们对过程控制的显著性取决于许多变量以及阈值时间值的选择。因而，例如，如果涂覆方法需要热沉积头在工件表面上5次完整通过，则可能需要设定阈值时间(ts)使得累计多区域读数的标准偏差值只是在工件表面部分的至少50％、或至少70％或至少90％涂有第一次通过层后才被计算和用于过程控制。或者，可使用累计多区域读数矩阵CMRR和标准偏差S(CMRR)控制热处理方法，例如，仅仅在热沉积头第一次通过工件后的热沉积方法，意味着设定阈值时间至铺设第一完整层或完成热沉积头第一次通过工件所需的时间。
另外，应至少在本方法期间目前正被处理或将要被处理的工件表面上的区域中或基本均匀地测量工件表面区域上的温度。例如，热涂覆方法中应进行代表性温度测量的工件表面区域应包括将要通过沉积头被热涂覆的工件整个表面区域。在工件表面上的位置处或区域内或点处进行温度测量。术语位置和区域可互换使用，并指较大和较小的区域和点，点为集中的区域。温度测量如果在大的区域上进行，则一般为通过温度传感器测量的该区域上的平均温度(如通过图9所示IR5所测量)。或者，温度传感器可在工件表面区域上的多个较小位置处测量多个独立的温度(如图4所示)。
从上面可见，瞬时(instantaneous)平均值、或在一个取样时间的多区域读数的平均值、用于控制冷却介质流速或其它可控条件的平均值(MRR)可如下面的第一等式中所示来计算。其中：平均值(MRR)＝在一个时间的多区域读数的平均值Tij＝在一个时间和一个区域的单个温度读数i＝A，B，C...M(温度控制区域的编号)j＝1，2，3...n(测量时间步长的编号)
平均值(MRR)提供要被涂覆工件表面的瞬时(instant)、区域平均的热测量值。这个结果提供了工件表面上不同点处大规模温度变化的良好估计。在一种实施方案中，通过控制到工件表面上的冷却剂流来保持多区域温度的平均(平均值)在预先选择的Tmaxi和Tmini之间提供对工件的热控制。
在另一种实施方案中，一旦经过阈值时间，由累计平均CMRR确定标准偏差的机理用下面的等式表示：S(CMRR)=1MnΣi=Aj=nj=1i=MTij2-(1MnΣi=Aj=nj=1i=MTij)2]]>其中：S(CMRR)＝从开始到实际测量时间累计的累计多区域读数的标准偏差Tij＝在一个时间和一个区域的单个温度读数i＝A，B，C...M(温度控制区域的编号)j＝1，2，3...n(测量时间步长的编号)
如上所述，可将S(CMRR)与S1和S2比较。对于热沉积例子，超过S1表明工件表面的热均匀性变得微小，必须提高该表面上的热扩散或沉积的涂层的质量可能是差的。在一种实施方案中，可通过加快热沉积头和表面之间的相对速度即通过加快热沉积头和/或工件的运动来实现更均匀的热扩散，其中冷却剂装置或分配器相应加速，除非冷却剂装置或分配器固定。沉积头和工件的加快相对运动导致每次热沉积头通过时沉积更薄的涂层，因此，每次加快都伴有通过次数的相应增加以沉积目标厚度的涂层。或者或另外地，为了实现更均匀的热扩散，可通过降低来自沉积头的材料的沉积速度降低到所述表面上的涂层沉积速度，和/或可响应大于S1的S(CMRR)提高到所述工件上的冷却剂施加速度。方法可提高工件的速度或沉积头的速度或两者以增加工件和沉积头的相对运动。在提供加热装置的替代实施方案中，可使加热装置激活(activate)，移动更快或更慢，和/或可以增加或降低加热流速。
