CN109136907B - 超音速冷喷涂装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超音速冷喷涂装置和方法，该装置包括：运动控制系统、在所述运动控制系统上依次排布的激光源、温度检测机构、超音速冷喷枪和还原性气体喷枪，其中，所述激光源的激光束投射在基板上形成的光斑区域、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪在基板上形成的还原区域的中心处于同一直线上。该方法通过在还原性气氛中，使用激光束将基板加热到奥体式温度区间之后，再进行粉末喷涂，使得喷涂涂层与基板之间的结合力增强，涂层内氧化物少，延伸率高，并且粉末与基板产生固溶体结合，机械性能优异。

Description

超音速冷喷涂装置和方法

技术领域

本发明涉及冷喷涂技术领域，特别涉及一种超音速冷喷涂装置和方法。

背景技术

超音速冷喷涂技术是以高压压缩气体为动力，使粉末颗粒高速撞击基板材料表面，喷涂颗粒在材料表面发生强烈塑性变形而发生粘接，在基板材料表面形成涂层。但冷喷涂的机械性能一直不高，特别是延伸率问题。这主要的问题在于冷喷涂涂层里面氧化物较多引起的。目前为解决氧化问题，冷喷涂主要是在冷喷涂气枪中通入惰性气体，如氩气、氦气等，防止冷喷涂过程中的氧化。但合金粉末由于生产工艺以及运输保存过程等问题，合金粉末表面存在一层氧化层。合金粉末本身存在的氧化层会导致在冷喷涂涂层中存在大量的氧化物，导致冷喷涂涂层机械性能下降，延伸率降低。

发明内容

本发明提供一种超音速冷喷涂装置和方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超音速冷喷涂装置，包括：运动控制系统、在所述运动控制系统上依次排布的激光源、温度检测机构、超音速冷喷枪和还原性气体喷枪，其中，所述激光源的激光束投射在基板上形成的光斑区域、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪在基板上形成的还原区域的中心处于同一直线上。

作为优选，所述激光源、超音速冷喷枪、温度检测机构和还原性气体喷枪由运动控制系统带动同步运动。

作为优选，所述激光束直径、超音速冷喷枪直径以及还原性气体喷枪直径的比值为1:1:1～5:1:5。

本发明还提供一种超音速冷喷涂方法，在还原性气氛中，使用激光束将基板加热到奥体式温度区间之后，再进行粉末喷涂。

本发明还提供一种超音速冷喷涂方法，包括：根据基板的尺寸规格和类型确定喷涂路径；调整激光管、温度检测机构、超音速冷喷枪和还原性气体喷枪在运动控制系统上的位置，使激光源发出的激光束投射在基板上形成的光斑区域、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪在基板上形成的还原区域的中心处于同一直线上，并使所述温度检测机构发出的探测光斑位于光斑区域；激光源发出激光束加热基板，温度检测机构检测加热部分的基板温度并反馈至所述激光源的控制系统，所述激光源的控制系统实时调节激光源的功率；待基板的被加热部位达到奥氏体温度区间后，超音速冷喷枪对被加热部位进行喷涂，以形成喷涂涂层；同时，还原性气体喷枪向所述喷涂涂层喷送还原性气体，以去除喷涂涂层中的氧化物；接着，运动控制系统带动所述激光源、超音速冷喷枪、温度检测机构和还原性气体喷枪按照预设的喷涂路径移动，完成喷涂工作。

作为优选，采用氢气、一氧化碳、氨气或者氢气与惰性气体的混合气作为还原性气体。

作为优选，所述喷涂涂层的温度范围为400℃-700℃。

作为优选，所述激光束对基板加热的温度范围为300℃-1200℃。

作为优选，所述激光束对基板加热的温度范围为800℃-1100℃。

作为优选，在加热基板之前，先使用喷砂工艺取出基板表面的氧化层

作为优选，所述激光束在基板上投射的光斑区域与超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域的搭接处、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域与还原性气体喷枪在基板上形成的还原区域的搭接处，距离为±0.5mm。

与现有技术相比，本发明的超音速冷喷涂装置和方法，该装置包括：运动控制系统、在所述运动控制系统上依次排布的激光源、温度检测机构、超音速冷喷枪和还原性气体喷枪，其中，所述激光源的激光束投射在基板上形成的光斑区域、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪在基板上形成的还原区域的中心处于同一直线上。本发明通过激光将冲压零件局部部位加热到奥氏体温度范围内，奥氏体晶格间距较大，同时通过高速高压的合金粉末撞击击体，瞬间压力可达Gpa等级，可将大的晶粒粉碎成细小的晶粒，喷涂合金容易与基材形成细小的强化相，增强涂层与基材的结合力同时增加涂层的机械性能。同时通过精确控制激光的加热温度，使还原气体还原的基板温度控制在高温，增加涂层氧化物的还原效率。经过本发明制备的涂层内氧化物少，延伸率高，并且粉末与基板产生固溶体结合，机械性能优异。

