CN106283030A - 一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法 - Google Patents

Abstract

一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，包括以下步骤：将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的保护气输送管的载气参数；调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；根据喷涂要求确定激光束的光斑能量分布，并利用设定好的激光束照射经拉瓦尔喷嘴喷射出的粉末，使得经激光照射的粉末逐层沉积在基体表面的沉积区，获得符合要求的基体。本发明具有的有益技术效果是：可选择性地对沉积区域的粉末颗粒进行有效沉积；通过激光加热对喷涂颗粒的软化处理，提高了颗粒间的结合强度；通过调控激光光斑能量的分布，能够调控沉积区域颗粒的沉积效率。

Description

一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法

技术领域

本发明涉及一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法。

背景技术

快速制造(Rapid Manufacturing,RM)是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是基于零件分层方法的无模制造技术，它将传统的由毛坯切去多余材料形成零件的减材制造法转变为将材料逐层累积形成零件的增材制造法。随着激光技术的快速发展，立体快速成型的材料不再局限于树脂和塑料等高分子材料，而是通过激光熔覆或激光烧结等方式对金属粉末材料直接进行快速成型，如激光近净成形技术、选择性激光烧结和直接金属沉积。这些技术能够极大地缩短生产周期，在复杂形状的金属零部件制造领域表现出极大的优势。但是，在逐层制造的过程中，金属粉末需高温熔融然后凝固成型。由于高热量的输入，会使制造层中存在较大的残余热应力和残余相变应力，导致成型件出现气孔、裂纹以及形变等，成型质量和精度控制难。

冷喷涂亦称冷气体动力学喷涂(Cold Gas Dynamic Spray,CGDS)，它是以压缩气体(氦气、氮气、空气或混合气体等)为加速介质，携带固态颗粒进入拉瓦尔喷嘴(Lavalnozzle)内产生超音速气-固两相流，固态颗粒经过加速后以极高的速度(大于等于其临界沉积速度)碰撞基体表面，使颗粒发生强烈的塑性变形而在基体上沉积形成涂层的一种新型喷涂技术。与激光快速成型相比，冷喷涂技术的一个显著特点是无需将喷涂颗粒加热至熔融状态，喷涂过程中颗粒不易发生氧化、烧损、相变、晶粒长大等现象。因此冷喷涂涂层的化学成分以及显微组织结构可与原材料保持一致，尤其适用于温度敏感材料(如纳米材料、非晶材料等)、易氧化材料(如铝、铜、钛等)和易相变材料(如碳基复合材料等)的增材制造。

虽然冷喷涂在保持涂层材料原始成分、减少热影响等方面具有其独特的优势，但是单纯的冷喷涂技术尚存在以下缺点：(1)制备高质量的沉积层时，需要使用高压氦气，成本较高；(2)颗粒有效沉积很大程度上依赖于沉积材料的塑性变形能力，沉积材料的范围有限；3)沉积材料之间的结合机制主要是机械咬合，沉积层内部以及沉积层之间结合强度较低。

为了拓宽了冷喷涂沉积材料的范围、提高各层之间的结合力以及降低冷喷涂技术的使用成本，近些年来人们开始把激光束同步引入冷喷涂加工过程，通过激光辐射对冷喷涂颗粒、基体或者两者同时起到软化的效果，改善其材料力学性能和碰撞沉积状态，从而提高冷喷沉积效率、致密度和结合强度。由于激光的加热作用，喷涂颗粒的临界沉积速度大大降低，从而可以降低冷喷涂工艺中的工作气体压力和加热温度，而且拓宽了冷喷涂涂层的材料范围。

在冷喷涂过程中，拉瓦尔喷嘴喉部形状一定时，颗粒的速率分布规律是固定的，即靠近喷嘴轴线附近的颗粒速率大，靠近喷嘴内壁的颗粒速率小，从而导致喷嘴轴线附近的颗粒沉积效率高，靠近喷嘴内壁的颗粒沉积效率低。这种沉积效率的差异会导致单一冷喷涂沉积层的形貌呈现类三角形，且随着逐层累加，沉积层中部和两边的沉积效率差异会更明显，沉积层的宽度越来越窄，最终无法沉积，从而限制了立体成型件的成型尺寸以及质量等。