达到和超过作为比S1大的值的标准偏差界限S2表明，工件表面的热均匀性已经变得逐渐不能接受，在重新开始前，在热处理方法循环期间必须临时中止或限制热处理装置例如热沉积头的操作，以便给予工件更多时间达到更均匀的温度。在热沉积方法中，需要时间扩散已随涂层材料沉积的热。由于达到或超过预定S2值而造成的在涂覆操作期间经常或长时间关闭热处理装置例如热沉积头表明，需要改变冷却剂分配器的设置、热处理装置流速或者也许整个系统的构造以防止产率损失。如果需要，可提供考虑替代过程控制步骤的附加标准偏差限制，根据本文已描述的内容，这将是显而易见的。
图6图示和描述了在根据本发明的热沉积涂覆方法实施方案中控制工件平均温度和热均匀性的一种方法。在这种方法中，基于二个逻辑功能模块来控制低温冷却系统的操作以及沉积头和工件的相对运动：[1]瞬时(instantaneous)工件表面温度校正；和[2]累计或延时(time-lagging)温度校正。
模块1描述了基于多区域温度读数平均即平均值(MRR)的实际值的冷却剂流速控制，而模块2描述了基于多区域温度读数累计的标准偏差S(CMRR)的更新值来控制热沉积头和工件的相对速度以及关闭或移开来自热沉积头的涂层材料排放，当需要的话。(涂层材料排放的移开意味着将其从工件表面移开。涂层材料继续离开排放头并一般收集在容器中。)另外，模块1用于需要确定S1和S2限制值的试验中的冷却剂流和温度控制。注意，Tmini和Tmaxi的值由涂覆方法操作人员在涂覆和冷却过程前根据“外部”材料和过程考虑因素确定并输入到模块1前面的步骤中的控制程序中。
下面是试验期间的操作过程：(a)个人计算机/数据获取(PC/DAC)系统接受Tmini、Tmaxi和阈值时间(ts)设定点。(b)准备热沉积头(TCD)用于操作，其包括常规装载运动和热沉积头程序到温度控制系统外的各个控制器(例如TCDC、MC和CFC，见图4)；(c)随着涂覆方法开始，在第一个时间步长(tj＝1)中，例如多区域光学传感器MTOS读取每个控制区域或控制点的独立单个区域读数值(SAR)，同时PC/DAC将它们保存在图5所示时间-温度矩阵的第一行，以多区域温度读数(MRR)的形式并计算它们的平均值即平均值(MRR)。注意，每个SAR都具有温度单位，例如摄氏度，并用定位其列和行的二个下标限定在温度读数矩阵内，例如，TD7为图4中所示表面区域D中的在图5所示时间步长7处测量的温度读数；(d)在图6所示模块1中的第一个逻辑框中，比较多区域温度读数的平均值和Tmaxi。如果平均值大于Tmaxi，则冷却剂流开始(或当在过程中重复这个步骤时可能增加)和过程重复步骤(c)下一个时间步长(tj＝2)；除非平均值小于Tmaxi，则过程继续步骤(e)；(e)模块1中的第二逻辑框比较这个平均值与Tmini。如果平均值小于Tmini，则停止冷却剂流，或冷却剂阀停在关闭位置(如果以前它未被打开的话)，并且过程重复步骤(c)下一个时间步长(tj＝2)(工件太冷，如其可能在涂覆方法开始时发生，预期工件在下一个时间步长中增加温度，设置不改变)；但是，如果工件未在预期的时间量内升温，则过程可停止和/或指示错误信息给操作人员；(f)如果平均值超过Tmini，则冷却剂流状态不变化，即冷却剂继续流动，如果它在以前被打开的话，或继续停止，如果它在以前被停止的话；在下面的时间步长(tj＝2)中，过程重复步骤(c)；(g)对于每个新的时间步长(tj＝2，3，4，5...)或循环，重复步骤(c)-(f)，直到在温度控制系统“外面”的热沉积头控制器(TCDC)和运动控制器(MC)确定的整个涂覆方法循环的终点。从阈值时间(ts)开始计算S(CMRR)的值并由PC/DAC系统保存用于试验后检查以确定S1和S2；和(h)然后，在更多几次试验后，如果需要，操作人员检查涂层质量，用S(CMRR)的保存值与它关联并为随后的生产运行选择S1和S2的值。
