CN101760719B - 一种激光冲击与热喷涂复合制备涂层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种激光冲击与热喷涂复合制备涂层的方法和装置，涉及特种加工领域。本发明首先利用热喷涂装置喷涂粉末在金属基体表面形成涂层，其特征在于：采用激光冲击涂有涂层的金属基体表面，形成低孔隙率、高结合强度和呈现压应力的涂层。实施该方法的装置包括依次相连的计算机控制装置、热喷涂系统I和激光冲击系统II以及密封处理间、夹具、五轴工作台和真空泵。其中热喷涂系统I包括热喷涂装置和喷涂粉末；激光冲击系统II包括纳秒激光发生器、激光束、导光管、45°全反镜、光斑调节装置、K9玻璃窗、自动喷涂系统。本发明能够在金属表面形成涂层，并且增加涂层的孔隙率，提高涂层与基体的结合强度，改变残余应力的状态。

Description

一种激光冲击与热喷涂复合制备涂层的方法和装置

技术领域

本发明涉及特种加工领域，特指一种激光冲击与热喷涂复合制备的方法和装置，特别适用于具备耐磨、抗微动磨损的结构金属表面的1mm以下金属涂层的制备。

背景技术

结构金属的表面性能对于结构件的机械性能、疲劳性能和抗腐蚀性能至关重要，目前各种涂层技术比如热喷涂技术、等离子喷涂、电刷镀技术、高速电弧喷涂技术、等离子弧熔覆技术等，能够大幅度提高结构金属的表面性能，并能够获得良好的增益效果。

与本方法最接近的方明专利为“金属热喷涂与粉末涂料静电喷涂复合涂层防腐工艺(专利申请号：200710070639.7)”和“基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法(专利申请号：200710131168.6)”。前者采用一种金属热喷涂与粉末涂料静电喷涂复合涂层防腐工艺，首先对钢铁工件进行预处理后，4小时内进行金属热喷涂，金属层厚度达到40～120μm后，再进行粉末涂料静电喷涂，使粉末层厚度达到60～120μm；然后送入烘箱加热固化，使复合涂层总厚度达到100～240μm。经该工艺处理后的复合涂层比普通的涂层来的更薄且耐腐蚀性更强，具有耐水、耐冲击、耐候、长效保护、防腐寿命长、外观光洁、环保清洁等特点；后者对热喷涂梯度涂层采用多次激光重熔方法进行复合加工，克服了在无激光重熔或一次激光重熔下梯度涂层的各个子涂层不能全都达到冶金结合、涂层中梯度结构会被破坏、梯度涂层中热喷涂片层组织不能消除等缺点。具体过程为首先对基体金属材料进行净化及活化处理；然后在基体表面热喷涂第一种梯度材料，接着对第一梯度层进行一次激光重熔，使其和基体间形成冶金结合；随后再在激光重熔后的第一梯度层表面喷涂第二种梯度材料，并进行第二次激光重熔，使两梯度涂层间形成冶金结合；依次采用该方法，对所有的梯度涂层分别进行热喷涂/激光重熔加工。具有加工方法简单可靠，能满足涂层综合性能要求的特点。

尽管这些技术都能够在金属基体表面制备均匀并且具备一定性能的涂层，但是上述技术和电刷镀技术都在制备涂层过程中产生热效应，所制备涂层具有较大的孔隙率和呈现残余拉应力状态，容易产生表面微裂纹导致结构金属部件的断裂和失效。航空涡轮盘密封装置、涡轮发动机叶片、冶金轧辊等部件工作在恶劣环境下，这些部件因微动磨损造成的发动机效率降低和高温高冲蚀导致的服役时间短，现有的上述技术制备涂层的耐磨、抗微动磨损性能无法满足工程恶劣环境的需要。针对上述问题，可以采用热喷涂技术制备性能和成分均一的涂层，然后消除涂层的残余拉应力和降低涂层的孔隙率，提高涂层与基体的结合强度。

发明内容

本发明的目的是要提供一种激光冲击与热喷涂复合制备涂层的方法和装置。激光冲击与热喷涂复合制备涂层的方法，利用热喷涂装置喷涂粉末在金属基体表面形成涂层，然后采用纳秒激光穿透约束层(水膜)，汽化吸收层(柔性贴膜)在金属表面形成等离子体膨胀，产生冲击波强化金属表面。该方法能够在金属表面形成金属涂层，降低涂层的孔隙率，提高涂层与基体的结合强度，改变残余应力的状态。对金属基体表面采用该方法进行处理，能够生成良好性能的涂层，大幅度提高金属结构件的性能。