因此，需要开发一种易于操作、简单可控以及成本低廉的对冷喷涂立体成型过程中形貌控制并同时提高沉积层结合强度的可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法。

发明内容

针对冷喷涂立体成型过程中由于固有的沉积效率差异导致的沉积形貌问题，本发明的提供了一种简单、可靠且易于推广应用的对冷喷涂立体成型过程中形貌的可实时控制并提高层间结合强度的方法。

本发明所述的一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，包括以下步骤：

1)将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的的载气参数，所述的喷涂参数包括喷涂压力、喷涂角度、喷涂距离、粉末加速速度以及粉末颗粒粒径；所述的载气参数包括载气种类和气体预热温度；所述的喷涂角度为喷枪轴线与基板之间的夹角；所述的喷涂距离为拉瓦尔喷嘴出粉口与待喷涂的基体喷涂点之间的距离；所述的拉瓦尔喷嘴的喷涂压力为1.5～3.5MPa，粉末颗粒粒径为5～50μm，粉末加速速度为300～1200m/s，喷涂距离为5～30mm，喷涂角度为80～90°；所述的载气的气体预热温度为100～600℃

2)调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；

3)根据待喷涂的成型件的形貌确定激光束的光斑能量分布，并利用设定好的激光束照射经拉瓦尔喷嘴喷射出的粉末，使得经激光照射的粉末逐层沉积在基体表面的沉积区，获得符合要求的基体；其中所述的激光束的光斑能量符合高斯分布、偏态分布、鞍形分布或均匀分布

所述的激光光斑能量分布呈高斯分布、偏态分布或鞍形分布时，光斑直径大于或等于粉斑；激光光斑能量分布呈均匀分布时，光斑直径小于粉斑直径。

所述的拉瓦尔喷嘴中的喷涂载气气为N₂、He或压缩空气。

步骤2)中的激光束的中心轴与拉瓦尔喷嘴的中心轴的夹角为10～50°。

拉瓦尔喷嘴的喉部的形状为圆形、矩形或椭圆形。

用于沉积的粉末材料为Cu、Al、金属钛及其合金、铁基材料、钴基材料、镍基材料或者复合材料。

本发明具有的有益技术效果是：1)可选择性地对沉积区域的粉末颗粒进行有效沉积；2)通过激光加热对喷涂颗粒的软化处理，提高了颗粒间的结合强度，进而提高了层间的结合强度；3)通过调控激光光斑能量的分布，能够调控沉积区域颗粒的沉积效率，从而实现对沉积层沉积形貌的控制。

附图说明

图1呈高斯分布的激光光斑能量与喉部形状为圆形的冷喷涂喷嘴匹配示意图(图中：101喷嘴A-A处圆形喉部截面；102拉瓦尔喷嘴；103沉积粉末颗粒；104基体；105沉积形貌；106能量呈高斯分布的激光束；107圆形喉部喷嘴中颗粒速度分布示意图)；

图2呈偏态分布激光光斑能量与喉部形状为圆形的冷喷涂喷嘴匹配示意图(图中：108能量呈偏态分布的激光束)；

图3呈鞍形分布激光光斑能量与喉部形状为椭圆形的冷喷涂喷嘴匹配示意图(图中：109喷嘴B-B处椭圆形喉部截面；110椭圆形喉部喷嘴中颗粒速度分布示意图；111能量呈鞍型分布的激光束)；

图4呈均匀分布激光光斑能量与喉部形状为椭圆形的冷喷涂喷嘴匹配示意图(图中：112能量呈均匀分布的激光束)。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1包括以下步骤：