在完成试验后，以增加S1和S2到设定值(例如，ts、Tmini和Tmaxi)开始来涂覆工件的过程。与试验相比，模块1和模块2现在并行工作。模块1的功能与上面为试验所述的相同。模块2以检查实际时间步长tj是小于还是多于阈值时间(ts)的逻辑框开始。如果tj小于ts，则整个模块2在行将发生的时间步长期间跳过，但在下一个循环中将再次比较tj和ts。同时，模块1就象在试验中一样工作。但是，如果tj超过ts，则模块2的下一个逻辑框检查实际S(CMRR)值是否超过S2值。如果S(CMRR)大于S2，则热沉积头被关闭，或在其它实施方案中，被从工件移开，这导致中止或限制涂层的沉积，直到已输送到工件表面的热散开和使表面温度更均匀。注意关闭或移开热沉积头不是禁止(disable)模块1的运行，其通过打开或关闭冷却剂流继续它自身的独立的平均值(MRR)控制，如果需要的话。如果S(CMRR)值小于S2，则模块2中的下一个逻辑框比较S(CMRR)与S1。如果S(CMRR)小于S1，则程序任选地确信热沉积头打开，处于扫描模式，并且以正常速度执行运动，然后，在下一个时间步长中重新开始循环。如果平均值超过S1，则程序给MC发信号以加快热沉积头和工件之间的相对运动，任选地在确信热沉积头打开后。然后，在下一个时间步长中重新开始循环。
图3、4、5和6中详细描述的本发明实施方案的热控制过程的优点在于过程的简单和灵活，因为模块1对工件冷却和模块2对工件表面上热扩散的独立控制。过程算法避免了使工件表面热图像上的特定点与热沉积头的实际位置关联的编程和自动操作复杂性，和/或根据完整的实时温度记录图象上确定的热梯度自适应操纵运动和冷却剂控制器。此外，S(CMRR)的计算给过程操作人员提供了改进初始工艺参数和冷却系统构造的洞察力和机会，从而随时间流逝和在几次试验后，可进行校正，完全稳定的涂层产生方法可在最小S(CMRR)值下运行，不触发运动速度变化，并在模块1内仅仅控制冷却剂流。
本发明的方法和系统可用于热处理方法的实时控制，在这种热处理方法中，使用温度测量设备和计算机确定在控制工件热处理的连续反馈循环中使用的平均值(MRR)和S(CMRR)。
提供下面的实施例说明本发明的各种实施方案，不打算限制发明范围。
实施例1
这个例子的目的是更充分解释在图6所示过程步骤的描述中列举的控制参数。图4、5和6用于使描述容易。
图4图示了使用工件40的热沉积方法，工件40包括具有圆柱形形状并在热沉积涂覆方法期间被旋转的工件基底表面41。包括工件基底表面41的工件(RW)被安装在遥控制动(remotely actuated)的旋转支架(RWA)42中，并暴露于来自热沉积头(TCD)44的热涂覆沉积材料46，热沉积头(TCD)44又通过单独的制动支架(TCDA)装置在工件表面上横向移动(traverse)。与热沉积头44同步横向移动的是狭长的低温冷却剂分配器(SCMD)48，其对基底41仅仅涂覆的部分或对工件表面的未涂覆和已涂覆部分提供冷却效应。CNC或机器人型运动控制器(MC)50协调工件40的旋转运动、热沉积头44和任选地冷却剂分配器48的运动。
由于工件40的旋转，使用非接触的光学多点系统(MTOS)用于温度传感。多点光学传感器52可为独立的单点传感器的阵列，或多点传感器可为能绘出被检查表面上的热场并在其视图内的选定区域中数字化温度输出的温度记录(热成像或热视觉)相机。可被排成阵列用于多区域温度测量的合适单点传感器的例子包括可从MicronInfrared，Raytek，Omega和其他供应商得到的单或双波长(双色)红外传送器。如给定应用中常见的那样，这些传感器中的一些可装备激光引导设备或它们可经由柔性光纤传递获取的光学信号。在相对高温度范围内工作的最苛刻应用可使用Micron的自校正Quantum IR-温度计的阵列，这种温度计用激光束照亮目标表面以便校正最初假定的发射系数。