本发明提供了激光冲击与热喷涂复合制备涂层的装置，包括依次相连的计算机控制装置、热喷涂系统I和激光冲击系统II以及密封处理间、夹具、五轴工作台和真空泵。其中热喷涂系统I包括热喷涂装置和喷涂粉末。激光冲击系统II包括纳秒激光发生器、激光束、导光管、45°全反镜、光斑调节装置、K9玻璃窗、自动喷涂系统。热喷涂系统在密封处理间真空状态下采用喷涂装置在金属表面喷涂粉末；K9玻璃窗可以用来使纳秒激光发生器发射的激光束能够穿透，辐射在金属基体的表面；光斑调节装置由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成，主要控制激光光斑的空间能量分布，使得输出激光在空间上均匀分布；自动喷涂系统能够喷涂均匀的水幕(1-2mm)；计算机控制装置控制热喷涂装置、纳秒激光发生器和五轴工作台，通过控制五轴工作台控制金属基体移动，按区域分片加工，直到整个金属基体目标表面加工完成。

实施激光冲击与热喷涂复合制备涂层的方法的具体步骤如下：

(1)根据金属基体表层加工区域要求，通过计算机控制装置编程生成加工轨迹。确定热喷涂的工艺参数；

(2)用真空泵将密封处理间空气排净，在真空状态下采用喷涂装置在金属基体表面喷涂粉末形成均匀的涂层；

(3)计算机控制装置控制热喷涂装置和五轴工作台，在喷涂过程中通过控制五轴工作台控制金属基体移动，按区域分片加工，直到整个金属基体目标表面喷涂完成。

(4)将柔性贴膜粘附在待处理的金属基体表面，纳秒激光发生器发射的激光束通过导光管和45°全反镜利用光斑调节装置控制激光束光斑的空间能量分布，使得输出激光束在空间上均匀分布。激光束穿透K9玻璃窗、自动喷涂系统喷洒的均匀水幕以及柔性贴膜辐射在金属基体表面；

(5)计算机控制装置控制纳秒激光发生器和五轴工作台，在激光冲击过程中通过控制五轴工作台控制金属基体移动，按区域分片加工，直到整个金属基体目标表面冲击强化完成。

本发明采用热喷涂和激光冲击强化复合式工艺方法的创新，对金属表面采用热喷涂技术在金属表面形成均匀的涂层，然后利用激光冲击波强化涂层，而且在处理表面形成高幅值残余压应力，大幅度增加其疲劳寿命。这充分利用了两种工艺的优点，扩大了激光冲击表面改性和涂层制备的应用范围。

本发明原理的创新在于利用激光冲击波强化热喷涂涂层，冲击波是塑性变形的力源，使得金属表层呈现压应力状态，提高涂层的机械性能，确保了无损性。

本发明具有以下优势：

(1)热喷涂技术能够在金属表面涂覆一层均匀的涂层，是一种成熟的表面技术；

(2)激光冲击波能够强化涂层，细化涂层颗粒，降低涂层孔隙率，提高涂层与基体的结合强度；

(3)激光冲击波能够使金属表面的热喷涂层由拉应力转化为压应力，提高涂层的机械性能、耐磨性能和抗腐蚀能力；

(4)激光冲击金属表面涂层材料塑性变形很小，不影响结构件表面状态，并且简单快捷、效率高。

附图说明

图1为激光冲击与热喷涂复合制备涂层装置的示意图。

图中1.计算机控制装置 2.纳秒激光发生器 3.激光束 4.导光管 5.45°全反镜 6.光斑调节装置 7.K9玻璃窗 8.密封处理间 9.热喷涂装置 10.喷涂粉末 11.自动喷涂系统 12.均匀水幕(约束层) 13.柔性贴膜(吸收层) 14.夹具 15.金属基体 16.活动窗口 17.五轴工作台 18.真空泵

图2为激光冲击与热喷涂复合制备涂层与热喷涂涂层颗粒形貌比较图。

图3为激光冲击与热喷涂复合制备涂层与热喷涂涂层表面残余应力比较图。

图4为激光冲击强化前后截面残余应力的变化图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

用本发明进行激光冲击与热喷涂复合制备涂层装置包括依次相连的计算机控制装置1、热喷涂系统I和激光冲击系统II以及密封处理间8、夹具14、金属基体15、活动窗口16、五轴工作台17和真空泵18。其中热喷涂系统I包括热喷涂装置9和喷涂粉末10。激光冲击系统II包括纳秒激光发生器2、导光管4、45°全反镜5、光斑调节装置6、K9玻璃窗7和自动喷涂系统11。

K9玻璃窗7置于密封处理间8左边，用来穿透激光冲击时的纳秒激光发生器2发射出来的激光束3；在热喷涂前采用真空泵18抽出密封处理间8内的空气，使得热喷涂过程在真空环境内完成；活动窗口16置于密封处理间8右边，用来装夹金属基体15和所需物体的进出密封处理间8。热喷涂装置9将喷涂粉末10喷涂在金属基体15表面；

将柔性贴膜13粘附在待处理的金属基体15表面，纳秒激光发生器2能量在1-50焦尔、持续时间为8-30纳秒的激光脉冲，激光束3的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由计算机控制装置1调节和控制。由纳秒激光发生器2产生的激光束3通过导光管4和45°全反镜5改变激光束3的方向，通过光斑调节装置6精确控制光斑空间能量分布，经过K9玻璃窗7穿透自动喷涂系统11喷射的均匀水幕12和柔性贴膜13对金属基体15表面进行激光冲击处理。