1)将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的的载气参数，所述的喷涂参数包括输送载气种类、喷涂压力、喷涂角度、喷涂距离、粉末加速速度以及粉末颗粒粒径；所述的载气参数包括载气种类和气体预热温度；所述的喷涂角度为喷枪轴线与基板之间的夹角；所述的喷涂距离为拉瓦尔喷嘴出粉口与待喷涂的基体喷涂点之间的距离；所述的拉瓦尔喷嘴的喷涂压力为3.5MPa，粉末颗粒粒径为15～30μm，粉末加速速度为600～1000m/s，喷涂距离为30mm，喷涂角度为90°；所述的载气的气体预热温度为450℃；所述的拉瓦尔喷嘴中的喷涂载气气为N₂、He或压缩空气；气体指的是喷涂时所用的载气，即加速颗粒的气体。预热温度即为载气加速颗粒时的预热温度；

2)调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；激光束的中心轴与拉瓦尔喷嘴的中心轴的夹角为10～50°；

3)根据待喷涂的成型件的形貌确定激光束的光斑能量分布，并利用设定好的激光束照射经拉瓦尔喷嘴喷射出的粉末，使得经激光照射的粉末逐层沉积在基体表面的沉积区，获得符合要求的基体；其中所述的激光束的光斑能量符合高斯分布、偏态分布、鞍形分布或均匀分布；需要成型薄壁件，可以选择激光能量均匀分布；需要成型三角体型件，可以选择激光能量高斯分布；需要成型梯形件，可以选择不均匀分布；需要成型厚壁件，可以选择激光能量鞍型分布；

所述的激光光斑能量分布呈高斯分布、偏态分布或鞍形分布时，光斑直径大于或等于粉斑；激光光斑能量分布呈均匀分布时，光斑直径小于粉斑直径。

拉瓦尔喷嘴的喉部的形状为圆形、矩形或椭圆形。

用于沉积的粉末材料为Cu、Al、金属钛及其合金、铁基材料、钴基材料、镍基材料或者复合材料。

实施例2

本实例中，激光束1光斑能量呈高斯分布，即光斑中心的能量分布高，边缘的能量分布低。拉瓦尔喷嘴2喉部的形状如图1中的A-A截面所示，为圆形。对喷嘴中的颗粒速度进行模拟，由模拟的结果可知，分布在拉瓦尔喷嘴中轴线附近的颗粒速度较高，靠近喷嘴壁的颗粒速度较低。那么在喷嘴中心超过临界沉积速度的颗粒就多，在该处能够进行有效沉积的颗粒就多，沉积效率就高。处于边缘的颗粒能够超过临界沉积速度的数量就少，那么该处的沉积效率就低。通过同步引入激光辐照，且激光光斑直径大于粉斑直径，所以可对沉积区域内所有的颗粒进行加热软化处理从而降低临界沉积速度从而能够极大提高粉末的沉积效率和结合强度。由于分布在激光光斑中心的能量高，对基体3的沉积区域中心颗粒加热软化程度也就越高，使得中心的粉末沉积效率进一步提高，呈现出中间高两边低的三角形截面单层形貌，沉积效率可以通过单层沉积层的厚度进行表征。而激光辐照可以显著提高基体与沉积层之间的结合强度，那么在多层沉积的过程中，也必将提高各层间的结合强度。

实施例2

本实例中，激光光斑直径大于或等于粉斑直径。激光光斑能量呈偏态分布，即光斑边缘的一侧能量分布高，另一侧的能量分布低。拉瓦尔喷嘴喉部的形状如图2中的A-A截面所示，为圆形。喷嘴中颗粒的速率分布与实施实例1中相同。由于激光光斑一侧的能量高，对于处于该侧喷嘴壁的颗粒加热软化程度高于另一侧，从而使该处颗粒的临界沉积速度低于另一侧。那么该处能够得到有效沉积的颗粒数量就会增多。位于喷嘴轴线附近的颗粒速度高，超过临界沉积速度的颗粒也就多，沉积效率就较高。位于喷嘴内壁附近的颗粒虽然速度低，但是经过激光辐照的热软化处理以后，沉积效率与轴线上颗粒的沉积效率接近。呈现出一边高一边低的梯形截面单层形貌，从而实现对单层形貌的调控。

