研究人员指出，为实现2050年净零碳排放目标，航空航天工业正通过先进表面解决方案推动技术革新，其中可磨耗涂层(Abradable Coatings)与热障涂层(TBC)是核心方向。此类涂层主要采用大气等离子喷涂(APS)与悬浮液等离子喷涂(SPS)等热喷涂技术沉积，可有效提升航空发动机效率与部件服役寿命。然而，等离子喷涂工艺的复杂性与参数波动性给涂层性能一致性带来显著挑战。本文系统梳理了航空航天涂层领域的数据采集与本体(Ontology)研究现状，重点探讨原位(In Situ)与工况(Operando)传感器在等离子喷枪、等离子射流及涂层子系统监测中的集成应用。核心挑战涵盖电弧不稳定性、粒子温度与速度控制、涂层性能实时评估等关键问题。研究强调，先进传感技术、机器学习(ML)与结构化本体（如欧洲材料与建模本体EMMO）可协同提升工艺控制精度、数据互操作性及数字孪生开发水平。通过攻克上述挑战，等离子喷涂工艺的数字化转型将显著提高工业应用中的生产效率、可持续性与涂层服役性能。
1 引言
航空航天工业为实现2050年净零碳排放目标，采取包括生物燃料应用、氢(H2)技术、电力推进、轻量化部件及先进表面解决方案在内的多路径技术演进。提高燃烧温度以降低燃油消耗是提升航空发动机效率的核心途径，可磨耗材料通过在发动机压气机与涡轮部件中减少气体泄漏发挥关键作用，其作为转子叶片与机匣间的密封结构，可在碰摩事件中优先磨损以保护叶片，核心性能指标包括碰摩相容性、涂层内聚强度、高温抗氧化性、耐腐蚀性及抗固体颗粒冲蚀性。热障涂层(TBC)用于高压涡轮叶片防护，由粘结层、热生长氧化铝层及沉积于镍基高温合金基体上的陶瓷面层构成：粘结层保障涂层与基体结合并形成稳定氧化铝膜以实现腐蚀与氧化防护；面层通常采用6-8 wt% Y2O3稳定的ZrO2（钇稳定氧化锆，YSZ），凭借低热导率、高膨胀系数、高韧性及良好的化学稳定性实现叶片隔热。
此类涂层主要通过属于热喷涂技术(TSC)的等离子喷涂制备，该技术通过喷枪加热并加速喂料至基体表面，可在严苛服役环境中赋予部件功能特性并延长寿命，已广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。全球热喷涂市场规模2023年达104-129.4亿美元，预计2023-2032年年增长率为4.8%-6.5%。涂层性能高度依赖工艺参数，影响参数总数可达60-150个（含前后处理工序），参数波动会显著降低工艺重复性与再现性。工艺变异性源于电极磨损、喂料老化（如SPS中悬浮液稳定性）、等离子波动导致的动量/能量传递差异等多重因素。APS采用微米级粉末喂料，SPS则采用亚微米级粉末悬浮液喂料，虽可提升涂层性能，但液体相引入增加了工艺控制难度。
输入参数与涂层质量的非线性关系促使研究人员开发工艺映射方法以揭示工艺参数、粒子特性（温度、速度、熔化状态）与涂层性能的关联。等离子喷涂全尺度数值模拟因时空跨度极大（时间尺度μs至min，空间尺度μm至cm），需耦合多尺度仿真代码并面临极高计算成本，至今仍未突破。工艺复杂性、参数变异性及对降本增效、快速材料创新的需求，均要求超越当前工业水平的工艺控制能力。
人工智能(AI)在热喷涂领域的应用为解决上述问题提供了新路径，现有数据驱动模型均采用连接主义方法，通过机器学习建立参数关联：人工神经网络可预测APS工艺中粒子温度与速度，以及沉积参数对涂层性能的影响；结合概率建模与自适应优化可确定满足所有质量指标的涂层配方；卷积神经网络(CNN)可从粒子尺寸/温度/速度分布反推APS输入参数，或从扫描电子显微镜(SEM)图像中提取涂层特征；机器学习还可预测电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备TBC的热导率、APS制备TBC的微观结构与力学性能关联，以及SPS制备疏水涂层的性能。物理信息神经网络、多保真代理模型及混合仿真进一步提升了预测精度。
