[發(fā)明專利]一種雙激光頭雙送粉口超音速激光沉積噴嘴裝置及沉積方法

有效

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• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111719146B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李波;張杰;姚建華
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C23C24/04
• 分類號: C23C24/04
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;崔國艷

一種雙激光頭雙送粉口超音速激光沉積噴嘴裝置，包括沿噴嘴的噴嘴軸線自前向后依次連接的圓形收縮段、咽喉段、扇形擴(kuò)張段；圓形收縮段的前端設(shè)有高壓氣體入射口；扇形擴(kuò)張段在與咽喉段交界處設(shè)有第一粉末入口和第二粉末入口；圓形收縮段上沿軸線對稱地設(shè)有第一透光窗口和第二透光窗口，咽喉段內(nèi)壁上對稱地設(shè)有第一上反光鏡、第一下反光鏡，扇形擴(kuò)張段內(nèi)壁上對稱地設(shè)有第二上反光鏡、第二下反光鏡，以及第三上反光鏡、第三下反光鏡。本發(fā)明的有益效果是：提高粉末涂層的厚度、沉積率、致密性和結(jié)合強(qiáng)度，激光加熱取代載氣預(yù)熱裝置，降低生產(chǎn)成本，提高粉末利用率，對高壓氣體的能量損耗少，降低噴嘴裝置損壞的概率，安全性高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種雙激光頭雙送粉口超音速激光沉積噴嘴裝置及沉積方法。

背景技術(shù)

冷噴涂是一種基于空氣動力學(xué)原理的一項噴涂技術(shù)，其原理是利用高壓氣體攜帶粉末顆粒進(jìn)入高速氣流,通過拉瓦爾噴嘴加速產(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(qiáng)烈的塑性變形而沉積于基體表面形成涂層，冷噴涂是依賴粒子的動能形成涂層。因此該技術(shù)具有如下的優(yōu)點:1)噴涂載氣加熱溫度遠(yuǎn)低于粉末顆粒熔點，顆粒基本上沒有氧化、相變、燒損和晶粒長大等現(xiàn)象。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，有利于獲得厚致密的涂層。3)噴涂效率高，氣孔率低。4)噴涂未利用粉末可以回收再利用,經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。冷噴涂技術(shù)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)用于制備各種高功能性涂層、納米涂層、汽車制造業(yè)、機(jī)械零件的修復(fù)再制造、航空航天等領(lǐng)域。

超音速激光沉積技術(shù)是一種新型的噴涂和再制造技術(shù)，超音速激光沉積設(shè)備主要由高壓氣體源、送粉器、拉瓦爾噴嘴、實驗箱、激光器、溫度傳感器、加工基體、沉積涂層和粉末回收裝置構(gòu)成。它將超音速粉末束和基體與沉積區(qū)域的激光加熱聯(lián)結(jié)在了一起，在冷噴涂的過程中引入激光取代載氣預(yù)熱對粉末顆粒進(jìn)行加熱軟化和對基體進(jìn)行軟化。超音速激光沉積技術(shù)不但保留了冷噴涂的優(yōu)點:固態(tài)沉積、高效率和低成本，而且比冷噴涂更具有廣泛的應(yīng)用前景。激光照射在基體和粉末顆粒上,使基體軟化,粉末顆粒產(chǎn)生塑性變形，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高硬度材料涂層的制備，擴(kuò)大了材料和基體的使用范圍；激光產(chǎn)生的加熱效應(yīng)可以代替氣體預(yù)熱裝置,減少了壓縮氣體的使用且可以用廉價的壓縮空氣來代替價格相對較高的氮氣或氬氣,從而降低工藝的生產(chǎn)成本；激光軟化處理顆粒跟基體,能瞬間調(diào)節(jié)和改變了材料的力學(xué)性能，使其塑性增強(qiáng),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(qiáng)度,所制得的涂層優(yōu)于冷噴涂涂層。

在歐洲專利GB2439934A中提出了一種超音速激光沉積噴嘴,在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，以便使激光能正常通過。工作時,激光透過特殊材料制成的窗口照射進(jìn)噴嘴中并最終輻照在基體上,噴嘴的一個入口通入高壓氣體,另一個入口通入待噴涂粉末，兩者在拉瓦爾噴嘴中加速到超音速,最后粉末顆粒以固態(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(qiáng)度。但是該裝置中粉末從收縮段進(jìn)入噴嘴中,噴嘴喉部直徑通常只有幾毫米,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。光斑直徑必須小于噴嘴喉部直徑，激光光路與噴嘴同軸只能通過一條光路。

美國專利US20110300306A1也提出了一種超音速激光沉積噴嘴裝置,采用的也是激光光路與噴嘴同軸的方法，但是該專利中粉末顆粒由噴嘴擴(kuò)張段送入，因此避免了粉末因加熱軟化粘結(jié)堵塞在噴嘴喉部的現(xiàn)象。該噴嘴只有一個送粉口，導(dǎo)致一次性送粉量太多，處于粉末束中部的粉末激光束并不能很好將其軟化。只有一個激光頭與噴嘴同軸，激光對顆粒以及噴嘴內(nèi)載氣預(yù)熱不均勻,中間熱量多而周邊熱量少,沉積后涂層中間厚周邊薄,導(dǎo)致粉末利用率較低。