CN109837497B - 一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，包括：入射的一束或多束激光经光学变换在基体表面附近汇聚成一个或多个聚焦光斑；喷涂材料输入到激光束中空区域内传送并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流喷向基体表面；粒子射流与同轴的聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面吸收部分激光能量被加热至软化但未全熔化；大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现沉积。上述过程中，粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面持续移动，喷涂粒子不断沉积叠加形成涂层。本发明通过一系列光学变换，将入射激光束变换汇聚成环形或类环形微小聚焦光斑，实现了中心同轴送粉的超音速激光喷涂目的。

Description

一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法

技术领域

本发明涉及一种适用于激光热喷涂及激光增材制造的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，属于激光喷涂技术领域。

背景技术

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至全熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。按照加热喷涂材料的热源种类，目前出现的热喷涂技术可分为：①火焰类，包括普通火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、温喷涂；②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；③电热法，包括电爆喷涂(也称电磁加速等离子喷涂)、感应加热喷涂、电容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。影响热喷涂质量的关键因素包括喷涂粒子沉积时的速度和温度。

除了激光喷涂之外，以上所有热喷涂技术都有一个共同的特点：喷涂材料在到达待喷涂基体表面附近之前就已被加热至全熔化或半熔化状态，或者说，所有粉末热喷涂技术中的喷涂粒子在被气流(或爆炸波、电磁力)加速的同时被气体焰流加热，所有丝材热喷涂技术中形成的喷涂粒子在被加速之前就已达全熔化状态，即喷涂粒子的受热过程是同步于或先于加速过程。唯有激光喷涂技术中的喷涂粒子受热过程大都是在加速过程之后，即先将喷涂粉末材料加速，然后在粉末到达基体表面附近时才通过激光将其加热。这样设计的原因在于，喷涂粒子的受热过程同步于或先于加速过程会带来不利影响：①喷涂粒子在飞行过程中发生氧化；②大多数加热和加速所需要的气体焰流(包括燃烧焰流、等离子射流及电热的气体射流)载有大量的热，这些热量只有少部分被传导至喷涂材料或基体上，大部分作为冗余的热量被耗散掉，且可能会造成喷涂层过热或喷涂生产效率不高等不利后果。但将喷涂粒子的受热过程后置于加速过程的话，激光喷涂技术则不存在上述影响。

激光喷涂技术起步较晚，一方面是由于上世纪60年代人类才成功的制造出世界上第一台激光器，并且高能激光加工技术在近二十年才被广泛应用，另一方面，由于激光喷涂与激光熔覆的工艺非常接近，且激光熔覆技术实现起来相对容易且熔覆层质量非常高，以至于激光熔覆技术得到了高速发展而间接忽略了激光喷涂技术的研究和应用。

激光熔覆与激光喷涂二者的根本区别在于基体表面是否形成熔池或微熔池。激光熔覆是通过激光加热待沉积基体表面至熔化态形成熔池或微熔池，同时激光的部分能量也加热熔覆粉末或丝材，熔覆粉末在到达熔池前可以是熔化态，也可以是未熔化态。当熔覆粉末是未熔化态时，熔覆粉末到达熔池之后可以通过热传导将熔池的高温传至熔覆粉末使其完全或部分熔化，最终形成牢固冶金结合的熔覆层，激光熔覆所用气体的目的主要是输送粉末和减小熔池氧化。而激光喷涂则是将激光能量主要用于喷涂粉末，使其达到全熔化态或半熔化态，基体表面吸收激光能量后则不能被全熔化，同时喷涂粉末被气流加速推动而具备一定的速度，并与基体发生碰撞和扁平化沉积而形成涂层。由于激光喷涂与激光熔覆的区别非常微小，许多加工设备只需稍微改变工艺参数就可实现二者的转换，甚至导致有人将二者混为一谈。