附图说明

图1为本发明的超音速冷喷涂装置的结构简图；

图2为本发明的超音速冷喷涂方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明提供一种超音速冷喷涂装置，包括：运动控制系统(图中未示出)、在所述运动控制系统上依次排布的激光源1、温度检测机构2、超音速冷喷枪3和还原性气体喷枪4，其中，所述激光源1的激光束投射在基板5上形成的光斑区域、超音速冷喷枪3在基板5上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪4在基板5上形成的还原区域的中心处于同一直线上，由于该光斑区域、喷涂区域以及还原区域都为圆形，故各圆的圆心共线。进一步的，所述激光源1、超音速冷喷枪3、温度检测机构2和还原性气体喷枪4由运动控制系统带动同步运动，从而可以对基板5进行连续的加热、速冷喷涂和氧化层还原的操作。

作为优选，所述激光束直径、超音速冷喷枪3直径以及还原性气体喷枪4直径的比值为1:1:1～5:1:5，即激光束的加热部分即光斑区域和还原区域，需要大于或者等于超音速冷喷枪3形成的喷涂区域，如此可以确保喷涂效果。

通常，所述温度检测机构2采用红外温度探测器，其发出的红外温度探点处于光斑区域中，并与光斑区域的中心共线，确保可以实时检测激光束照射的基板5处的温度，并反馈给激光源1，从而调节激光源1的功率，确保基板5的温度保持在固定区间范围内。

继续参照图1，本发明还提供一种超音速冷喷涂方法，具体操作方式为：在还原性气氛中，使用激光束将基板5加热到奥体式温度区间之后，再进行粉末喷涂。具体地，加热基板5后，基板5局部温度变高，硬度降低，特别是当温度在奥氏体温度区间范围内，塑性最高，当高速的金属粉末撞击在奥氏体上会产生固溶强化，增加涂层的力学性能，使得涂层与基板结合力增强，而在还原性气氛中完成上述加热喷涂操作，可以还原涂层中氧化物。故通过上述方法制备的冷喷涂层，涂层内氧化物少，延伸率高，并且粉末与基板产生固溶体结合，机械性能优异。

请继续参照图2，本发明还提供一种超音速冷喷涂方法，包括：

调节所述运动控制系统上的激光源1、温度检测机构2、超音速冷喷枪3和还原性气体喷枪4，使激光源发出的激光束投射在基板5上形成的光斑区域、超音速冷喷枪3在基板5上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪4在基板5上形成的还原区域的中心处于同一直线上。

接着，激光源1发出激光束加热基板5，温度检测机构2检测加热部分的基板5温度，确保被加热的基板5的温度处于奥氏体温度区间范围内，通常为300℃-1200℃，优选为800℃-1100℃。

接着，超音速冷喷枪3在基板5的被加热部位进行喷涂形成喷涂涂层，同时使用还原性气体喷枪4对喷涂涂层进行还原去氧，去除喷涂涂层中的氧化物；待该区域喷涂完成后，运动控制系统带动所述激光源1、超音速冷喷枪3、温度检测机构2和还原性气体喷枪4按照设定的路线移动，完成喷涂工作。具体地，通过对所述运动控制系统编程，可以设定其移动速度、移动方向和移动路线，从而确保喷涂工作可以顺利完成。

作为优选，采用氢气、一氧化碳、氨气或者氢气与惰性气体的混合气作为还原性气体，去除喷涂涂层中的氧化物，特别是当喷涂涂层的温度在400℃-700℃时，还原反应效率更高。

作为优选，所述激光束在基板5上投射的光斑区域与超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域的搭接处、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域与还原性气体喷枪4在基板5上形成的还原区域的搭接处，距离为±0.5mm，即所述光斑区域、喷涂区域和还原区域之间依次紧密排列，相邻区域的边缘距离仅为±0.5mm，确保基板5可以加热在加热后可以快速的进行速冷操作与还原。

由此可知，本发明的超音速冷喷涂装置和方法，该装置包括：运动控制系统、在所述运动控制系统上依次排布的激光源1、温度检测机构2、超音速冷喷枪3和还原性气体喷枪4，其中，所述激光源1的激光束投射在基板5上形成的光斑区域、超音速冷喷枪3在基板5上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪4在基板5上形成的还原区域的中心处于同一直线上。该方法通过在还原性气氛中，使用激光束将基板5加热到奥体式温度区间之后，再进行粉末喷涂，使得喷涂涂层与基板5之间的结合力增强，涂层内氧化物少，延伸率高，并且粉末与基板5产生固溶体结合，机械性能优异。

