CN101153393B - 含有激光照射的冷气动力喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷气动力喷涂技术和激光技术，尤其涉及含有激光照射的冷气动力喷涂方法。一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，是利用压缩气体携带金属粉末以超音速垂直撞击基板表面，在基板表面形成一个圆形喷涂斑点，在喷涂的同时，在此圆形喷涂斑点的正前方，采用激光束照射形成一个椭圆形的照射激光斑，椭圆形照射激光斑与圆形喷涂斑点有重叠。本发明能显著降低冷气动力喷涂过程中的粒子临界速度，提高粘接效率和粘接强度，保证喷涂粒子的组织结构的稳定性，从而提高涂层的性能。

Description

含有激光照射的冷气动力喷涂方法

(一)技术领域

本发明涉及冷气动力喷涂技术和激光技术，尤其涉及含有激光照射的冷气动力喷涂方法。

(二)背景技术

冷气动力喷涂技术是以高压压缩气体为动力，驱动微小金属颗粒高速撞击基体材料表面，当喷涂粒子的速度超过一定的速度后，喷涂颗粒在材料表面发生强烈塑性变形而发生粘接，在基体材料表面形成涂层。在冷气动力喷涂技术中，气体的温度一般小于850K，远远低于喷涂材料的熔点，喷涂颗粒是在固态下发生粘接。因此，冷气动力喷涂技术具有其他热喷涂技术所不具备的独特优点，例如，对基板的热输入小，对基板的结构无影响；喷涂粒子以固态粘接，结构保持稳定，适合于制备纳米及非晶结构、金属间化合物等温度敏感材料和相变敏感材料涂层；喷涂过程中无氧化发生，适合于对氧敏感的还原性金属的喷涂。

但是，正是由于冷气动力喷涂完全依靠速度的独特工艺特征，也导致冷气动力喷涂技术自身存在一个非常大的缺点，即喷涂粒子粘接所需要的临界速度非常高，通常达到600m/s以上，另外由于高速气流的冷却作用，也使粒子与基板粘接在更低的温度下进行，增加了粘接的难度。尤其是在喷涂两种性能差别较大或者是熔点高的材料时，粘接的难度更加显著。因此亟需要解决冷气动力喷涂工艺中的粘接问题，目前通常的方法是将驱动气体或喷涂的粒子进行加热，一方面提高气流的速度从而提高粒子的速度以超过临界速度，另一方面提高粒子的温度增加粒子的变形能力，例如专利US2006027687采用微波加热喷涂粒子。但是提高高压压缩气体的温度对设备设计及材料都提出了非常高的技术要求，安全性难以保证。而提高粒子的温度易发生粘喉现象，同时容易引起喷涂粒子组织发生晶粒长、相变等变化，影响涂层的性能，而且辐射加热效率低，并且会被高速气流的冷却作用迅速降温。微波加热会被金属粒子反射，影响实际加热效果。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，该喷涂方法能显著降低冷气动力喷涂过程中的粒子临界速度，提高粘接效率和粘接强度，保证喷涂粒子的组织结构的稳定性，从而提高涂层的性能。

本发明是这样实现的：一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：利用压缩气体携带金属粉末以超音速垂直撞击基板表面，在基板表面形成一个圆形喷涂斑点，在喷涂的同时，在此圆形喷涂斑点的正前方，采用激光束照射形成一个椭圆形的照射激光斑，椭圆形照射激光斑与圆形喷涂斑点有重叠。