然而，激光喷涂具有常规激光熔覆所不具备的技术优势，例如：①沉积所用冗余热量少，因为喷涂不需要基体熔化或形成熔池就可发生可靠沉积，这样沉积同样质量的材料所需吸收激光能量大大降低，从而可以使沉积效率得到几十甚至上百倍的提高；②由于激光喷涂没有形成熔池，使得涂层表面没有明显的搭接区而变得非常平整，所需加工余量低、成形尺寸更精确；③由于加工相同尺寸零件所需的激光能量比激光熔覆技术大大降低，且加工尺寸精度提高，使得激光喷涂无论是在大面积薄涂层制备表面工程领域，还是在激光沉积增材制造领域都具有广阔的发展潜力。

早期激光喷涂技术的激光束相对喷涂射流几乎都是侧向布置(侧向非同轴送粉)，这样严重限制了喷枪移动的方向，激光光斑和粉末沉积斑点也很难完全重合，且导致粉末飞溅严重、工艺均匀性差，致使涂层质量总体上不如熔覆层高，严重滞后了激光喷涂技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其通过一系列光学变换，将入射激光束变换汇聚成环形或类环形微小聚焦光斑，实现了超音速中心同轴送粉，达到了超音速激光喷涂目的，喷涂效率高，涂层质量好。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：

1)入射的一束或多束激光经光学变换后在基体表面附近汇聚成一个聚焦光斑或同轴的多个聚焦光斑，其中，聚焦光斑为环形或类环形；

2)喷涂材料输入到激光束的中空区域内传送，并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流向基体表面喷射；

3)粒子射流与同轴的聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面的待沉积区域吸收部分激光能量也被加热至软化但未全熔化；

4)大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现液相或固相沉积；

其中：在执行1)-4)时，令粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，从而喷涂粒子在基体表面不断沉积叠加形成涂层。

本发明的优点是：

本发明通过一系列光学变换，将入射激光束变换汇聚成微小聚焦光斑，实现了中心同轴送粉，聚焦光斑和粒子射流完全同轴，达到了超音速激光喷涂目的，减小了粉末飞溅，工艺均匀性好。

附图说明

图1是本发明中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法的实施流程图。

图2是本发明实施例1的光路说明图。

图3是图2中的截面A1处的光斑示意图。

图4是图2中的截面A2处的光斑示意图。

图5是本发明实施例2的光路说明图。

图6是图5中的截面B1处的光斑示意图。

图7是图5中的截面B2处的光斑示意图。

图8是图5中的截面B3处的光斑示意图。

图9是图5中的截面B4处的光斑示意图。

图10是本发明实施例3的光路说明图。

图11是本发明实施例4的光路说明图。

图12是本发明实施例5的光路说明图。

图13是从图12仰视看去，本发明实施例5的光路说明图。

具体实施方式

如图1至图13所示，本发明中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法包括步骤：

1)入射的一束或多束激光经光学变换后在基体表面附近汇聚成一个聚焦光斑或同轴分布的多个聚焦光斑，其中：聚焦光斑为环形或类环形光斑；

2)喷涂材料输入到激光束的中空区域内传送，并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流向基体表面喷射，粒子射流与聚焦光斑同轴；

3)粒子射流与聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面的待沉积区域吸收部分激光能量也被加热至软化但未全熔化；

4)大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现液相或固相沉积；

其中：在执行1)-4)时，令粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，从而喷涂粒子在基体表面不断沉积叠加形成涂层。

激光束的数量和聚焦光斑的数量可根据实际需求来设计，下面示例性地列出了几种汇聚方式：

第一种汇聚方式：若干束激光的每束激光各自通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近共同汇聚成一个类环形聚焦光斑(此时的聚焦光斑也称为聚集光斑)，如图10所示，其中，各束激光以中心轴L’周向均匀倾斜分布。

第二种汇聚方式：一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，如图2、图5所示，在基体表面附近汇聚成一个环形聚焦光斑。

第三种汇聚方式：一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成多个环形聚焦光斑，如图11所示，其中，各聚焦光斑分离地同轴分布。