下面通过实施例，详细说明本发明：

1、实施例1

选择Q235D基板，选择平均类径为30um的Q235合金为喷涂材料，先用喷砂工艺去除Q235D基板上的氧化皮，启动激光源1，用激光束加热基板5的指定区域，通过红外温度探测器反馈激光加热区域的温度，达到1000℃后，反馈给激光源1，随后运动控制系统控制激光源1、超音速冷喷枪3、还原气体喷枪4进行同步运动。其中，超音速冷喷枪3的移运速度120mm/s，超音速冷喷枪3的气体压力为5Mpa，还原气体喷枪4的气体压力为0.2Mpa，还原气体喷涂处的基板5的温度在650℃。超音速冷喷枪3喷涂在基板5上形成的喷涂区域的直径为6mm，激光束形成的光斑直径为8mm，还原区域的直径为8mm，喷涂涂层的厚度为0.2mm。

实施例2：

选择H13基板，选择平均类径为30um的Co42为喷涂材料，先用喷砂工艺去除H13基板上的氧化皮，启动激光源1，用激光束加热基板5的指定区域，通过红外温度探测器反馈激光加热区域的温度，达到950℃后，反馈给激光源1，随后运动控制系统控制激光源1、超音速冷喷枪3、还原气体喷枪4进行同步运动。其中，超音速冷喷枪3的移运速度150mm/s，超音速冷喷枪3的气体压力为4Mpa，还原气体喷枪4的气体压力为0.3Mpa，还原气体喷涂处的基板5的温度在600℃。超音速冷喷枪3喷涂在基板5上形成的喷涂区域的直径为8mm，激光束形成的光斑直径为10mm，还原区域的直径为10mm，喷涂涂层的厚度为0.2mm。

实施例3：

通过3D分层软件对汽车B柱进行分层，每层厚度0.05mm，共需喷涂24层，总厚1.2mm。接着，选择平均类径为50um的H13为喷涂材料，先用喷砂工艺去除汽车B柱上的氧化皮，启动激光源1，用激光束加热汽车B柱的指定区域，待温度达到890℃后，反馈给激光源1，随后运动控制系统控制激光源1、超音速冷喷枪3和还原气体喷枪4进行同步运动。其中，超音速冷喷枪3的移运速度200mm/s，超音速冷喷枪3的气体压力为3.5Mpa，还原气体喷枪4的气体压力为0.4Mpa，还原气体喷涂处的基板5的温度在700℃。超音速冷喷枪3喷涂在基板5上形成的喷涂区域的直径为6mm，激光束形成的光斑直径为8mm，还原区域的直径为8mm，喷涂涂层的厚度为0.2mm。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种超音速冷喷涂装置，其特征在于，包括：运动控制系统、在所述运动控制系统上依次排布的激光源、温度检测机构、超音速冷喷枪和还原性气体喷枪，其中，所述激光源的激光束投射在基板上形成的光斑区域、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪在基板上形成的还原区域的中心处于同一直线上；

该超音速冷喷涂装置采用以下超音速冷喷涂方法，根据基板的尺寸规格和类型确定喷涂路径；调整激光管、温度检测机构、超音速冷喷枪和还原性气体喷枪在运动控制系统上的位置，使激光源发出的激光束投射在基板上形成的光斑区域、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域以及还原性气体喷枪在基板上形成的还原区域的中心处于同一直线上，并使所述温度检测机构发出的探测光斑位于光斑区域；激光源发出激光束加热基板，温度检测机构检测加热部分的基板温度并反馈至所述激光源的控制系统，所述激光源的控制系统实时调节激光源的功率；待基板的被加热部位达到奥氏体温度区间后，超音速冷喷枪对被加热部位进行喷涂，以形成喷涂涂层；同时，还原性气体喷枪向所述喷涂涂层喷送还原性气体，以去除喷涂涂层中的氧化物，所述还原性气体喷枪的气体压力为0.2Mpa、0.3Mpa或0.4Mpa；接着，运动控制系统带动所述激光源、超音速冷喷枪、温度检测机构和还原性气体喷枪按照预设的喷涂路径移动，完成喷涂工作；

所述还原性气体采用氢气、一氧化碳、氨气或者氢气与惰性气体的混合气，被还原性气体喷送处的所述喷涂涂层的温度范围为400℃-700℃，所述激光束对基板加热的温度范围为800℃-1100℃，在加热基板之前，先使用喷砂工艺去除基板表面的氧化层；

所述激光束在基板上投射的光斑区域与超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域的搭接处、超音速冷喷枪在基板上形成的喷涂区域与还原性气体喷枪在基板上形成的还原区域的搭接处，距离为±0.5mm；

在上述过程中，通过激光源加热到奥氏体温度范围内，奥氏体晶格间距较大，同时通过高速高压的合金粉末撞击基体，瞬间压力可达Gpa等级，可将大的晶粒粉碎成细小的晶粒，喷涂合金容易与基材形成细小的强化相，增强涂层与基材的结合力同时增加涂层的机械性能。

2.如权利要求1所述的超音速冷喷涂装置，其特征在于，所述激光源、超音速冷喷枪、温度检测机构和还原性气体喷枪由运动控制系统带动同步运动。

3.如权利要求1所述的超音速冷喷涂装置，其特征在于，所述激光束直径、超音速冷喷枪直径以及还原性气体喷枪直径的比值为1:1:1～5:1:5。

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