在图4中以符号形式提供的温度控制点A到F可由涂覆过程操作人员以在给定情形下认为方便的任何方式分布在工件40的表面上，只要分布大致均匀并且至少部分区域位于被预期对温度变化最敏感的工件区域中即可。温度控制点或区域例如图5中所示的A、B、...F的大小不是至关重要的，可根据所用热传感器的类型变化，但它们的数量应足以反映工件表面上的瞬时(transient)温度分布以及已涂覆和未涂覆工件表面上的温度分布。因此，应使用至少四个控制点用于小工件的涂层，它们可为几英寸长或宽，同时应使用至少六个并优选更多个控制点用于较大工件的涂层。
为了进一步说明热和温度均匀性的控制，假定低温冷却的热沉积方法，其中热涂层沉积头44(TCD)在工件上的单次通过产生0.002英寸(51μm)厚涂层，但目标涂层厚度为0.010英寸(254μm)。在所用TCD的正常横向移动速度下，需要5次通过来达到目标。假定温度取样时间步长为0.5秒，并且TCD可以以正常速度或加倍速度横向移动。基底和涂层材料的性质以及在使用专门TCD系统的试验中涉及工件涂层的先前试验已表明，在生产运行期间需要使用以下限制值：Tmini＝80℃，Tmaxi＝140℃，S1＝10℃，S2＝40℃，和阈值时间ts＝20，重复时间步长＝10秒，其是完成第一次通过所需要的。如果初始方法参数包括低温分配器(SMCD)的位置是正确的，则下面是可在生产运行期间作出的观察：·Taver或平均值(MRR)从稍高于室温的初始温度开始，然后，在涂覆操作期间在80℃和140℃之间缓慢波动，并通过低温冷却剂流控制阀(CFC)保持在这个范围内。·在涂覆操作期间积累的累计多区域读数的平均值即平均值(CMRR)为PC/DAC用于计算标准偏差S(CMRR)的离散过程值，远远小于瞬时Taver(也许在100℃到110℃的范围内)波动。·计算S(CMRR)或标准偏差并从重复时间步长#21开始每个时间步长都更新用于涂覆操作期间积累的所有多区域读数集合(CMRR)，并且值小于8℃和波动约1℃.
如果初始方法参数包括低温冷却剂分配器的位置不是优化的，则Taver和平均值(CMRR)的观察值可保持与前面相同，但标准偏差S(CMRR)可能在涂覆操作期间失控达到例如重复时间步长#80后20℃的值。由于这个值超过S1限制，因此处理器将使TCD相对于工件表面的相对速度加倍和使剩余重复时间步长的数量从20以上加倍到40以上，以及使剩余TCD涂覆通过次数从1以上加倍到2以上。
TCD和工件40的相对横向移动速度的增加应降低S(CMRR)的实际值至低于S1。如果相反的事情发生，则控制器将关闭TCD，同时继续通过低温冷却剂流控制Taver。因此，如果在重复时间步长#90后，S(CMRR)的实际值暴涨到50℃，即超过S2限制，则热涂覆设备控制器TCDC将关闭热沉积头(TCD)，其可能伴随有停止来自沉积头的涂层材料流或从要被涂覆的表面移开TCD并监测随后的重复时间步长中S(CMRR)的变化。一旦实际S(CMRR)下降到低于S2(S2＝40℃)，就按照上面描述的情形以双倍横向移动速度恢复涂覆动作，错过的重复时间步长的数量被加倍并增加到也针对加倍横向移动速度而校正的剩余步长的数量。
实施例2