第四种汇聚方式：若干束激光(两束或两束以上激光，优选两束激光)的每束激光各自通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成多个环形聚焦光斑，如图12所示，其中，各聚焦光斑分离地同轴分布。

对于第二、第三、第四种汇聚方式，在汇聚成聚焦光斑之前，入射的激光经光学变换形成互相之间具有间隙的若干激光束，这样喷涂材料可从间隙送入至激光束中心光轴位置，而后在激光束的中空区域内沿中心光轴传送以及形成超音速粒子射流，实现中心送粉。

在本发明中，入射的激光进行的一系列光学变换例如依次为准直、聚焦，也可依次为准直、分束、聚焦，也可依次为准直、合光、分光、合光、聚焦，还可依次为准直、合光、分光、合光、双聚焦，还可依次为准直、合光、反射、分光、合光、双聚焦，等等，不受局限。

在本发明中，通过一束或多束激光经过光学变换后汇聚成同轴分离排布的多个聚焦光斑的设计目的在于，由于粒子射流为超音速，与聚焦光斑交汇的时间极短，若设计一个聚焦光斑，则需要通过加大激光强度、降低射流速度等方式来使喷涂粒子在与聚焦光斑交汇时可以充分吸收激光能量，但是加大激光强度有可能造成基体的熔化，无法实现喷涂工艺，或者说一个聚焦光斑有时难以实现特定喷涂材料与基体表面所需能量的较佳匹配与灵活调控。因此，本发明设计了多个聚焦光斑，这样粒子射流可以在沉积前先后与多个聚焦光斑交汇，从而很好地使喷涂粒子可以充分吸收激光能量，也可独立调节粒子射流所需的激光能量与射流速度，同时省去了对激光强度、射流速度等进行复杂的调节过程。通常，同轴设计两个聚焦光斑就可以满足喷涂粒子充分吸收激光能量与独立调控的目的，通常，与基体表面相距较远的聚焦光斑主要用来加热与其交汇的喷涂粒子，与基体表面相距较近的聚焦光斑主要用来加热基体表面。

在本发明中，喷涂材料为金属粉末或非金属粉末或金属粉末与非金属粉末混合而成的复合粉末，金属粉末如Fe基、Ni基、Ti-Al基合金等，非金属粉末如塑料、陶瓷粉末等。喷涂材料的粒度通常为10nm～100μm，即为微米级或纳米级的粒度，其中：当粒度为纳米级(通常1nm～100nm)时，可通过团聚雾化造粒成微米级粉末的工艺制备，也可将粉末颗粒均匀悬浮分布在液体中制成液固混合物。

在本发明中，射流可为常温(温度为20℃)高压(通常入口压力0.5MPa～5MPa)惰性气体或压缩空气形成的气体射流，射流也可为常温(温度为20℃)混有固体颗粒的液体射流。

在实际设计中，喷涂粒子在到达基体表面时的飞行马赫数应大于1，通常喷涂粒子加速至340m/s～1000m/s，甚至更高。

在实际设计中，喷涂粒子为实现上述速度，对喷涂材料进行喷射的喷管可被设计成缩扩型、收缩型或直通型结构。当喷管结构和尺寸确定后，喷涂粒子的飞行速度由进入喷管入口的压力决定，通常，入口压力越高，飞行速度越大。特别地，当使用气体射流动能推动喷涂材料时，喷管设计成缩扩型结构更有利于粉末的加速，进入喷管入口时的气体射流压力通常高达0.5MPa～5MPa，当使用液体射流动能推动喷涂材料时，喷管可设计成收缩型或直通型结构，进入喷管入口时的气体射流压力通常最高可达50MPa。通常令喷管出口距基体表面10mm～100mm。

在实际设计中，应令聚焦光斑与喷涂粒子交汇的位置尽可能靠近基体表面，因此，聚焦光斑距离基体表面的离焦量设计为0至30mm，聚焦光斑的外圆直径范围设计为0.1mm～10mm。

