[發明專利]一種基于激光沖擊波技術的內孔孔壁沖擊噴涂的方法及裝置

有效

• 申請號: 201510093124.3
• 申請日: 2015-03-02
• 公開（公告）號: CN104745999B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 張興權;章艷;段士偉;李勝祗;李殿凱;許四祥;黃志來;時禮平;張偉
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/06
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 蔣海軍

1.一種基于激光沖擊波技術的內孔孔壁沖擊噴涂的方法，其特征在于該方法具體步驟如下：

(1)首先通過進氣管(7)向濺射室(14)內通入足量的保護氣，排出其內部的空氣，以防止金屬料粉(10)在高溫下被空氣中的氧氣氧化；

(2)啟動粉量開關(12)，將料斗(9)內的所述金屬料粉(10)經送粉管(11)送至工件(19)內部的坩堝(21)內，再通過加熱器(22)加熱所述坩堝(21)內的所述金屬料粉(10)，將所述金屬料粉(10)制備成金屬熔融液，并通過所述溫控開關(24)控制所述坩堝(21)內所述金屬熔融液的溫度；

(3)開啟激光發生器(1)，將脈寬為ns量級、脈沖能量為2-100J、功率密度為GW/cm²量級的激光脈沖束(3)透過透明玻璃(6)直接輻照在所述金屬熔融液的液面上，所述金屬熔融液表面極少部分的物質吸收激光能量瞬間氣化、電離，在幾十個ns的時間內在其表面產生壓力為GPa量級的高壓等離子體，所述高壓等離子體瞬間對所述金屬熔融液的液面施加一向下的超高沖擊力，使所述金屬熔融液發生爆炸性濺射，濺射的熔滴在空中飛行遇到阻力，霧化成更為細小的微粒，并以很高的速度撞向工件(19)內孔孔壁，在所述內孔孔壁快速凝固形成致密的涂層(20)，完成第一次沖擊噴涂；

(4)當所述第一次沖擊噴涂的涂層厚度未達到要求時，需要在同一位置進行多次噴涂，首先控制器(33)控制步進電機(18)帶動位于左側的棍軸(16)轉動，拉動透明、阻燃的保護膜(15)向左移動，將所述保護膜(15)上被微粒污染的區域移至光路外，新的未被污染區域移至光路中，隨后所述控制器(33)依次重啟所述粉量開關(12)、溫控開關(24)以及激光發生器(1)，使所述金屬料粉(10)進入所述坩堝(21)內，并加熱所述金屬料粉(10)至金屬熔融液，再用所述激光脈沖束(3)輻照金屬熔融液的表面，產生高壓等離子體完成第二次沖擊噴涂，重復上述移動保護膜、送粉、加熱、產生激光脈沖和噴涂的過程，完成下一次沖擊噴涂，重復多次循環，直至該位置的涂層的厚度滿足要求；

(5)需要在不同位置進行噴涂時，通過所述控制器(33)控制電動機(28)的轉數和轉向，使齒輪(30)驅動齒條軸(31)向上或向下移動，帶動所述坩堝(21)向上或向下移動，使所述坩堝(21)在新的位置上進行噴涂，直至所述工件(19)內孔壁都達到要求為止，涂層冷卻至室溫后，關閉保護氣，打開活動窗口(25)，取出所述工件(19)。

2.一種實現權利要求1所述一種基于激光沖擊波技術的內孔孔壁沖擊噴涂方法的裝置，其特征在于該裝置包括激光發生器(1)、導光系統、送粉系統、工件夾具系統以及控制系統；所述導光系統包括導光管(2)、全反鏡(4)、沖擊頭(5)、透明玻璃(6)、保護膜(15)、左右對稱設置的棍軸(16)、左右對稱設置的棍軸支架(17)和步進電機(18)，所述導光管(2)的一端連接所述激光發生器(1)，所述導光管(2)的另一端依次連接所述全反鏡(4)以及所述沖擊頭(5)，所述保護膜(15)放置在所述透明玻璃(6)的正下方，所述保護膜(15)卷繞在位于右側的棍軸(16)上，所述左右對稱設置的棍軸(16)分別固定在所述左右對稱設置的棍軸支架(17)上，所述步進電機(18)的輸出軸同所述位于左側的輥軸(16)連接；所述送粉系統包括進氣管(7)、料斗架(8)、料斗(9)、金屬料粉(10)、送粉管(11)、粉量開關(12)、密封塞(13)和坩堝(21)；所述送粉管(11)能夠拆裝，通過軟接頭連接上下兩端，所述送粉管(11)的一端連著料斗(9)的下端，所述送粉管(11)的另一端貫穿密封塞(13)并對著工件夾具系統中的坩堝(21)，所述料斗(9)固定在料斗架(8)上并裝有金屬料粉(10)，所述金屬料粉(10)的顆粒直徑為15-40μm，所述進氣管(7)穿過密封塞(13)用于通入保護氣體，以防止金屬料粉(10)與空氣中的氧氣發生化學反應生成氧化物，所述粉量開關(12)設置在所述送粉管(11)上，所述粉量開關(12)是一個微電機控制的開關，通過微電機控制開關閥口的大小和開啟時間的長短來控制金屬料粉(10)進入坩堝(21)的體積；所述工件夾具系統包括濺射室(14)、工件(19)、坩堝(21)、加熱器(22)、調整墊塊(23)、溫控開關(24)、活動窗口(25)、導向套(26)、螺釘(27)、電動機(28)、聯軸器(29)、齒輪(30)和齒條軸(31)，所述電動機(28)通過聯軸器(29)驅動齒輪(30)帶動齒條軸(31)上下移動，導向套(26)套在齒條軸(31)上，導向套(26)被螺釘(27)固定在濺射室(14)的底部，齒條軸(31)上端設置所述加熱器(22)，所述加熱器(22)與所述齒條軸(31)通過螺紋連接，所述加熱器(22)的上端頂面設有與所述坩堝(21)底部形狀和大小一樣的凹坑，用以放置所述坩堝(21)，所述加熱器(22)與所述溫控開關(24)串聯在一起，所述溫控開關(24)接通電源使所述加熱器(22)對所述坩堝(21)加熱，所述坩堝(21)放置在所述工件(19)孔的內部，所述坩堝(21)的直徑要比工件(19)的內徑小，所述工件(19)下方設置調整墊塊(23)以調整工件(19)的高度，所述調整墊塊(23)放置在所述濺射室(14)的底部；所述濺射室(14)的右側設有活動窗口(25)；所述控制系統包括計算機(32)和控制器(33)，控制信息由所述計算機(32)輸入，傳遞給所述控制器(33)，所述控制器(33)通過數據線分別與所述激光發生器(1)、粉量開關(12)、步進電機(18)以及電動機(28)連接，用于控制所述激光發生器(1)、粉量開關(12)、步進電機(18)以及電動機(28)。