图3为任选地使用横向移动和固定低温冷却剂输送系统用于工件的热沉积方法图。与图1所示那些共有的设备部件被类似地编号。在显示使用低温气体冷却剂介质在热沉积涂覆操作中建立冷却的方法时，一个或多个冷却剂装置10A、10A’、10B和10C提供冷却剂8。这些冷却剂装置如10A、10A’可随热沉积头4移动，在图4中所示分配器48移动时移动，或保持不动。由于产生的应力分布，与冷却工件的背侧相比，更需要冷却工件顶侧，其是要被涂覆的工件表面，在这里热随涂层材料一起被沉积。当然，冷却工件表面的顶侧更困难，不管表面的冷却部分是否已被涂覆。在一种实施方案中，当沉积喷嘴分别从点c、d和e向点i、h和g移动时，使用冷却剂装置即喷嘴10A喷涂冷却剂到工件表面上，并在相反方向上使用喷嘴10A’。在这些实施方案中，冷却剂跟踪到表面上的材料沉积。
在其它实施方案中，尽管未示出，但可通过增加吹空气到工件表面上的压缩机或风扇将强制空气冷却剂物流加入到系统。可提供空气冷却代替低温冷却或在低温冷却外可再提供空气冷却。压缩机或风扇可具有设定流速，或可通过增加用于控制压缩机或风扇的强制空气冷却器由过程控制。当热处理方法需要额外冷却时，控制器将调整压缩机或风扇的速度以增加空气流速(冷却剂)，当需要较少冷却剂时，降低空气流速。如上所述，如果需要，可类似地增加其它冷却剂。
实施例3
在涉及WC-Co涂层材料的HVOF喷涂涂覆操作期间进行本系统和方法的工业试验。HVOF枪在高强度钢制成的狭长旋转飞机起落架部件处每分钟喷涂45克WC-Co粉末。旋转部件的表面速度为150ft/分钟，枪横向移动速度为1/8英寸每转，枪喷嘴和部件表面之间的距离为约9英寸。HVOF火焰为氢气-氧气，氢气流速在150psig供应压力下为1525标准立方英尺/小时，氧气流速在165psig供应压力下流速为475标准立方英尺/小时。四个低温流体喷嘴在离旋转部件表面约4英寸距离处沿旋转部件的轴大致均匀定位。喷嘴向表面排放低温氮蒸气和雾大小的液滴喷雾(spray)的2相混合物用于冷却。低温流体供应压力为大约120psig，当瞬时(instant)冷却要求需要时，它的峰值(最大)流速达到大约22磅/分钟的水平。使用四个红外(IR)传感器监测这种HVOF涂覆操作期间部件表面的温度演变，并控制排放低温冷却介质的阀门。为了方便，全部四个传感器都被定位在与HVOF喷枪和低温喷涂喷嘴相同的部件侧，尽管传感器定位可是不同的。这种传感器位置的结果在于它们除了能“看到”正被涂覆的部件表面外，还“看到”横向移动的HVOF枪和冷却剂定量供给低温喷嘴。这样，强制温度控制系统以比优选设置高得多的“信噪”水平工作。四个IR传感器中的三个为单点Raytek-TX型号，本文命名为T11D-IR、T21D-IR和T31D-IR。最后一个即T52D-IR为Flir的2维热成像相机，A20型号，设定其从位于部件表面中心部分上的矩形成像区域获取平均温度读数。全部四个传感器都传送温度读数到频率为2Hz的如图4所示的计算机控制的控制单元PC/DAC，2Hz的频率对应于执行图6中所示控制循环j的频率。图5所示的阈值时间ts设定为200，这意味着在假定的2Hz频率下，热读数CMRR表中保留的信息数量总是覆盖实际时刻和前面的100秒。因此，由具有4列(每个传感器1列)和200行的如图5所示的温度数据表每秒计算标准偏差S(CMRR)二次。下面的修饰术语和值用于绘制HVOF-喷涂和低温冷却运行期间的温度曲线。[1]为了简单，平均值(MRR)的值被命名为“T瞬时(instant)平均”，并使用与前面相同的程序针对使用的四个IR传感器以度数F计算。将这个值与操作人员选定的Tmini和Tmaxi值每秒比较2次，并使用它控制冷却剂流阀门的开或闭。由4×200大小的CMRR表每秒计算2次的第二温度值为“T时间平均”，或在最近100秒HVOF喷涂和低温冷却期间部件表面上的平均温度。计算标准偏差并以二种形式显示在PC/DAC监视器上：以度数F表示的绝对值和作为T时间平均的百分比。