0引言
喷射沉积是一种新型材料加工技术，与粉末冶金技术相比，该技术加工过程简单，并具有生产近终形产品的能力以及直接从液态金属制取具有快速凝固组织特征的高性能材料的优点，已经引起了人们的高度重视[1]。喷射沉积技术研究过程中，检测技术发挥了重要作用。先进检测技术的应用，尤其是实时检测技术的应用，不仅为研究者提供准确的工艺参变量，而且为过程的实时反馈控制提供了前提条件。关于检测技术方面的研究进展情况，已有许多文献作过系统的报道[2-4]。本文综述喷射沉积过程的实时检测技术，着重对近几年这一领域研究和应用的最新情况予以介绍。
1实时检测技术
喷射沉积工艺中需要传感的数据大致可分为两类:一类是工艺参数的检测，包括熔体过热温度、金属质量流率、气体质量流率、沉积器运动方式、雾化器工作方式等，对于此类参数检测，用许多传统的过程参数检测方法即可以实现，这里不予介绍;另一类是工艺过程状态参数的检测，如液滴尺寸大小及分布、沉积层半固态区的厚度及温度、沉积坯体尺寸及形状、表面粗糙度等状态变量，此类参数由前述的工艺参数决定，并与产品的最终质量有直接关系，因此这类参数的检测更为重要，是本文要介绍的主要内容。根据传感原理的不同，传感方式可分多种，如力学、声学、光学等。对于喷射沉积系统，工艺条件恶劣的情况决定了采用非接触传感方法具有诸多优点，其中应用最广泛的传感方法是光学传感方法，包括激光衍射、散射技术、红外成像技术、高速摄影技术等。
1.1粒子测量光纤系统(PCSV-P)
PCSV-P(thePartieleCounting，Sizing，andVeloeityMeasurementProbe)提供了一种检测颗粒尺寸、速度和计数的方法，适用于喷射沉积中雾化过程状态参数的检测，属于单个粒子检测方法。文献[5]采用这种方法对锌的雾化过程进行了测量，侧量数据包括颗粒尺寸及数量。该方法的检测原理为:当低能激光器照射随机穿越检测区的单个粒子时，散射光信号经光纤传至光电倍增管，并将产生的电压脉冲传送到信号处理器，利用去卷积算法最终将衍射光强度和持续时间与粒子尺寸、数量密切联系起来，实现检测目的。图1是PCSv-P系统的光路图。该系统可以完成指定位置颗粒计数的功能。由于颗粒数量的变化情况关系到熔体金属雾化的程度，因此通过颗粒数量检测可以反映熔体雾化的效果。将PCSV-P测量结果与显微镜观察结果比较，结果显示尽管前者测量的尺寸偏大，但整体上仍能与后者的测量结果较好地吻合，这说明了PCSV-P检测方法的可行性。PCSV-P具
有快速(500Hz)同步获取粒子速度、尺寸和数量信息、高温可操作性、抗热辐射干扰性、柔性调节散射光几何结构等优点，但也存在一定局限性，如不能解决大颗粒尺寸(>10μm)准确测量及对材料变化敏感性等问题。这是由于光束最大直径限制、大颗粒的形状非球形及材料光学性能差异等因素引起的。
1.2相多谱勒测速仪(PDA)
PDA(Phaseoopple:ANImometer)技术属于单粒子统计检测方法，可以检测粒子尺寸、速度分布及小体积粒子含量等参变量，是喷射沉积技术中研究最多、应用最广的一种检测技术。PDA系统由接受、发射和信号处理器组成，是以测量光路中激光经粒子散射后产生的相位移为基准点，从而将粒子尺寸和速度定量化。图2是PDA系统图。由于激光束空间定位的问题，以及颗粒形状并非单一，因此实际检测过程不可避免地带来误差[6]，最近的研究针对这些不足之处进行了改进和完善。
GBreen等介绍了一种改进的PDA检测技术[7]。他们研究时发现，在散射角为60度时，由于金属微粒及液滴不同的散射机理(衍射、反射)，根据分别产生正、负相移的特点，极易将两者区分，因此可以分别获得颗粒和液滴的尺寸数据。研究中为防止雾化室中出现的涡流影响检测数据，在雾化室上面两侧加了档板，并对改进后设备的流场进行了深入的研究。最后，他们将PDA检测结果与SYMPATEC测试结果进行比较，给出了两种检测结果间的函数关系，以此校正PDA的检测数据。
JZiesenis等从另一个角度介绍了改进的PDA测试技术，用于实时获得颗粒尺寸、速度及雾化锥中一确定位置颗粒的数目分布情况[8]。他们对PDA传感系统的改进主要包括如下两个方面:①为克服复杂的雾化过程中颗粒表面粗糙度带来的影响，信号处理过程采用改进算法，用FFT(快速傅立叶变换)的频域处理算法代替时域处理算法，获得更强的处理信号;②为获得雾化过程中不同点的数据，采用扫描雾化方式比采用移动PDA系统所用的时间更短，并且研究证明扫描雾化方式同样可以获得雾化锥中不同点的数据。实验验证结果表明，PDA与筛分实验的粒子累积质量分布结果非常吻合，但两种方法测得的粒子质量流率分布有较大差异，采用PDA方法获得的最大质量流率小于筛分方法的最大质量流率。
总之，改进后的PDA传感方法可以获得更全面、准确的雾化过程的状态参数，使得该技术在喷射成形工艺中有更广泛的应用，是一种有效的、实用的检测方法。今后需要进一步改进的方面是使PDA实现对35μm以下微粒的有效检测。
1.3红外检测技术
红外检测技术在获取雾化沉积过程温度等信息中有着广泛的应用。PSGrant等利用红外成像技术，通过分析沉积坯体表面温度，得出了沉积过程坯体表面温度变化规律及雾化过程的液滴空间分布规律[9.10]。RSMiller等利用红外成像技术，通过检测静态喷嘴温度、瞬时喷嘴温度、金属液温