为避免基体表面局部过热需要快速移动，粒子射流和聚焦光斑相对基体表面的移动速度设计为1m/min～100m/min，此移动速度因喷涂材料、激光功率和射流压力等因素而变化。

在实际实施时，在步骤1)-4)执行结束，完成一个喷涂循环后，可以继续送粉(即输送喷涂材料)并进行下一个喷涂循环来实现涂层的增厚，也可以中断送粉(即输送喷涂材料)并进行下一个喷涂循环来提高已沉积的涂层质量(相当于间歇喷涂过程的激光重熔)。

在本发明中，基体表面的待沉积区域的受热温度范围介于基体熔点温度的1/2与基体熔点温度之间。喷涂粒子沉积时的受热温度为高于喷涂粒子熔点温度的1/2。或者说，喷涂粒子和基体表面发生高温软化的受热温度范围是指各自熔点温度的1/2至各自熔点温度，显然，超过熔点温度，材料自身发生熔化。

在本发明中，所用激光可以是工业用CO₂激光器、半导体激光器或光纤激光器发出的一束或多束激光。

在本发明中，光学镜片通过专门的光学设计，使入射激光经过诸如准直、分束、分光、合光、聚焦一系列光学变换之后，形成一个或多个环形聚焦光斑，通常聚焦光斑外圆直径为0.1mm～10mm。

光学设计通常基于激光透射、反射或其组合的原理对光学镜片进行设计与布置，可供使用的镜片包括但不限于下述中的一种或几种的组合：球面或非球面透镜、锥透镜、平面透镜、棱镜、平面或非平面反射镜。透镜和棱镜所用的材质通常包括但不限于熔融石英玻璃，反射镜所用的材质通常包括但不限于铜及其合金，透镜和棱镜表面可以镀增透膜，反射镜表面可以镀高反射率的反射膜。

通常地，除了形成激光聚焦光斑的光学镜片之外，还可设计有镜片支撑组件、镜片微调组件、镜片防尘组件、镜片冷却组件、喷管组件等。

镜片支撑组件的设计与布置要利于光学镜片的位置固定，以及尽量避免遮挡或干扰光路、减小公差与像差的产生。

镜片微调组件的设计与布置要利于光学镜片的位置微调，帮助镜片支撑组件避免遮挡或干扰光路、减小公差与像差的产生。

镜片防尘组件的设计与布置应做到物理隔离外界粉尘与光学镜片，在实际设计中，可在光路的末端增设一防尘平面透镜，并可在防尘平面透镜外表面通过气流吹扫的方式来阻挡粉尘污染。

镜片冷却组件可以采用水冷或气冷的方式进行设计与布置。

喷管组件的设计与布置应利于超音速射流形成。喷管组件包括喷管，喷管的主要作用在于，用于在激光束的中空区域内传送喷涂材料并形成气体或液体射流，使喷涂材料在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流，最终喷出并向基体表面喷射。喷管可设计成缩扩型、收缩型或直通型结构，不受局限，可根据实际需求合理选择已有的喷管。

上述提及的部件和组件共同构成喷枪整体结构。

在本发明中，基体可以是金属材质，也可以是非金属材质。区别于常规热喷涂技术要求基体表面须进行预处理来达到净化、活化和粗化的效果，本发明中的基体表面可以不进行预处理也能完成涂层的沉积，但是洁净、新鲜和粗糙的表面会增加涂层与基体的结合强度。实际实施时，在喷涂前，基体表面可以进行一定程度的除油、除锈或除积碳的净化处理，必要时还可采用但不限于喷砂工艺的净化、活化和粗化预处理。