所述的喷涂和自动冷却操作仅仅在设定Tmini为150°F、Tmaxi为300°F并预热部件到150°F后才开始。图7显示了在上面详细列出条件下进行的21分钟长部件涂覆方法期间所有测量和计算的值。可看出，由于HVOF枪横向移动和低温喷嘴操作的影响，IR传感器表现出宽的温度范围，令人感兴趣的是，在及时的相同快照中，一些显示出峰值温度，而另一些显示出低温度。尽管如此，冷却剂控制的瞬时(instant)温度平均即平均值(MRR)始终窄，一般变化小于50°F，并且由于枪横向移动和冷却剂开/关流，时间平均温度几乎未表现出热变化。值得注意的是，这种时间平均温度可用于跟踪涂层材料和基底温度即新沉积涂层下面部件材料的温度的演变。该涂覆方法期间计算的标准偏差为50°F水平或时间平均温度值的大约20％。这种标准偏差水平表明，因HVOF枪和低温冷却喷嘴引起的涂层和基底中的热诱导应力相当温和，即不应导致微观或宏观破裂。由本发明的系统控制的低温冷却阀的打开和关闭的证据可在来自瞬时(instant)温度值的短暂停留(brief dip)的热图中找到。
产生的涂层的检查表明，与常规强制空气冷却产生的涂层相比，它更亮(lighter)，即较少被氧化。因此，使用非氧化的低温氮气作为冷却介质提供了额外的涂层质量提高。
非常大或长的物体可能需要比实施例3中所述单元提供的更多的IR传感单元和更多的冷却剂排放喷嘴以确保均匀的表面温度。为了在处理期间最小化这类大或长物体边远区域之间的温度差异，同时使用各自独立工作的多个温度控制和冷却单元是最优选的过程。
实施例4
使用类似于图4所示系统但没有冷却剂和没有冷却剂流控制器的热处理系统追踪旋转部件火焰预热期间的温度演变。IR温度传感器以及计算的温度和标准偏差值与实施例3中相同。这个操作的目的是升高部件或基底材料温度到约150°F。如前面一样，由于独立传感器相对于火焰加热设备在任意给定时刻的不同位置，独立传感器读数之间的散布是显著的，但平均温度不管是瞬时(instant)还是时间平均都表现出很好反映预热部件真实表面和整体温度的逻辑趋势。这个例子的结果显示在图8中。令人感兴趣的是，这种预热操作期间的温度标准偏差比在实施例3中详细描述的HVOF喷涂涂覆和低温冷却操作大，即不太理想。这个试验中揭示的升高的标准偏差值表明，应使用更高的旋转速度(即移动热处理装置或要被处理的表面中的至少一个相对于另一个更快)例如300ft/分钟代替150ft/分钟和/或火焰设备的更高横向移动速度例如1/4英寸/转代替1/8英寸/转，同时增加部件表面上的预热通过次数，进行进一步的完全优化的部件预热操作。可通过对移动火焰设备的机器人重新编程人工执行或通过为机器人控制器输入新的更高速度值自动执行基于计算的标准偏差值的预热过程所需变化以尽力保持标准偏差低于所需数量。在这个例子中，所需的标准偏差小于或等于20°F(+/-20°F)。
实施例5
对类似于图9中所示部件的狭长基底部件采用实施例3的涂覆和冷却过程。狭长部件的典型例子有传动装置活塞杆(actuatorpiston rod)、客机起落架(airliner landing gear)或长印刷辊，并且在所有情况下，这些部件的特征主长度比它们的特征主直径大许多倍。过程中可使用四个固定的冷却剂喷射头C1-C4，每个都在部件表面处撞击(impinging)冷却剂射流cj，并且如所示，每个冷却剂射流可被设计在它指向的区中撞击工件表面，或在二个相邻区处(未示出)。将部件长度分成四个区z1-z4，与冷却剂头的编号对应。区为被确定用于温度测量和温度控制目的的工件表面区域。这种分割是必要的，因为横向移动的HVOF枪即热源不能影响边远区域中部件温度如不太长部件情况下一样多。