AI技术在热喷涂工艺中的最具潜力应用是与工业4.0智能制造结合，依托物联网(IoT)、AI与大数据实现系统高连通性、自动化与实时数据分析。这一转型要求采集制备过程与材料的高质量数据（涵盖准确性、完整性、可读性等维度）以训练验证AI模型，同时需通过集成多类原位与工况传感器实现数字孪生的闭环控制。
本研究依托法国PEPR DIADEM探索计划，基于利摩日大学SAFIR技术平台，旨在通过对APS制备可磨耗涂层与SPS制备TBC的案例研究，综述面向工业应用的等离子喷涂数据采集现状。APS可提供更高能量输入以熔化高熔点合金与陶瓷，其喂料常为复合粉末（基体提供力学强度与热性能，固体润滑剂与孔隙赋予可磨耗能力），可通过SEM图像测量相尺寸、形状、分布及孔隙网络等微观结构描述符以支撑AI模型。SPS制备的TBC热导率低于传统EB-PVD工艺，可获得柱状或层状等多种微观结构，其中柱状结构的抗冲蚀性、服役寿命与隔热性能更优，其柱宽、柱间空隙、孔隙网络等特征与涂层性能直接相关，有望通过AI方法建立映射关系。
2 等离子喷涂监测数据采集现状
2.1 大气等离子喷涂与悬浮液等离子喷涂工艺介绍
等离子喷涂属于热喷涂沉积技术，金属或陶瓷喂料被注入非转移型等离子喷枪产生的高温等离子射流中。喷枪阴极与阳极间通过高压放电引弧，再由低压电源维持稳定电弧，电离工作气体（氩气、氮气、氢气或氦气）形成出口温度最高达15000 K的等离子射流。APS采用直径10-100 μm的微米级粉末喂料，通过径向载气调节粒子轨迹，粒子在射流中被加热（部分或完全熔化）并加速至300-800 m/s，撞击基体后扁平化凝固形成层片，逐步堆积成涂层，其质量受电弧功率、工作气体种类、喷涂距离、基体预处理等参数影响，决定层间结合、孔隙率与裂纹形成。SPS采用分散于水或醇类溶剂中的亚微米级粉末，液体载体赋予细粒子足够动量穿透等离子核心，由于细粒子惯性低，喷涂距离（40-90 mm）短于APS（90-120 mm），等离子向涂层传递的热通量更高，通过控制粒子撞击基体的尺寸分布与速度可获得TBC所需的柱状微观结构。
2.2 等离子喷涂工艺子系统与特征时间
传感器选型需匹配覆盖多时间尺度的关键现象，工艺可分为喷枪、等离子射流、涂层三个子系统。喷枪通过耗散电弧功率密度至工作气体产生热源，非转移型喷枪由单根棒状阴极与单圆柱阳极构成，掺镧钨阴极通过热发射效应释放电子，电弧柱在焦耳加热与热耗散、辐射传输的平衡下发展，典型温度下电子弹性碰撞频率的特征时间低于0.1 ns，气体径向扩散的热耗散特征时间为1-100 μs，辐射冷却特征时间与辐射跃迁概率相关。阳极壁处的电弧附着点沉积的热量主要来自电子动能、电子凝结功函数、阳极压降能量及等离子核心的重粒子热传导与辐射，喷枪热效率ηth可通过冷却水进出口温差（低热电偶采样率<1000 Hz）测量，计算公式为ηth=1-Ploss/(Uarc·Iarc)，其中Ploss为冷却水吸收功率，Uarc为平均电弧电压，Iarc为电弧电流。阳极侵蚀程度取决于电弧附着停留时间与电极材料熔化时间（约100-400 μs）的相对大小，后者受工作气体性质、阳极喷嘴设计及电弧电流显著影响。
电弧电压在几μs至约300 μs的时间尺度内波动，需高带宽电压探头捕获动态特征以评估喷嘴出口的材料处理稳定性，同时低带宽测量的平均电压可反映喷枪可用电功率。为缓解阳极侵蚀与电弧不稳定性并提升喂料速率，等离子喷枪已发展出三类构型：传统喷枪（如F4MB、SG100）的电弧长度自设定，稳定性较差；分段阳极喷枪（如Oerlikon Sinplex、Triplex）通过阳极分段部分稳定电弧附着，降低不稳定性；多电极喷枪（如Triplex、Axial III）可实现高通量喷涂并提升涂层性能。通过绘制平均电弧电压Uarc随电弧电流Iarc的变化曲线可对喷枪分类，分段阳极喷枪电压高于传统喷枪，Axial III因极高工作气体流量获得最高电压。等离子比焓hsp是表征喷嘴出口可用于加热/蒸发喂料的可用热能的关键指标，计算公式为hsp=(ηth·Uarc·Iarc)/ṁgas，其中ṁgas为工作气体总质量流量，Axial III虽工作电功率高，但因气体流量大导致比焓适中，其余构型比焓范围相近，其中Triplex因高电功率获得最高值，Sinplex可在较宽比焓范围内运行。