实施例1：

图2示出了一束激光60通过一套光学镜片进行光学变换，先变换成若干互相之间具有间隙的激光束后，再在基体70表面附近汇聚成一个环形聚焦光斑的情形，其中，喷涂材料50从间隙送入至激光束中心光轴L位置，而后在激光束60的中空区域内沿中心光轴L传送。具体来说，这套光学镜片包括分光反射镜12、聚焦反射镜11。如图2，一束准直的激光从聚焦反射镜11上的开口射入，射向分光反射镜12后被变换为多个反射光束，实现分束，然后反射光束射向聚焦反射镜11，变换成汇聚光束(参见图3所示)，然后在基体表面附近形成环形聚焦光斑(参见图4所示)。与此同时，喷涂材料50从汇聚光束之间的间隙送入至中心光轴L位置，然后沿中心光轴L传送，并在射流作用下加速至超音速，由喷管喷射出。于是，喷管喷出的粒子射流与聚焦光斑在基体表面附近交汇。

实施例2：

图5示出了一束激光60通过一套光学镜片进行光学变换，先变换成上下两个互相之间具有间隙的半圆环形激光束后，再在基体70表面附近汇聚成一个环形聚焦光斑的情形，其中，喷涂材料50从间隙送入至激光束中心光轴L位置，而后在激光束60的中空区域内沿中心光轴L传送。具体来说，这套光学镜片包括准直透镜21、锥透镜22、上折射棱镜23、下折射棱镜24、聚焦透镜25，另外还设计了属于镜片防尘组件的防尘平面镜26。如图5，一束激光60射入，通过准直透镜21变换为一束圆形平行准直激光，然后通过锥透镜22变换为圆环形激光束(如图6所示)，然后通过上折射棱镜23变换为两个半圆环形激光束(如图7所示)，然后通过下折射棱镜24还原为圆环形激光束(如图8所示)，最终通过聚焦透镜25在基体70表面附近汇聚成环形聚焦光斑(如图9所示)。与此同时，喷涂材料50从两个半圆环形激光束之间的间隙601送入到中心光轴L位置，然后沿中心光轴L传送，并在射流动能推动下加速至超音速，从喷管喷射出，于是，粒子射流与聚焦光斑在基体70表面附近交汇。

实施例3：

图10示出了6束激光60各自通过一套光学镜片进行光学变换，在基体70表面附近共同汇聚成一个类环形聚焦光斑(聚集光斑)的情形，各束激光以中心轴L’周向呈60度均匀倾斜布置，喷涂材料50直接沿中心轴L’送入并沿中心轴L’传送。图10中示出了沿中心轴L’布置的喷管33。具体来说，每套光学镜片包括准直透镜31、聚焦透镜32。如图10，6束激光的每束先经由准直透镜31准直、再经由聚焦透镜32聚焦后向基体70表面照射，照射到基体70表面的各激光完全重叠或部分重叠，最终在基体表面附近形成类环形聚焦光斑，此聚焦光斑处于图10中C1所指位置，其形态同图4所示光斑。与此同时，喷涂材料从喷管33直接沿中心轴L’送入并传送，以及在射流动能推动下加速至超音速，由喷管33喷射出。于是，喷管33喷出的粒子射流与聚焦光斑在基体70表面附近交汇。

实施例4：

图11示出了一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，先变换成上下两个互相之间具有间隙的半圆环形激光束后，再在基体表面附近汇聚成2个聚焦光斑的情形，其中，分离的2个聚焦光斑同轴分布，喷涂材料50从间隙送入至激光束中心光轴L位置，而后在激光束60的中空区域内沿中心光轴L传送。具体来说，这套光学镜片包括准直透镜41、锥透镜42、锥透镜43、上折射棱镜44、下折射棱镜45、双焦距透镜46，另外还设计了属于镜片防尘组件的防尘平面镜47。如图11，一束激光60射入，通过准直透镜41变换为一束圆形平行准直激光，然后通过锥透镜42、43变换为圆环形激光束(参考图6来理解)，然后通过上折射棱镜44变换为两个半圆环形激光束(参考图7来理解)，通过下折射棱镜45还原为圆环形激光束(参考图8来理解)，最终通过双焦距透镜46在基体70表面附近汇聚成2个环形聚焦光斑，也就是在图11中的D1、D2所指的位置上形成两个聚焦光斑，两个聚焦光斑沿光轴L分离地同轴排布。与此同时，喷涂材料50从两个半圆环形激光束之间的间隙送入到中心光轴L位置，然后沿中心光轴L传送，并在射流动能推动下加速至超音速，从喷管喷射出，于是，粒子射流在基体70表面附近先后与2个聚焦光斑交汇。图11所示光学镜片与图5基本相同，区别在于图11所示光学镜片增加了用来聚焦出两个聚焦光斑的双焦距透镜46。

