[發明專利]一種激光沖擊與熱噴涂復合制備涂層的方法和裝置

無效

• 申請號: 201010106113.1
• 申請日: 2010-02-05
• 公開（公告）號: CN101760719A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發明（設計）人: 羅開玉;魯金忠;張永康;張朝陽;孫桂芳;鐘俊偉;張磊
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23C4/18
• 分類號: C23C4/18;C21D1/09;C22F3/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及特種加工領域，特指一種激光沖擊與熱噴涂復合制備的方法和 裝置，特別適用于具備耐磨、抗微動磨損的結構金屬表面的1mm以下金屬涂層 的制備。

背景技術

結構金屬的表面性能對于結構件的機械性能、疲勞性能和抗腐蝕性能至關重 要，目前各種涂層技術比如熱噴涂技術、等離子噴涂、電刷鍍技術、高速電弧噴 涂技術、等離子弧熔覆技術等，能夠大幅度提高結構金屬的表面性能，并能夠獲 得良好的增益效果。

與本方法最接近的方明專利為“金屬熱噴涂與粉末涂料靜電噴涂復合涂層防 腐工藝(專利申請號：200710070639.7)”和“基于多次激光重熔的熱噴涂梯度涂 層加工方法(專利申請號：200710131168.6)”。前者采用一種金屬熱噴涂與 粉末涂料靜電噴涂復合涂層防腐工藝，首先對鋼鐵工件進行預處理后，4小時內 進行金屬熱噴涂，金屬層厚度達到40～120μm后，再進行粉末涂料靜電噴涂，使 粉末層厚度達到60～120μm；然后送入烘箱加熱固化，使復合涂層總厚度達到 100～240μm。經該工藝處理后的復合涂層比普通的涂層來的更薄且耐腐蝕性更 強，具有耐水、耐沖擊、耐候、長效保護、防腐壽命長、外觀光潔、環保清潔等 特點；后者對熱噴涂梯度涂層采用多次激光重熔方法進行復合加工，克服了在無 激光重熔或一次激光重熔下梯度涂層的各個子涂層不能全都達到冶金結合、涂層 中梯度結構會被破壞、梯度涂層中熱噴涂片層組織不能消除等缺點。具體過程為 首先對基體金屬材料進行凈化及活化處理；然后在基體表面熱噴涂第一種梯度材 料，接著對第一梯度層進行一次激光重熔，使其和基體間形成冶金結合；隨后再 在激光重熔后的第一梯度層表面噴涂第二種梯度材料，并進行第二次激光重熔， 使兩梯度涂層間形成冶金結合；依次采用該方法，對所有的梯度涂層分別進行熱 噴涂/激光重熔加工。具有加工方法簡單可靠，能滿足涂層綜合性能要求的特點。

盡管這些技術都能夠在金屬基體表面制備均勻并且具備一定性能的涂層，但 是上述技術和電刷鍍技術都在制備涂層過程中產生熱效應，所制備涂層具有較大 的孔隙率和呈現殘余拉應力狀態，容易產生表面微裂紋導致結構金屬部件的斷裂 和失效。航空渦輪盤密封裝置、渦輪發動機葉片、冶金軋輥等部件工作在惡劣環 境下，這些部件因微動磨損造成的發動機效率降低和高溫高沖蝕導致的服役時間 短，現有的上述技術制備涂層的耐磨、抗微動磨損性能無法滿足工程惡劣環境的 需要。針對上述問題，可以采用熱噴涂技術制備性能和成分均一的涂層，然后消 除涂層的殘余拉應力和降低涂層的孔隙率，提高涂層與基體的結合強度。

發明內容

本發明的目的是要提供一種激光沖擊與熱噴涂復合制備涂層的方法和裝置。 激光沖擊與熱噴涂復合制備涂層的方法，利用熱噴涂裝置噴涂粉末在金屬基體表 面形成涂層，然后采用納秒激光穿透約束層(水膜)，汽化吸收層(柔性貼膜) 在金屬表面形成等離子體膨脹，產生沖擊波強化金屬表面。該方法能夠在金屬表 面形成金屬涂層，降低涂層的孔隙率，提高涂層與基體的結合強度，改變殘余應 力的狀態。對金屬基體表面采用該方法進行處理，能夠生成良好性能的涂層，大 幅度提高金屬結構件的性能。

本發明提供了激光沖擊與熱噴涂復合制備涂層的裝置，包括依次相連的計算 機控制裝置、熱噴涂系統I和激光沖擊系統II以及密封處理間、夾具、五軸工作 臺和真空泵。其中熱噴涂系統I包括熱噴涂裝置和噴涂粉末。激光沖擊系統II包 括納秒激光發生器、激光束、導光管、45°全反鏡、光斑調節裝置、K9玻璃窗、 自動噴涂系統。熱噴涂系統在密封處理間真空狀態下采用噴涂裝置在金屬表面噴 涂粉末；K9玻璃窗可以用來使納秒激光發生器發射的激光束能夠穿透，輻射在 金屬基體的表面；光斑調節裝置由一組凹透鏡和一片大曲率的凸透鏡組成，主要 控制激光光斑的空間能量分布，使得輸出激光在空間上均勻分布；自動噴涂系統 能夠噴涂均勻的水幕(1-2mm)；計算機控制裝置控制熱噴涂裝置、納秒激光發生 器和五軸工作臺，通過控制五軸工作臺控制金屬基體移動，按區域分片加工，直 到整個金屬基體目標表面加工完成。

實施激光沖擊與熱噴涂復合制備涂層的方法的具體步驟如下：

(1)根據金屬基體表層加工區域要求，通過計算機控制裝置編程生成加工軌跡。 確定熱噴涂的工藝參數；

(2)用真空泵將密封處理間空氣排凈，在真空狀態下采用噴涂裝置在金屬基體表 面噴涂粉末形成均勻的涂層；