因此，利用冷却剂头均匀冷却部件要求每个头都可被单独控制，即每个区可被独立控制和冷却。应该用至少一个非接触红外(IR)传感器或多个温度传感器监测每个区的温度。如图9中所示，区1仅仅通过IR传感器IR1监测，传感器IR1测量仅仅在区1中的区域内的温度，但区2由IR2监测，并且部分地，由2维(2D)热视觉相机IR5监测。区3由IR5和IR3监测，区4由IR5和IR4监测。如前面所公开，每个区中重叠和/或多个表面测量区域f1-f5以及至少部分在多个区内的温度测量区域提供了可靠的测量，避免了因HVOF枪、操纵枪的机器人臂rm、蒸气和灰尘瞬时(transient)遮掩单个IR传感器引起的问题。指出不同的是，区内多个温度测量是需要的，并且这是多个温度测量装置，以测量那些温度，如对于区2、3和4所示。另外，在至少部分在相邻区内的区域中的温度测量可用于确定与测量温度测量值的一个或多个区相邻的至少一个区的平均温度，或用于计算测量温度测量值的区中的平均温度，如IR5测量的温度的情况。可按表1设定图9中所提供狭长部件的涂覆和冷却期间的过程控制，下面显示用于计算图9所示每个区的T瞬时(instant)平均的温度输入。尽管IR5测量位于多区内的区域中的温度，但IR5测量的平均温度可用在那些区(区2、3和4)中每一个的T瞬时(instant)平均计算中，如表1中所示。为每个区计算的温度T瞬时(instant)平均用于控制每个冷却剂装置例如具有可调冷却剂流阀门(未示出)和每个冷却剂头的单独控制器(未示出)的冷却剂头C1-C4中的冷却剂流速。基于区中测量的T瞬时(instant)平均和工件或该区的Tmin和Tmax之间的比较控制冷却剂流速。如果T瞬时(instant)平均不在Tmin和Tmax范围内，则通过方法和系统改变如前所述的至少一个可控条件。对于T瞬时(instant)平均温度在Tmin和Tmax范围内的区，从相应冷却剂装置到该区的冷却剂流速不改变。除了计算每个区的T瞬时(instant)平均外，继续如前面一样计算T时间平均(或平均所有区中所有测量温度的总体平均温度)和标准偏差，即使用所有IR传感器输入，不管它们的分区。这确保了基底部件温度和整个表面的热均匀性被监测而与分区无关，如果它们的值落在预设极限外面，可采取预防动作，例如加快枪横向移动速度(V横向移动)，和/或增加提供工件表面和热处理装置相对速度增加的旋转表面速度(V旋转)，和/或增加所示冷却剂喷射器中一个、二个或三个或全部四个中的冷却剂流速。通过每个冷却剂喷射器或头的流速独立可控。表1 为控制指定冷却区中 冷却头选择的温度输 入设备 IR1 IR2 IR3 IR4 IR5 (2D-相机) 用于控制指定冷却区中冷 却剂头的T瞬时平均 冷却区z1中的头C1 是 T(IR1) 冷却区z2中的头C2 是 是 (T(IR)2+T(IR5))/2 冷却区z3中的头C3 是 是 (T(IR)3+T(IR5))/2 为控制指定冷却区中 冷却头选择的温度输 入设备 IR1 IR2 IR3 IR4 IR5 (2D-相机) 用于控制指定冷却区中冷 却剂头的T瞬时平均 冷却区z4中的头C4 是 是 (T(IR)4+T(IR5))/2
在表1中未显示的其它实施方案中，可从IR5测量的温度中提取由IR5在区3、4和5内测量的平均温度，或每个区附加的独立集中式温度传感器可用于测量每个区中的温度和用于计算每个区的T瞬时(instant)平均。此外，在其它实施方案中，可在某区的T瞬时(instant)平均的计算中使用相邻区中测量的一个或多个温度。例如，如果每个区中有2个温度测量值，则区1和区3中获得的温度测量值中的一个可与区2的2个温度测量值一起用于区2的平均温度计算。在某区平均温度计算中使用相邻区的温度测量值的原因是因为工件和/或涂层的传导性将最终导致来自一个区的热或冷到达相邻区。