所述喷涂斑点圆心与激光斑点椭圆两焦点在一条直线上，重叠的区域为喷涂圆斑点的半径。激光斑点椭圆的短轴长度大于喷涂斑点圆的半径，最佳范围为1.0至1.25倍。

所述激光束以一定角度照射于基板表面，激光束与粒子流束之间的夹角为10°至60°，最佳范围为15°至45°。

所述冷喷涂驱动气体为惰性气体或还原性气体，气体中不含氧。

所述激光对基板加热的温度范围为50℃至1000℃，最佳范围为350℃至800℃。

本发明的工作原理是冷气动力喷涂技术与激光表面加热技术的有效结合，是采用激光技术对冷喷涂的喷涂点进行激光增强处理，用一束激光束照射冷气动力喷涂的喷涂点，将基板喷涂点的表面薄层的温度瞬间提高到接近材料的熔点，大大降低基板材料的硬度，喷涂粒子在与基板的碰撞过程中，提高了与基板的粘接效率。同时，激光束在极短的时间内加热喷涂粒子，提高了喷涂粒子的变形能力，提高了粘接强度；同时冷气喷涂的高速气流的冷却作用保证了喷涂粒子的组织结构的稳定性。从而实现了本发明冷喷涂的粘接效率高、涂层结合强度大的目的。

本发明的特点在于：

1.显著降低冷气动力喷涂过程中的粒子临界速度。基板的即将喷涂区域受到激光的照射后表面层快速加热，其硬度显著降低。喷涂粒子与此处基板进行定点碰撞，粘接所需要的临界速度显著降低。

2.在喷涂过程中激光束流不受影响。在冷气动力喷涂技过程中，驱动力由高压压缩气体提供，气流不会对激光产生影响，激光束非常容易穿过气流照射在基板上，高速气流对激光束没有影响。

3.冷喷涂对激光束吸收起到增强作用。冷气动力喷涂对基板产生一定的毛化作用，毛化后的基板表面减少了对激光束的反射，增强了对激光束的吸收。

4.对基体热影响小。激光对基板的加热仅限于激光束照射的区域，由于能量密度高，热影响仅发生在十几微米的深度内，并且高速气流在喷涂过后对激光加热区形成高速冷却，迅速降低基板温度。

5.激光对冷喷涂本身无影响。激光是以不接触方式对基板和喷涂粒子进行加热，冷喷涂的气流和粒子速度均不受任何影响。

6.激光对冷喷涂的作用是定点增强。激光束对冷喷涂束斑正前方的即将喷涂区域进行定点照射，同时照射部分喷涂区域，对其它区域不产生影响。

7.激光与冷喷涂粒子流束之间的角度可以调节，调节激光对基板和粒子的加热效率，适应于不同的粒子和基板。

8.冷气动力喷涂气流对激光照射区域形成保护。冷喷涂采用的是氮气、氦气或氢气等惰性气体或还原性气体为驱动气体，驱动气体在与基板的碰撞之后沿基板表面流动，形成一个保护性气体膜层，这一膜层保护了激光照射区域，使之与空气中的氧隔离，激光照射区域不会发生氧化现象。

(四)附图说明

图1为实施含有激光照射的冷气动力喷涂方法的装置结构示意图；

图2为本发明含有激光照射的冷气动力喷涂方法的原理示意图。

图中：1贮气罐，2送粉器，3气体加热器，4喷枪，5粒子流，6工件(基板)，7激光束，8激光头，9光导纤维，10激光发生器，11冷却气体，12粒子束斑，13激光束斑，14喷涂方向，15工件表面(基板表面)，16反射激光束。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1、图2，实施本发明含有激光照射的冷气动力喷涂方法的装置，包括冷气动力喷涂装置和激光发射装置。冷气动力喷涂装置由贮气罐1为冷气动力喷涂提供高压驱动气体和喷涂粒子载气，载气经送粉器2后携带喷涂粒子进入冷气动力喷涂喷枪4，驱动气体经气体加热器3加热后提高温度进入喷枪4，驱动气体加热有助于提高气流速度，在喷枪4中驱动气体与喷涂粒子相互作用将粒子的速度加速到超音速以上，通过超音速喷嘴喷出超音速气固双相粒子流5，作用于工件6表面。激光发射装置由激光发生器10提供激光源，经光导纤维9传输到激光头8进行聚集，输出一个平行激光束7，激光头8采用冷却气体11进行保护。激光束照射工件基板导致基板软化，从而可降低喷涂临界速度；激光束与粒子流的交互作用也提高了粒子粘接效率和粘接强度。