实施例5：

图12和图13示出了2束激光各自通过一套光学镜片进行光学变换，先变换成上下两个互相之间具有间隙的半圆环形激光束后，再在基体表面附近汇聚成2个环形聚焦光斑的情形，其中，分离的2个聚焦光斑同轴分布，喷涂材料50从间隙送入至激光束中心光轴L位置，而后在激光束60的中空区域内沿中心光轴L传送。具体来说，一套光学镜片包括准直透镜51、锥透镜52、锥透镜53、平面反射镜54、平面反射镜55、上折射棱镜56、下折射棱镜57、双焦距透镜58，另一套光学镜片包括准直透镜51、锥透镜52、锥透镜53、平面反射镜54’、平面反射镜55、上折射棱镜56、下折射棱镜57、双焦距透镜58。其中，两套光学镜片共用了平面反射镜55、上折射棱镜56、下折射棱镜57、双焦距透镜58。另外还设计了属于镜片防尘组件的防尘平面镜59。如图12，2束激光60射入，每束激光通过准直透镜51变换为一束圆形平行准直激光，然后通过锥透镜52、53变换为圆环形激光束(参考图6来理解)，然后通过平面反射镜54或54’、平面反射镜55反射射向上折射棱镜56，然后通过上折射棱镜56变换为两个半圆环形激光束(参考图7来理解)，再通过下折射棱镜57还原为圆环形激光束(参考图8来理解)，最终通过双焦距透镜58在基体70表面附近汇聚成2个环形聚焦光斑，也就是在图12中的E1、E2位置上形成两个聚焦光斑，两个聚焦光斑沿光轴L分离地同轴排布。也就是说，入射的2束激光最终都在E1、E2位置汇聚成2个聚焦光斑，这样的设计可实现两束激光能量的彼此独立调控，使得喷涂材料与基体所需热量得到较佳匹配与灵活调节。与此同时，如图13，喷涂材料50从两个半圆环形激光束之间的间隙送入到中心光轴L位置，然后沿中心光轴L传送，并在射流动能推动下加速至超音速，从喷管喷射出，于是，粒子射流先后与2个聚焦光斑在基体70表面附近交汇。

在实际设计中，光学镜片不限于上述实施例中所提及的各光学镜片，还可根据实际需要合理设计其它类型的光学镜片。

本发明具有如下优点：

1、避免了喷涂粒子在飞行过程中发生氧化。由于喷涂粒子加速过程先于加热过程，即激光的聚焦光斑处于基体表面附近，喷涂粒子与聚集光斑交汇时才受到激光的加热作用，在此之前的飞行过程只受高动能射流的推动作用，因此，一方面可以使高速射流保持较低的温度，避免了使用过热的气体或液体射流而产生喷涂材料氧化、环境温度过高等不利影响，另一方面，喷涂材料受激光的加热距离和加热时间都非常短，一定程度上也降低了氧化程度。

2、喷涂材料吸收热量小，成形过程导致的残余应力和变形小，成形效率高。聚焦光斑加热喷涂材料至全熔化或半熔化态的同时，还有部分能量用来加热基体表面的沉积斑点区域至半熔化(软化)但未熔化态，且激光照射基体的加热深度很浅，使激光能量得到精准利用，所需冗余能量少。另外，由于喷涂材料是在超音速条件下与基体表面发生碰撞沉积，因此使得较低的受热温度就可以完成可靠沉积而形成低孔隙率的涂层。经过上述综合作用的效果就是，同等质量条件下，喷涂材料总体吸收的热量大大减小，喷枪可以相对基体进行高速的移动，沉积效率大为提高，因热沉积过程产生的残余应力和变形减小，故而显著提高了成形精度和涂层质量。