实施例3

本实例中，激光光斑直径大于或等于粉斑直径。激光光斑能量呈鞍形分布，即光斑四周边缘的能量分布高，中心的能量分布低。拉瓦尔喷嘴喉部的形状如图3中的B-B截面所示，为椭圆形。对喷嘴中的颗粒速度进行模拟，由模拟的结果可知，分布在拉瓦尔喷嘴中轴线附近的颗粒速度高，靠近喷嘴内壁的颗粒速度低。但是，相比于实例1中的速度分布，喉部形状为椭圆形的喷嘴中心颗粒的速度与边缘颗粒的速度相差更小，颗粒速度分布更均匀。由于分布在四周边缘的激光光斑能量高于中心位置，那么位于喷嘴内壁四周的颗粒得到激光辐照热软化处理的程度就会高于中心部位的颗粒，从而使边缘颗粒的临界沉积速度降低程度高于中心部位。这也就导致原本速率较低的边缘颗粒的沉积效率与速率较高的中心颗粒的沉积效率接近。呈现出中心与两边高度几乎一致的类矩形截面单层形貌，从而实现对单层形貌的调控。

实施例4

本实例中，激光光斑小于粉斑直径。激光光斑能量呈均匀分布，即光斑内处处能量分布都相等。拉瓦尔喷嘴喉部的形状如图4中的B-B截面所示，为椭圆形。喷嘴中颗粒的速率分布与实施实例3中相同。激光辐照的区域为喷嘴轴线附近颗粒速度几乎相等的沉积区域。在辐照区域内，经过加热软化的颗粒具有更低的临界沉积速度，沉积效率高。而位于边缘的颗粒速度低，达到临界沉积速度的颗粒很少，且没有激光辐照，所以沉积效率极低，甚至是不发生有效沉积。这就使得在激光辐照的区域内并且达到临界沉积速度的颗粒才能发生有效沉积。呈现出中心与两边高度几乎一致的矩形截面单层形貌，但是宽度更窄，能有选择性地对粉斑内的颗粒进行沉积，从而实现对单层形貌的调控。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，包括以下步骤：

1)将拉瓦尔喷嘴对准基体待沉积的位置，设定好拉瓦尔喷嘴的喷涂参数以及与拉瓦尔喷嘴对应的载气参数，所述的喷涂参数包括喷涂压力、喷涂角度、喷涂距离、粉末加速速度以及粉末颗粒粒径；所述的载气参数包括载气种类以及气体预热温度；所述的喷涂角度为喷枪轴线与基板之间的夹角；所述的喷涂距离为拉瓦尔喷嘴出粉口与待喷涂的基体喷涂点之间的距离；所述的拉瓦尔喷嘴的喷涂压力为1.5～3.5MPa，粉末颗粒粒径为5～50μm，粉末加速速度为300～1200m/s，喷涂距离为5～30mm，喷涂角度为80～90°；所述的载气的气体预热温度为100～600℃；

2)调整激光束以及拉瓦尔喷嘴的角度，使得激光束的光斑与拉瓦尔喷嘴的粉斑交汇形成用于喷涂点；

3)根据待喷涂的成型件的形貌确定激光束的光斑能量分布，并利用设定好的激光束照射经拉瓦尔喷嘴喷射出的粉末，使得经激光照射的粉末逐层沉积在基体表面的沉积区，获得符合要求的基体；其中所述的激光束的光斑能量符合高斯分布、偏态分布、鞍形分布或均匀分布。

2.如权利要求1所述的一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，其特征在于：所述的激光光斑能量分布呈高斯分布、偏态分布或鞍形分布时，光斑直径大于或等于粉斑；激光光斑能量分布呈均匀分布时，光斑直径小于粉斑直径。

3.如权利要求1所述的一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，其特征在于：所述的保护器输送管内的保护气为N₂、He或压缩空气。

4.如权利要求1所述的一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，其特征在于：步骤2)中的激光束的中心轴与拉瓦尔喷嘴的中心轴的夹角为10～50°。

5.如权利要求4所述的一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，其特征在于：拉瓦尔喷嘴的喉部的形状为圆形、矩形或椭圆形。

6.如权利要求1所述的一种可控激光光斑能量分布的冷喷涂方法，其特征在于：用于沉积的粉末材料为Cu、Al、金属钛及其合金、铁基材料、钴基材料、镍基材料或者复合材料。