一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其实现过程是：

参见图2，从冷气动力喷涂装置的喷枪4喷出的冷气动力喷涂粒子流5垂直作用于工件表面15形成粒子束斑12，由于粒子流5垂直于工件表面15，在工件表面形成的粒子束斑12为一个圆。从激光发射装置的激光头8喷出的激光束7以一定的角度照射于工件表面15形成激光束斑13，由于激光束7与工件表面15形成一定的角度，激光束7与粒子流束5之间的夹角为10°至60°，最佳范围为15°至40°，所以激光束斑13为一个椭圆。两个束斑12、13在基板表面15形成交叉。激光增强的主要机理在于激光照射导致喷涂基板15软化，而且照射区域为即将喷涂的区域，所以激光束斑13椭圆短轴的长度要等于或略大于冷喷涂粒子流的圆斑12半径，最佳范围为1至1.2倍。

另外，激光束形成的光斑13要在粒子流圆斑12的前方，即在喷涂方向14上激光斑13要在粒子束斑12的前方，并且激光束椭圆斑13轴心线与粒子流圆斑12圆心在一条直线上，并与喷涂方向14一致。激光束斑13与粒子束斑12部分重叠，重叠大小约为粒子流圆斑12的一半左右。冷气动力喷涂技术所用的驱动气体为惰性气体或还原性气体，可以为单一纯气体或混合气体，气体中不含氧。驱动气体在与基板15的碰撞之后沿基板表面15流动，形成一个保护性气体膜层，这一膜层保护了激光照射区域，使之与空气中的氧隔离，激光照射区域不会发生氧化现象。

通过高速激光束7与粒子流束5之间的夹角可以在同一激光能量下得到多种对基板6和喷涂粒子的照射效果，适合于多种材料。激光对基板6加热的温度范围为50℃至1000℃，最佳范围为350℃至800℃。

本发明含有激光照射的冷气动力喷涂方法提高粘接效率和粘接强度的机理可参见图2，激光束7照射对基板15材料进行快速升温，降低基板15材料的硬度，提高其变形能力。同时激光束7照射对即将喷涂的粒子5进行快速加热，也提高了喷涂粒子5的变形能力，降低喷涂粒子的临界速度。喷涂粒子5在激光束7照射软化的的束斑区域12进行定位喷涂，高速喷涂粒子5与基板15碰撞发生强烈塑性变形而发生粘接，由于激光束照射斑区13基板表面15软化，提高粒子的粘接效率，降低喷涂临界速度。激光在基板15上照射时形成的反射光16穿过冷喷涂粒子束流5，对喷涂粒子5具有加热作用，粒子的温度也相对较高，而且喷涂过程粒子运动速度非常高，碰撞后粘接效率及强度都非常高。

实施例

冷气动力喷涂参数选择为，粒径范围为+20-30μm、平均粒径为25μm的球形粒子为喷涂粒子，驱动气体压力从0.5MPa至5MPa可调，可获得不同的粒子速度，喷枪移动速度100mm/s，冷气动力喷涂在基板上的束斑为8mm，采用喷涂监测仪实时监测粒子粘接情况并测量实时粒子速度，以确定临界速度；激光束功率为4kW，激光束在基板上的斑点为椭圆，长短轴分别为20mm和10mm，与冷喷涂的斑点重叠5mm，轴线与冷喷涂的斑点圆心在一条直线上，并与喷涂方向一致。

实施例1

选择纯铜基板，选择纯铜粒子为喷涂材料。在没有进行激光照射的情况下，驱动气体为惰性气体由氮气加8％的氦气构成，驱动气体压力从0.5MPa逐步上调，测量得到铜粒子在纯铜板上粘接时的临界速度为498m/s。当增加激光照射的情况下，激光与粒子束的夹角为30°，激光照射后激光斑点区基板的温度为500℃，测量得到的铜粒子在纯铜板上粘接时的临界速度为380m/s。粘接所需临界速度显著降低了23.7％。