等离子射流子系统包含电离工作气体与周围大气的混合输运，以及喂料的输运过程。常压下等离子射流从喷嘴喷出至沉积区域的对流时间约为100 μs（平均速度约1000 m/s）。凝聚相（固相粒子或液滴）通过气体或液体载体送入射流核心，经历破碎（<0.01 μs）、蒸发（<100 μs，针对液相）、加热熔化及部分蒸发等过程；径向注入的粒子轨迹分布需优化以确保飞行过程中（100 μs-1 ms）获得最佳热-动力学处理，最优平均轨迹与喷枪轴线的夹角约为3.5°。
涂层子系统涵盖粒子撞击基体扁平化形成层片并堆积成涂层的过程，以及等离子射流与层片冷却的传热过程，时间尺度从层片扁平化与冷却的几μs，到基体某点接收粒子与等离子加热的几ms，再到完整涂层形成的几分钟。涂层微观结构由层间结合界面、层内微裂纹（应力松弛所致）及孔隙率决定；SPS中亚微米粒子的尺寸效应可促进柱状微观结构形成，其柱宽、柱间空隙等特征可被提取分析。
2.3 工艺集成
涂层沉积需在满足工业要求的喷涂舱内进行，涵盖外围组件（喷涂舱、冷水机、除尘器等）、运动组件（机器人、转台、电控系统等）与核心组件（喂料器、气体管理器、电源、喷枪等），各组件参数均需被监测。工艺配方包含大量操作参数，Jam Box管理电弧电流，Gas Manager管理气体流量，Water Chiller管理喷枪冷却，机器人按特定运动学参数操控喷枪完成沉积。
2.4 等离子喷涂工艺监测现状
喷涂舱内传感器布置需兼顾测量精度与环境防护，多数传感器置于称为“诊断区”的防护区域，以避免粉末循环与强等离子辐射污染，且机器人运动与传感器复杂布局限制了机载传感器的安装。典型配置包括：差分电压探头（连接喷枪电缆正负极）测量原始电压信号，电流探头（置于正极）记录电弧电流；Accuraspray系统实时测量粒子温度与速度；光纤准直器收集等离子与粒子蒸发的辐射；麦克风采集等离子及相关过程的声学特征（与气体类型、流量、喷枪设计、电弧电流相关）；高速相机可视化等离子形貌与喂料注入状态；Vatell型流量计评估喷涂过程中的等离子热通量密度。这些覆盖不同带宽的异构仪器可实现喷涂工艺参数的多维精准分析。
2.4.1 电学传感
电学传感覆盖三个子系统，需区分外生变量（喷枪、喂料、基体条件、机器人运动相关输入参数）与内生变量（反映三个子系统中的能量转换与传热现象）。电弧电流作为外生变量通常由电源稳压调控，高频开关电源可能产生高于20 kHz的电流纹波，但幅值较低常被忽略；电弧电压作为关键外生变量，可根据需求选择低（1 Hz）或高（1 MHz）采样率，分别获取平均电压或电弧不稳定性特征，多电极喷枪需配置多组电压探头。已有研究揭示了F4喷枪的电弧波动模式与电弧运动的紧密关联，以及分段阳极对电弧不稳定性的抑制作用，电极热损失通常通过测量冷却水进出口温差获得。
2.4.2 声学监测
声学测量可监测喷枪本身、等离子射流与周围大气混合、喂料/等离子相互作用产生的声振幅。弱电离气体中的声发射源于电子在电场中加速后的动能向中性气体的传递，声压传播方程源项与电功率的时间变化率∂W/∂t成正比，因此频谱中包含丰富的傅里叶分量。悬浮液注入直流等离子射流也会产生特定声发射。传感器布置需避开喷枪轴向的“静音锥”（因温度梯度导致声速变化，声波折射向外弯曲形成），选择合适角度可获得更大信号幅值。声学诊断可整体反映材料沉积过程信息，适用于检测电极磨损、 injector堵塞等问题，但需剥离喷涂舱本身的声学特征干扰。
