等离子喷焊（PTAW）是用焊接的方法将具有耐磨、耐蚀等特殊性能的合金粉末材料熔化在基材表面的一种表面工程技术,它具有成本低、材料利用率高、生产效率高等优点,广泛应用于机械、冶金、能源、航空航天、装备制造等诸多行业的关键件表面强化和再制造加工。等离子喷焊过程熔池温度是实时变化的,在热输入量调整不及时的情况下,容易出现合金粉末材料及基材温度过冷或过热现象,导致喷焊层性能的明显差异,产生喷焊层与基体熔合不良,喷焊层变形、开裂、组织粗大等问题。目前,等离子喷焊过程中一般根据人工观察熔液的流淌性来判断熔池温度变化,进而调整等离子喷焊电源的输入电流,控制熔池温度,这种操作方式存在温度判断误差大、输入电流过度调节或调节滞后等缺点。论文针对等离子喷焊技术开发和生产应用中存在的实际问题,开展熔池温度对Ni基等离子喷焊层组织性能影响及其实时测控系统研制研究。通过对等离子喷焊过程熔池温度进行实时测量和ANSYS温度场及应力场的模拟,分析等离子喷焊过程熔池温度变化对Ni基喷焊层组织与性能的影响,为开展熔池温度实时自动控制提供理论支撑。通过PLC及模拟量扩展模块实现等离子喷焊过程熔池温度自动调节的闭环控制。论文采用搭建的比色红外测温装置对喷焊过程熔池温度进行实时测量,通过调节等离子喷焊电流、喷枪行走速度和喷焊送粉速度等工艺参数获得不同喷焊熔池温度对应的Ni基喷焊层,用扫描电子显微镜和EDS能谱分析仪对Ni基喷焊层的组织和成分进行分析。结果表明,Ni基喷焊层在凝固过程中冷却速度较快,固溶体非平衡凝固时不同时刻结晶的固相成分不同,导致优先形成的树枝晶晶轴高熔点Cr元素含量较高,而晶枝间熔点较低的Ni元素含量较高。等离子喷焊电流、喷枪行走速度、喷焊送粉速度等工艺参数对Ni基喷焊层组织与性能具有较大影响,在较大喷焊电流、低喷枪行走速度和低喷焊送粉速度时,等离子喷焊熔池温度升高,其中,喷焊电流的影响最大。若工艺参数控制不当,可能造成熔池温度过热,使得Ni基喷焊层出现Cr、Ni元素烧损严重、稀释率升高、硬度降低、耐蚀性能下降等现象。在本试验条件下,当等离子喷焊电流110 A、喷枪行走速度100 mm/min、喷焊送粉速度18.8 g/min时,喷焊熔池温度处于1300℃-1400℃之间波动,可获得较为理想的Ni基喷焊层,上述研究从Ni基喷焊层组织与性能的变化论证了进行温度实时测控的重要意义。论文通过ANSYS数值模拟研究了喷焊过程中喷焊电流、喷枪行走速度和喷焊送粉速度对等离子喷焊过程熔池温度场的影响。结果表明,随着喷焊电流的增加,熔池表面峰值温度不断升高;随着喷枪行走速度的加快熔池表面的峰值温度逐渐降低;由于受粉末熔化率的影响,熔池表面的峰值温度随着喷焊送粉速度的增大波动不明显。等离子喷焊过程熔池表面实测平均温度和纵向表面模拟峰值温度的变化趋势一致,验证了所建模型的准确性。建立熔池表明实测平均温度与纵向表面模拟峰值温度的拟合方程,通过拟合方程可对不同喷焊电流下的实际熔池表面平均温度进行预测,为工艺参数优化提供新的途径和方法。针对传统等离子喷焊过程熔池温度存在依赖人工干预、自动化程度低等问题,论文研制嵌入等离子喷焊系统的熔池温度实时自动控制成套装置。等离子喷焊过程熔池温度闭环控制系统主要由熔池温度的实时测量和温度模拟信号的PLC运算处理及反馈两部分组成,利用比色红外测温仪和PLC及模拟量扩展模块实现对喷焊过程熔池温度自动调节的闭环反馈。经过熔池温度实时自动控制成套装置处理后的试样熔池温度在1300℃-1400℃波动,该试验条件下反馈程序熔池温度控制精度为15℃-20℃,达到提高等离子喷焊工艺性能和喷焊层组织性能的目的。