总之，本发明的方法使整个工件长度/宽度尺度上形成的工件涂层和基底之间的应力最小，而且通过求多个传感器温度读数平均值并使用这个平均值控制任选的冷却剂流速、和/或加热流速和/或工件与热处理装置和/或冷却或加热装置之间的相对运动(速度)来保护基底免受热破坏。方法还通过计算全部温度读数的标准偏差并使这个标准偏差值低于一些预定值来使由于基底几何形状、非优化冷却剂或热施加和其它未优化热工艺参数引起的工件表面各部分之间产生的局部应力最小化，其中使这个标准偏差值低于一些预定值通过增加热处理装置和工件之间的相对运动速度、和/或调整冷却剂流速和/或加热流速和/或通过临时中止或限制热工艺进行。本发明的方法和系统可使用接触和非接触温度传感器输入。这些温度传感器的区域或点应被分布在要被加热或冷却的工件的整个表面上。对于一些实施方案，提供在工件相同区内获取多个温度测量值的重叠温度传感器或多个温度传感器是有益的。方法在工业生产中易于实施，并确保可靠冷却控制，尽管有表征热处理操作的各种瞬时(momentary)波动，即使在涉及制冷和/或低温冷却剂介质的最困难应用的情况下。方法可用于在涉及仅仅加热的处理中监测和控制目标表面温度，不需要利用低温或非低温流体的强制冷却。方法可应用于热沉积涂覆、化学和物理气相沉积涂覆、表面热处理、熔合、淬火(hardening)、氮化、渗碳(carburizing)、机械加工、感应热处理或激光上光(laser glazing)操作。它的使用能通过尽量减小这些涂层和被涂基底中的残余应力来尽量增大沉积涂层的厚度和它们到基底的粘合性。一些优选方法应用包括涂覆起落架、涡轮机部件(turbine component)和其它飞机部件、陆基涡轮机(land-based turbine)和发动机部件、促动器油缸(actuator cylinders)、磨损表面、热覆面(heat-facing)和热屏蔽表面。方法能使涂覆操作人员使用在常规实施中不能接受的热敏遮蔽部件。
当用于热涂覆操作时，本发明可通过消除或减少对冷却中断的需要加快工件的涂覆，其中热涂覆枪不指向工件(通常枪保留在上面并且涂料被浪费)以使工件冷却。另外，对于本发明的一些热涂覆操作，较好的温度控制将提供较少的工件变形。对于一些工件，较少的变形将意味着较少的涂层材料将需要被施加到工件上，因为将需要较少的后处理研磨或机械加工来校正较少变形工件的轴对称性。浪费涂层材料的常规冷却中断的消除和/或由于较少工件变形引起的所需沉积态涂层厚度的减少可提高沉积效率。
如果在热涂覆方法中使用惰性非氧化气体作为冷却介质，例如氮气、氩气或氦气，则得到的涂层较少被氧化。当喷涂WC-Co型表面硬化(hard facing)涂料时，其一般转变成较硬涂层，或在Ni-基涂料情况下，转变成不太脆并且更耐腐蚀的涂层。
对于不需要惰性和/或惰性且低温冷却流体来尽量减少涂层氧化的实施方案，可使用空气作为冷却剂，尤其在成本是问题的过程中。或者，可在过程中使用常规强制空气冷却与低温冷却剂的组合，并且可以设计过程使得只通过低温流体冷却峰值温度，而大部分热通过不太昂贵的压缩空气物流移去。
尽管大部分描述涉及沉积涂覆方法和系统的例子，但本发明的方法和系统为涉及表面温度变化和任选地利用各类冷却剂流体或加热设备强中至少一种的制冷却或加热的热加热和冷却过程提供了控制优势。例子包括模塑和其它铸造方法、挤出金属带轧制、锻造、成形、感应热处理、接合、钎焊(brazing)、焊接、和热切削操作以及非金属材料的印刷和固化。