2.4.3 基于等离子光谱的光强监测
光学发射光谱(OES)是非侵入式诊断方法，可便捷集成于诊断区以监测工作气体激发态物种、粒子蒸发产物及电极侵蚀相关的辐射。高温等离子射流中的原子谱线可通过美国国家标准与技术研究院(NIST)数据库识别，谱线强度可反映激发态物种的存在，但由于等离子沿径向与轴向存在巨大温度梯度，强度同时与局部温度相关，因此OES诊断具有位置依赖性，需固定测量位置以保证时间序列的可比性；若需定量测量温度，还需进行光谱仪校准、假设局部热力学平衡并可能采用阿贝尔反演法推导局部等离子温度。
2.4.4 粒子温度与速度
针对等离子射流子系统的传感器可提供气相（等离子射流、蒸发物质）与凝聚相的相互作用信息。商用系统（如Accuraspray 4.0）基于双色高温测量法与飞行时间法，可测量单个粒子或粒子群的 ensemble 平均温度与速度：粒子速度通过两个邻近位置的时间分辨光信号互相关获得，温度通过双色高温法测量。该系统可探测温度超过1000°C、速度5-1200 m/s的粒子，测量体积位于距喷嘴出口对应基体位置的区域内（3.2×10×25 mm3），并提供等离子羽流的 position、宽度、分布及强度特征。粒子探测的主要挑战是从背景等离子光强中提取有效信号，因此对粒子尺寸（>10 μm）与温度（>1200 K）存在下限限制。粒子温度与速度分别反映撞击基体时的熔化程度与扁平化程度，已有研究采用随机森林与梯度提升算法，基于ensemble数据预测电极老化对粒子温度与速度的影响；主动学习框架也被用于生成粒子温度与速度数据集以提升模型预测精度，研究表明基础操作参数（电流、气体流量）可直接映射至粒子特性，无需显式考虑底层物理机制。
2.4.5 喷涂过程中的涂层监测——原位测量
涂层沉积温度是影响层片扁平化与涂层内聚性的关键参数，因涉及等离子热通量、涂层/基体/夹具的扩散传热及辐射传热，难以通过理论或数值方法精确确定。可采用圆形箔片式热通量传感器（基于中心与边缘温差与热通量的正比关系）或水冷同心环量热计测量等离子吸收功率与基体表面的热通量密度分布；固定红外相机可进行500°C以内的热成像分析（光谱范围8-14 μm），在每层沉积间隙采集热图像以规避等离子辐射干扰；单色高温计可测量基体表面温度（探测波长约10 μm，量程上限1000°C），其测量精度依赖于光斑尺寸与工作距离的校准，需在靠近目标保证精度与远离等离子避免损坏传感器之间取得平衡。
操作参数（电功率、等离子比焓）与传递给涂层的热通量密度之间的关系极为复杂，受等离子射流与环境大气的湍流混合冷却、等离子流与基体表面的传热过程共同影响。现有热通量与温度传感器带宽较低（>1 ms），测量结果实际是高速对流等离子射流（见2.1节）与熔滴传递的能量密度的积分，反映了电功率波动、环境大气湍流混合导致的等离子冷却的综合效应，后者会因喷枪内电弧不稳定性而增强。喷涂舱可配备涂层冷却系统，通过优化高压空气流的位置与方向控制喷涂过程中的基体升温。此外，6轴机器人臂的运动参数（速度可达7000 mm/s，姿态调整速度500°/s）也需纳入监测，包括x-y轨迹、机器人速度、道次间距等大量输入参数。
2.5 材料与涂层性能——离位测量
上述工艺相关数据可通过原位与工况方式获取，而原材料与喷涂态涂层的相关数据需通过耗时且昂贵的离位处理获得。本项目选取最少量的表征项目，涵盖Durabrade 1615可磨耗涂层与YSZ TBC的原材料（粉末、悬浮液）及涂层性能，核心目标是表征涂层力学性能（尤其是硬度），目前尚无设备可实现喷涂过程中的实时非接触硬度测量（见3.3节）。
2.5.1 原材料：粉末与悬浮液
