[發(fā)明專利]一種激光輔助冷噴涂方法及噴嘴裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410101590.7
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103920626A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚建華;弗拉基米爾·科瓦連柯;張建鋒;陳智君
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué);杭州博華激光技術(shù)有限公司
• 主分類號: B05C19/04
• 分類號: B05C19/04;B05C19/06;B05B17/06;B05B7/16
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務(wù)所有限公司 33214
• 代理人: 李久林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種激光輔助冷噴涂方法及噴嘴裝置，特別是一種用于激光冷噴涂的超音速噴嘴裝置。

背景技術(shù)

冷噴涂亦稱為冷氣體動力噴涂（Cold?Gas?Dynamic?Spray,CGDS）,在20世紀(jì)80年代中后期，由前蘇聯(lián)科學(xué)家提出，它是基于空氣動力學(xué)原理的一項噴涂技術(shù)，其原理是利用高壓氣體（氮氣、氦氣、空氣、或混合氣體等）攜帶粉末顆粒進入高速氣流，通過縮放管（Laval管）產(chǎn)生超音速氣固兩相流，粉末顆粒經(jīng)超音速噴管加速后在固態(tài)狀態(tài)下以極高的速度碰撞基板，通過產(chǎn)生強烈的塑性變形而沉積于基體表面形成涂層。與熱噴涂依賴于熱能或者化學(xué)能不同，冷噴涂更多依賴于粒子的動能。因此該技術(shù)具有如下的優(yōu)點：1)噴涂加熱溫度遠低于其熔點,顆粒基本上沒有氧化、燒損和晶粒長大等現(xiàn)象。適用于納米晶、非晶等對溫度敏感材料,Cu、Ti等對氧化敏感材料,碳化物復(fù)合材料等對相變敏感材料的噴涂。2)涂層對基體的熱影響小,使涂層與基體之間的熱應(yīng)力減少。涂層之間的殘余應(yīng)力小且主要為壓應(yīng)力,有利于獲得較厚致密的涂層。3)噴涂效率高,氣孔率低。4)噴涂粉末可以回收再利用，經(jīng)濟環(huán)保。冷噴涂技術(shù)對于擴展熱噴涂領(lǐng)域具有極其重要的意義，為表面工程技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的途徑。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制備各種功能性涂層、納米涂層、汽車制造業(yè)、機械零件的修復(fù)再制造、航空航天等領(lǐng)域。

到了20世紀(jì)90年代末，科研者開始開展了激光輔助冷噴涂技術(shù)的研究。激光輔助冷噴涂是一種新型的噴涂和再制造技術(shù)，其原理如圖1所示，高壓氣體源101，送粉器102，Lava噴嘴103，實驗箱104,激光器105，高溫計106，基體107，涂層108，粉末回收裝置109。它將超音速粉末束與沉積區(qū)域的激光加熱聯(lián)結(jié)在了一起。激光輔助冷噴涂保留了冷噴涂的優(yōu)點：固態(tài)沉積、高的再制造率以及可以在一系列的基材上進行沉積，而且比冷噴涂更具有廣泛的應(yīng)用前景。激光照射在基體上，使基體軟化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)難沉積材料涂層的制備，擴大了材料和基體的使用范圍；激光的引入可以免去使用氣體預(yù)熱裝置，減少了壓縮氣體的消耗，又可以以廉價的壓縮空氣來代替氮氣或氬氣，降低了工藝的生產(chǎn)成本；激光軟化處理顆粒或者基體，瞬間調(diào)節(jié)和改變了材料的力學(xué)性能，使其塑性流動增大，改善了顆粒碰撞沉積狀態(tài)，提高了粉末涂層的厚度、沉積率、致密性和結(jié)合強度，所制得的涂層優(yōu)于冷噴涂涂層。

在歐洲專利GB2439934A中提出了一種結(jié)構(gòu)簡單的激光輔助冷噴涂噴嘴，該噴嘴中激光光路與噴嘴同軸，激光光斑略小于噴嘴喉部的直徑。工作時，激光透過特殊材料制成的窗口照射進噴嘴中并最終輻照在基體上，噴嘴一路通入高壓氣體，一路通入待噴涂粉末，兩者在Laval噴嘴中達到超音速，以固態(tài)形式撞擊在基體上形成涂層。整個過程中，激光既加熱了氣體、粉末顆粒，也加熱了基體，使粉末和基體同時軟化，因此大大提高了沉積率和結(jié)合強度。但是該噴嘴中粉末從收縮段進入喉部，喉部直徑通常只有幾毫米，對于低熔點和較軟的金屬粉末材料在激光的照射下容易粘結(jié)在噴嘴喉部，長時間工作后易造成噴嘴堵塞，且對光斑直徑的要求高，必須小于噴嘴喉部直徑。

美國專利US20110300306A1也提出了一種激光輔助冷噴涂噴嘴裝置，采用的也是激光光路與噴嘴同軸的方法。該專利中粉末顆粒由噴嘴擴張段送入，因此避免了粉末因加熱軟化粘結(jié)在喉部的現(xiàn)象。但是激光與粉末同軸的激光輔助冷噴涂噴嘴的共同缺點是激光對顆粒以及噴嘴內(nèi)載氣越熱不均勻，存在中間熱量多兩邊熱量少的現(xiàn)象，沉積后涂層中間厚兩邊薄，且粉末利用率較低。

目前激光輔助冷噴涂技術(shù)主要使用的是激光側(cè)向照射的方法，噴嘴是純冷噴涂所用的噴嘴。中國發(fā)明專利CN101153393A中公開了一種含有激光照射的冷氣動力噴涂方法，在噴涂的同時，在圓形噴涂斑點的正前方照射有橢圓形激光光斑。該方法可以顯著降低冷噴涂過程中粒子的臨界速度，提高粘結(jié)效率。但是側(cè)向照射激光光斑時，只預(yù)熱了基體，對一些硬質(zhì)顆粒在噴嘴中仍然需要預(yù)熱載氣才能使得粉末最終沉積基體，氣體消耗大等缺點仍未解決。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種激光輔助冷噴涂方法及噴嘴裝置，激光與噴嘴軸線呈一定角度射入噴嘴內(nèi)的反射鏡上，光束通過在噴嘴內(nèi)壁上的反射鏡多次反射，最終照射在基體上。該裝置可以對噴嘴內(nèi)部的氣體、粉末和基體均勻預(yù)熱，并且可以取消載氣預(yù)熱裝置。

為了達到上述的目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：