度等数据，研究了喷嘴内外温度变化情况，进而分析了雾化机理[11].最近，德国Bremen大学的MKrauss等利用基于红外检测原理的DPv-2000检测系统，做到同时对颗粒尺寸、速度和温度进行检测，提供更为全面的数据[12]。目前，该技术是喷射沉积工艺中利用近红外区辐射检测方法获取状态参数的最新技术。DPv-2000检测系统由三个部分组成:传感器、探测室、微机(见图3)。其传感原理为:当单个粒子穿过测量区时，其辐射信号被传感器检测，通过两个不同排列的光束传送到探测室，一路光束被CCD传感器记录，从中可以提取粒子流位置和宽度信号，另一路光束通过两个光电倍增管记录辐射信号，最后，两种信号传送到微机处理，根据测量的双锋信号与微粒速度、温度、直径、轨迹之间的关系，实现参变量的检测。该传感系统有很多优点，如两光束传感提供颗粒的不同位置和辐射强度信号，通过理论公式可计算出相应的速度、尺寸、温度;采用双缝掩膜技术允许每次只检测单个粒子辐射强度，而其它粒子的干扰被消除。但是DPv-2000对于小尺寸(<100拌m)的颗粒分辨率较低，由于其辐射率小，难于被检测;而呈液态的大尺寸液滴(>10即m)由于辐射率小同样存在被错误地归类到小尺寸颗粒的范围之列的可能。
总体上，基于红外检测技术可以获得较多的信息量，但采用红外辐射传感数据方法的设备投资一般较大，相应地软件算法较为复杂。
1.4全息图摄影检测技术
全息图摄影检测技术可以提供颗粒分布的三维信息，将其用于雾化过程中颗粒尺寸、分布及其速度的测量，可以获得具有代表性空间位置的颗粒信息。该技术由WLauterborn和AJudt首先采用[l3]，其测量原理比较简单:计算机控制的快门和激光相结合产生一固定数目的脉冲，经镜面分离后产生两束全息光，即物光和参考光束。物光经一定的光路调整使其路径与参考光束路径长度相同后，通过雾化气流并被其中的微粒衍射，衍射光束与参考光束产生干涉图样，并在CCD记录全息图信息。最近，MAdams等更深入地介绍了该技术在喷射沉积过程中的应用咖〕。除了介绍雾化过程颗粒分布的三维重建过程外，主要探讨了雾化锥的温度梯度对光传播过程产生偏转的影响。理论计算的结果表明，在温度梯度为600K/m和传播距离L-10cm的实验条件下，光传播产生的偏转为4.7拌m，这个数值小于CCD传感器像素点的尺寸，因此温度梯度对结果的影响可以忽略。
全息图技术适合用在类似于喷射沉积这样工作条件恶劣的环境中，测量结果有很高的准确度，更重要的是它可以获得雾化过程微粒分布的三维信息，准确地记录微粒的瞬时速度和位置。不足的是，三维重建过程需要复杂的算法，因此重建的时间较长。这个问题随着计算机软硬件技术的进一步发展将会得到解决。
1.5表面粗糙度检测技术[15]
CDNSWC(CarderoekDivision，NavalSurfaeeWarfareCenter)设计了用于获取沉积坯体表面粗糙度的实时检测系统，目的是找出表面粗糙度、金属温度、排放气体温度三个参变量与沉积坯体孔隙度的关系，进而获得对沉积坯体质量的直接描述。整个系统由氢气激光、CCD传感器、图象处理软件、表面粗糙度辩识软件组成。检测过程中，氢激光膨胀成一个既长又细的激光束，并照射在沉积坯体的表面，CCD记录表面光的信息后，经图像增强处理，然后计算出表面粗糙度的均方根值。数据处理过程中使用了由熟练操作工所积累的操作经验，用于判断沉积坯体表面质量，最终获得表面粗糙度与孔隙度之间的关系。该检测方法通过粗糙度定性地表征沉积坯体的质量，为反馈控制系统的建立提供了必要的数据。
除了上述所介绍的几种传感系统外，在喷射沉积中还存在其它的传感方法。如采用高速摄像技术(HighSpeedcine-matography)监测雾化过程参数[l6];采用激光衍射粒子分析技术(Laser以ffraetionPartieleAnalyzingTeehnique)测量集合粒子的尺寸、分布及速度[l7];采用基于电原理检测颗粒(Eleetri。Prineiple-basedMonitorforPartieulates)方法获得雾化过程信息[la〕等。这些检测方法的采用，对提高喷射沉积过程的工艺参变量检测水平起到了推动作用。
2评价与展望
上述介绍的各种检测方法，尽管原理不同，但能够有效地检测一个或几个状态变量，为工艺过程控制准备了必要的前提条件。总体上，非接触的传感技术，尤其是光学传感技术，在喷射沉积工艺中有更广泛的应用。毫无疑问，随着检测技术的发展，光学传感技术的应用范围还将进一步扩大。
目前，大多数传感技术集中在雾化过程检测，主要监测颗粒粒度、速度、温度等参数，针对沉积过程的参数传感研究并不很多，而这些状态参数的检测对于获得高质量的近终形沉积坯体同样重要，因此，针对此类状态参数的检测，将成为喷射沉积过程检测技术研究的重要方向。
参考文献
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作者：曲迎东:男，27岁，博士研究生，电话:0451-6414797