3、涂层可形成冶金结合或微冶金结合。由于激光在基体表面的沉积斑点区域附近聚焦，喷涂材料被加热的同时，基体表面微区也被同步加热，同时粒子射流与基体表面发生超音速碰撞，综合高热量和高动能的作用，使得粒子射流与基体表面微区在碰撞结合处最终形成固相焊接界面，即可使涂层表现为良好的冶金结合或微冶金结合，进一步提高了涂层综合质量。

4、激光束和粒子射流匹配性好，粒子射流直径调整灵活度大。本发明采用同轴送粉的方式，聚焦光斑与粒子射流可做到绝对同轴，这使得喷涂材料受热均匀、充分、飞溅少，喷涂角度和移动方向不受限制。更进一步，通过调节环形聚焦光斑的外圆直径和喷管的口径大小，粒子射流的沉积斑点直径可以低至几十微米量级，也可以高至几毫米量级，极大提高了工艺调整灵活度和应用范围。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：

1)入射的一束或多束激光经光学变换后在基体表面附近汇聚成一个聚焦光斑或同轴的多个聚焦光斑，其中，聚焦光斑为环形或类环形；

2)喷涂材料输入到激光束的中空区域内传送，并在射流动能推动下形成一束超音速粒子射流向基体表面喷射；

3)粒子射流与同轴的聚焦光斑交汇，喷涂粒子吸收激光能量被加热至软化或全熔化，同时基体表面的待沉积区域吸收部分激光能量被加热至软化但未熔化态；

4)大量喷涂粒子在基体表面的待沉积区域发生超音速碰撞，实现液相或固相沉积；

其中：

在1)中：若干束激光的每束激光各自通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近共同汇聚成一个类环形聚焦光斑；或者，一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成一个环形聚焦光斑；或者，一束激光通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成多个环形聚焦光斑，其中，各聚焦光斑分离地同轴分布；或者，若干束激光的每束激光各自通过一套光学镜片进行光学变换，在基体表面附近汇聚成多个环形聚焦光斑，其中，各聚焦光斑分离地同轴分布；

在执行1)-4)时，令粒子射流和聚焦光斑一起相对于基体表面按照设定轨迹持续移动，从而喷涂粒子在基体表面不断沉积叠加形成涂层。

2.如权利要求1所述的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于：

在汇聚成聚焦光斑之前，入射的激光经光学变换形成若干互相之间具有间隙的激光束，喷涂材料从间隙送入至激光束中心光轴位置，而后在激光束的中空区域内沿中空光轴传送以及形成超音速粒子射流。

3.如权利要求1或2所述的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于：

所述喷涂材料为金属粉末或非金属粉末或金属粉末与非金属粉末混合而成的复合粉末，所述喷涂材料的粒度为纳米级或微米级。

4.如权利要求1或2所述的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于：

所述射流为常温高压惰性气体或压缩空气形成的气体射流，或者所述射流为常温混有固体颗粒的液体射流；

所述喷涂粒子在到达基体表面时的飞行马赫数大于1。

5.如权利要求1或2所述的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于：

所述聚焦光斑距离基体表面的离焦量为0至30mm，所述聚焦光斑的外圆直径范围为0.1mm～10mm。

6.如权利要求1或2所述的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于：

粒子射流和聚焦光斑相对基体表面的移动速度为1m/min～100m/min。

7.如权利要求1或2所述的中心同轴送粉式超音速激光喷涂方法，其特征在于：

在所述步骤1)-4)执行结束，完成一个喷涂循环后，继续送粉并进行下一个喷涂循环来实现涂层的增厚，或者中断送粉并进行下一个喷涂循环来提高已沉积的涂层质量。

Images