粉末表征包括理化分析与粒度分析：激光粒度仪（干/湿法）测量粒径分布，吸附分析仪测量比表面积，二者显著影响粒子轨迹、加速度及撞击速度，进而影响涂层表面粗糙度、孔隙率与裂纹：通常涂层表面粗糙度与孔隙率随粒径增大而增加（大粒子熔化不充分、未熔粒子增多），小粒子产生更光滑致密的表面但伴随平行于界面的层内微裂纹，混合粒径可减少沉积过程中的孔隙与裂纹。悬浮液稳定性通过流变学与电动力学表征评估：粘度是核心参数，直接影响泵送与管道输送行为，低粘度悬浮液更易泵送，高粘度会导致显著压力损失，通常随固相体积分数增加而升高；ζ电位反映胶体稳定性与粒子间静电作用，是固-液界面处的电势差（斯特恩层与扩散层之间的电位差），代表悬浮液中粒子周围的离子云电荷，用于判断悬浮液稳定性，是范德华吸引力与静电/空间排斥力共同作用的结果。
2.5.2 可磨耗涂层与热障涂层性能
APS与SPS工艺参数对涂层微观结构影响显著，二者各有优劣。APS制备的涂层呈致密但不规则的层片状堆叠结构，存在层间孔隙与未结合层片（黑色区域）；SPS可制备两类典型微观结构：一类致密低孔隙（该工艺的典型特征），另一类呈均匀柱状结构，含孔隙与柱间空隙，体现了SPS通过参数调控获得多样微观结构的能力。
2.5.2.1 微观结构性能
涂层表面分析（厚度、孔隙率、未熔粒子含量、裂纹率与取向）采用数码光学显微镜。APS涂层通常比SPS厚，但过厚会引发残余应力导致开裂甚至剥落；SPS涂层通常更薄，提高悬浮液流量可增加厚度但同时提升孔隙率，工艺更难控制。APS涂层孔隙主要源于层片堆叠形成的层间空隙，伴生收缩孔与裂纹；SPS涂层孔隙可控性更强，可通过调整工艺参数与悬浮液配方，调控纳米至微米级的孔隙特征（层内或层间孔隙）以获得目标微观结构。未熔粒子在APS中更常见（等离子比焓不足时），SPS因采用细粒子较少出现，但可能因注入不当、射流边缘液体破碎不充分、冷凝或快速凝固而产生。裂纹形成机制也存在差异：APS涂层常见层间微裂纹与热应力释放导致的宏观裂纹；SPS涂层倾向形成垂直柱间裂纹，通常被认为有利于提升热适配性与应力松弛。APS涂层密度较高（粒子完全熔化所致），但层间缺陷会降低局部密度；SPS涂层密度变异性更大，受工艺参数与悬浮液配方显著影响，但可通过沉积后热处理显著提升（减少内部缺陷、促进结构致密化）。涂层密度可通过称量沉积前后的基体质量，结合沉积面积计算得到。
2.5.2.2 物理性能
APS涂层表面粗糙度通常更高（源于熔滴高撞击速度与宽粒径分布），SPS涂层粗糙度更低且均匀（主要由基体表面状态与细喂料决定）。表面粗糙度是影响熔滴尺寸分布与冷却过程中粒子机械粘附的关键因素，需适配喷涂粒子尺寸以提升结合力，粗糙度显著增加可提升粘附力。粗糙度值Ra（经典幅度参数）采用金刚石针尖粗糙度仪测量。
2.5.2.3 结构性能
相组成控制对YSZ基TBC的耐久性至关重要，采用X射线衍射图谱分析。YSZ因低热导率与良好的金属基体兼容性成为TBC基准材料，其晶体相（四方相/单斜相）的稳定性直接决定服役性能：长期热暴露后四方相会转变为单斜相，引发体积膨胀并产生微裂纹与孔隙，导致硬度下降与耐久性降低。SPS工艺因采用细粒子，可实现快速致密化并保持晶粒尺寸<100 nm、纳米级孔隙的精细微观结构，延缓向单斜相的转变，有助于保持硬度与提升力学强度。
2.5.2.4 力学性能
硬度是表征涂层力学性能的关键参数：可磨耗涂层采用HR15Y硬度（表面测量），TBC采用维氏硬度（截面测量）。孔隙率（密度）是决定硬度值的核心影响因素，可磨耗涂层中孔隙率升高会显著降低硬度，可能导致涂层剥落；但硬度过高会降低可磨耗性，需在二者间取得平衡，同时兼顾抗冲蚀性（低硬度会降低抗冲蚀性）。HR15Y硬度依据ASTM E18−20标准采用Bruker TriboLab UMT硬度计测量，维氏硬度依据ASTM E384标准采用显微硬度计测量。
综上，TBC与可磨耗涂层的数据采集现状表明：支配等离子射