实施例2

选择纯铝基板，选择纯铝粒子为喷涂材料。在没有进行激光照射的情况下，驱动气体为惰性气体由氮气加8％的氦气构成，驱动气体压力从0.5MPa逐步上调，测量得到铝粒子在纯铝板上粘接时的临界速度为650m/s。当增加激光照射的情况下，由于铝的反射作用较强，激光与粒子束的夹角为45°，激光照射后激光斑点区基板的温度为350℃，测量得到的铜粒子在纯铜板上粘接时的临界速度为447m/s。粘接所需临界速度显著降低了31.2％。

实施例3

选择纯316L不锈钢基板，选择316L不锈钢粒子为喷涂材料。在没有进行激光照射的情况下，驱动气体为惰性气体由氮气加8％的氦气构成，驱动气体压力从0.5MPa逐步上调，测量得到316L不锈钢粒子在316L不锈钢板上粘接时的临界速度为710m/s。当增加激光照射的情况下，激光与粒子束的夹角为25°，激光照射后激光斑点区基板的温度为550℃，测量得到的316L不锈钢粒子在316L不锈钢板上粘接时的临界速度为578m/s。粘接所需临界速度降低了18.5％。

实施例4

选择纯铜基板，选择纯镍粒子为喷涂材料。在没有进行激光照射的情况下，驱动气体为惰性气体由氮气加8％的氦气构成，驱动气体压力从0.5MPa逐步上调，测量得到镍粒子在铜板上粘接时的临界速度为615m/s。当增加激光照射的情况下，激光与粒子束的夹角为15°，激光照射后激光斑点区基板的温度为500℃，测量得到的镍粒子在铜板上粘接时的临界速度为505m/s。粘接所需临界速度显著降低了17.9％。

实施例5

选择纯316L不锈钢基板，选择纯铜粒子为喷涂材料。在没有进行激光照射的情况下，驱动气体为惰性气体由氮气加8％的氦气构成，驱动气体压力从0.5MPa逐步上调，当粒子速度达到800m/s时，仍不能发生粘接。当增加激光照射的情况下，将喷枪移动速度减小到50mm/s，激光与粒子束的夹角为15°，激光斑点的椭圆短轴与粒子喷涂斑点半径相同，激光照射后激光斑点区基板的温度为800℃，测量得到的镍粒子在铜板上粘接时的临界速度为487m/s。铜粒子在不锈钢基板可形成粘接。

实施例6

选择纯铜基板，选择纯钛粒子为喷涂材料。驱动气体为惰性气体和还原性气体的混合气体，由80％氮+15％氦气+5％氢气构成，驱动气体压力从0.5MPa逐步上调，在没有进行激光照射的情况下，测量得到钛粒子在铜板上粘接时的临界速度为750m/s。当增加激光照射的情况下，激光与粒子束的夹角为35°，激光照射后激光斑点区基板的温度为500℃，测量得到的镍粒子在铜板上粘接时的临界速度为520m/s。粘接所需临界速度显著降低了30.7％。

Claims (7)

1.一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：利用压缩气体携带金属粉末以超音速垂直撞击基板表面，在基板表面形成一个圆形喷涂斑点，在喷涂的同时，在此圆形喷涂斑点的正前方，采用激光束照射形成一个椭圆形的照射激光斑，椭圆形照射激光斑与圆形喷涂斑点有重叠；所述喷涂斑点圆心与激光斑点椭圆两焦点在一条直线上，重叠的区域为喷涂圆斑点的半径构成的面积。

2.根据权利要求1所述的含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：激光斑点椭圆的短轴长度等于或大于喷涂斑点圆的半径，其范围为1.0至1.25倍。

3.根据权利要求1或2所述的含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：激光束以一定角度照射于基板表面，激光束与粒子流束之间的夹角为10°至60°。

4.根据权利要求3所述的含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：激光束与粒子流束之间的夹角为15°至45°。

5.根据权利要求1所述的含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：冷喷涂驱动气体为惰性气体或还原性气体中的单一纯气体或混合气体，气体中不含氧。

6.根据权利要求1所述的含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：激光对基板加热的温度范围为50℃至1000℃。

7.根据权利要求6所述的含有激光照射的冷气动力喷涂方法，其特征是：激光对基板加热的温度范围为350℃至800℃。

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