计算机控制装置1控制热喷涂装置9、纳秒激光发生器2和五轴工作台17，通过控制五轴工作台17控制金属基体(15)移动，按区域分片加工，直到整个金属基体11目标表面加工完成。

实施实例：

以下为激光冲击与热喷涂复合制备涂层的实例，采用热喷涂装置在淬火的45钢表面喷涂NiCrBSiC(Ni60AA)粉末，成分为Cr-18.09，Si-4.84，Fe-15.63，B-3.6，C-0.6，Ni余量(wt.％)，喷涂的粉末为圆形颗粒。采用重复频率为0.5Hz的Nd：glass光斑直径为3mm，脉冲能量为15J，激光波长为1054nm，激光脉冲宽度为20ns的激光对金属基体进行冲击强化处理。

图2为激光冲击与热喷涂复合制备涂层与热喷涂涂层颗粒形貌比较图。(a)为热喷涂以后的涂层颗粒形貌；(b)为激光冲击与热喷涂复合制备涂层颗粒形貌。可以看出热喷涂以后的涂层颗粒直径大约为30um左右，激光冲击与热喷涂复合制备涂层颗粒直径大约为10-15um，明显细化。

图3为激光冲击与热喷涂复合制备涂层与热喷涂涂层表面残余应力比较图。图中1-4为热喷涂涂层表面残余应力值，5-8为激光冲击与热喷涂复合制备涂层表面残余应力值。从图中可以看出激光冲击前后表面残余应力分别是26.3MPa和-89.6MPa，表面残余应力发生质变，从拉应力转化为压应力。

图4为激光冲击强化前后截面残余应力的变化图，激光冲击前热喷涂涂层和截面都呈现拉应力状态，冲击以后热喷涂涂层和截面以及基体的表面都是压应力状态，明显改变了界面结合的应力状态。

激光冲击与热喷涂复合制备涂层能够使涂层的颗粒明显细化，使表面残余应力从拉应力转化为压应力，提高了涂层的耐磨性和机械性能。

Claims (5)

1.一种激光冲击与热喷涂复合制备涂层的方法，利用热喷涂装置喷涂粉末在金属基体表面形成涂层，其特征在于：采用纳秒激光穿透约束层，汽化吸收层，在金属表面形成等离子体膨胀，产生冲击波作为塑性变形的力源强化金属表面，形成低孔隙率、高结合强度和呈现压应力的涂层，具体为：

(1)根据金属基体(15)表层加工区域要求，通过计算机控制装置(1)编程生成加工轨迹，确定热喷涂的工艺参数；

(2)用真空泵(18)将密封处理间(8)空气排净，在真空状态下采用喷涂装置(9)在金属基体(15)表面喷涂粉末(10)形成均匀的涂层；

(3)计算机控制装置(1)控制热喷涂装置(9)和五轴工作台(17)，在喷涂过程中通过控制五轴工作台(17)控制金属基体(15)移动，按区域分片加工，直到整个金属基体(15)目标表面喷涂完成；

(4)将吸收层柔性贴膜(13)粘附在待处理的金属基体(15)表面，纳秒激光发生器(2)发射的激光束(3)通过导光管(4)和45°全反镜(5)利用光斑调节装置(6)控制激光束(3)光斑的空间能量分布，使得输出激光束(3)在空间上均匀分布；激光束(3)穿透K9玻璃窗(7)、自动喷涂系统(11)喷洒的约束层均匀水幕(12)以及柔性贴膜(13)辐射在金属基体(15)表面；

(5)计算机控制装置(1)控制纳秒激光发生器(2)和五轴工作台(17)，在激光冲击过程中通过控制五轴工作台(17)控制金属基体(15)移动，按区域分片加工，直到整个金属基体(15)目标表面冲击强化完成。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于：所述涂层为结构金属表面的1mm以下的金属涂层。

3.一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于：所述装置包括计算机控制装置(1)、热喷涂系统I和激光冲击系统II以及密封处理间(8)、夹具(14)、五轴工作台(17)和真空泵(18)；其中热喷涂系统I包括热喷涂装置(9)和喷涂粉末(10)；激光冲击系统II包括纳秒激光发生器(2)、导光管(4)、45°全反镜(5)、光斑调节装置(6)、K9玻璃窗(7)和自动喷涂系统(11)；夹具(14)、五轴工作台(17)、热喷涂装置(9)和自动喷涂系统(11)位于密封处理间(8)内；计算机控制装置(1)控制热喷涂装置(9)、纳秒激光发生器(2)、五轴工作台(17)和自动喷涂系统(11)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：密封处理间(8)设有活动窗口(16)。

5.根据权利要求3所述的装置，特征在于：所述的K9玻璃窗(7)位于密封处理间(8)的进激光束(3)的一侧，用来穿透激光冲击时的纳秒激光发生器(2)发射出来的激光束(3)。

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