CN109943843A - 一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种采用超声在线振动辅助激光热喷涂Al‑Ti‑Ni非晶涂层的方法与装置。本方法将激光系统、送气系统、送丝机构和超声振动辅助装置一体化，实现激光热喷涂、送气、喷丝和超声在线振动的同步进行。本发明装置利于校准安装，工艺简单，工作环境好，可极大提高喷涂效率，有利于降低成本，减少环境污染，同时有利于降低激光热效应对涂层冷却晶化行为的消极影响。
Description
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及在激光热喷涂同时，实现超声在线振动辅助制备Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置。
背景技术
非晶涂层具有长程无序和短程有序的特点，不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，比传统晶体材料更独特的物理、化学和力学特性，如较高的强度和硬度、良好的耐磨性和优异的耐腐蚀性。通过表面涂层技术将非晶涂层喷涂到关键零部件，可以延长其在极端环境中的使用寿命，降低修复成本。激光热喷涂的快热、快冷和快凝特征为非晶涂层的制备提供了条件，是获得非晶态涂层的有效途径之一。但是由于激光热喷涂过程中的热作用易使涂层非晶成分发生晶化现象,使得涂层失去非晶结构特有的性能,限制了激光热喷涂技术的应用。
超声在线振动技术是一种提高涂层非晶形成的有效方法，通过在熔体中产生一系列效应，如空化效应、声流效应、过热效应及谐振效应，改变熔池的温度梯度、压力及过冷度影响熔融涂层的凝固行为，起到了改善金属凝固组织、细化晶粒和均化组织成分的作用。
目前，激光热喷涂工艺主要以粉末作为填充材料，将粉末送入激光热效应所形成的熔池中，形成非晶涂层。此方法的主要缺点是沉积效率低，粉末回收困难，经济效益差。丝材是替代粉末的另一种原料形式，具有价格便宜和利用率高的特点，易形成优良的表面涂层质量，因此，喷涂丝材是形成高性能非晶涂层、节约原材料和降低成本的方法。
发明内容
针对超声在线振动对非晶涂层形成的积极作用，本发明采用超声在线振动辅助激光热喷涂方法与装置实现了Al-Ti-Ni非晶涂层的制备。该方法将送丝机构与送气系统和激光热喷涂系统连接，实现了激光热喷涂系统、送气系统和喷丝机构的同步。同时，引入超声在线振动系统，在激光热喷涂过程中超声在线振动系统辅助非晶涂层的形成，通过打破熔融的涂层在快速凝固过程中原子位形结构，实现由非稳态向亚稳平衡态或平衡态的转变，降低了激光热效应对晶化行为的消极影响。本发明装置有利于校准安装，工艺简单，可提高涂层喷涂效率，降低成本，减少环境污染。
本发明通过以下技术方案实现：
超声在线振动辅助激光热喷涂装置如图1和2所示，该装置包括激光热喷涂系统和超声振动辅助系统。激光热喷涂系统包括激光系统1、光学系统2、激光头3、送丝机构4、丝材5、气体装置6和工作台14。所述的光学系统2为F7卡斯格林光学系统，作用在于将激光器发出的激光束聚焦在待喷涂工件表面形成3-5mm的圆形激光光斑。所述的送丝机构通过金属连杆16、螺栓17、送丝嘴18、万向节20和激光器连接，通过调整万向节20精确控制送丝方向和位置。气体装置6采用氩气作为保护气体，一方面保护熔池防止熔池飞溅和氧化，另一方面形成喷射流7将熔融材料离子化，喷向工件9表面形成涂层8。气体喷嘴19通过金属连杆16、螺栓17、万向节20和激光器连接，实现喷涂过程中激光器、送气与喷丝的同步工作。
所述的超声在线振动系统由超声波载物台10、超声波发生器11、超声换能器12、冷却液13及换能器冷却系统15组成。将工件9装夹在超声波载物台10上，保持工件水平状态。超声波发生器11驱动超声换能器12产生超声波,通过工件9导入熔融的金属熔池中,对液态金属涂层持续作用,进而对涂层结晶过程产生影响。超声波发生器11的功率及频率可调,输入电压为220V,工作电流为250mA,输出频率为10-30kHz，输出功率为0-3000W。
本发明的超声在线振动辅助激光热喷涂非晶涂层通过以下技术方案实现：首先将待喷涂工件表面进行砂纸打磨去铁锈、丙酮和酒精去油污处理，热风吹干。将干燥好的工件装夹在超声载物台。为了保证振动时效性，在进行激光热喷涂加工前先开启超声振动装置，后开启激光器。激光系统发出的激光束通过F7卡斯格林光学系统聚焦在待喷涂工件表面形成3-5mm的圆形光斑，移动激光光斑至待喷涂区域。通过送丝机构将中空部分包覆Ti、Ni粉末的非晶Al丝材输送至激光光斑中心处，通过万向节调整送气装置使其对准丝材端部，调整完毕后按照设定程序开始激光热喷涂加工。激光热喷涂加工完成后,延迟关闭超声振动系统60s，以增加超声振动时间。
本发明的主要特征：
(1) 本发明装置易于校准安装，工艺与操作简单，环境污染小，加工效率高，易在安全节能的条件下得到涂层，具有较强的适应性和实用性。
(2) 本发明将超声在线振动系统与激光热喷涂系统实现一体化，在涂层快速凝固的过程中改善了液态金属的流动性，加速气体逸出，减少裂纹和气泡的形成。同时，超声振动具有碎裂粗大晶粒的作用，提高了涂层非晶形成能力，组织致密性及均匀性能好。
附图说明
图1为超声振动辅助激光热喷涂系统示意图
图2为激光器、送丝嘴与气体喷嘴连接示意图
图3为超声振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层表面与界面形貌图
图4为超声振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层XRD图
图中：1-激光系统；2-F7卡斯格林光学系统；3-激光头；4-送丝机构；5-丝材；6-气体装置；7-喷涂粒子流；8-涂层；9-工件；10-超声波载物台；11-超声波发生器；12-超声换能器；13-冷却液；14-工作台；15-冷却系统；16-金属连杆；17-螺栓；18-送丝嘴；19-气体喷嘴；20-万向节。
具体实施方式
本发明提供的一种超声在线振动辅助激光热喷涂系统Al-Ti-Ni非晶涂层，具体的工作步骤如下：
(1) 选用尺寸为30mm*30mm*10mm的S355钢作为加工工件，试验前工件表面经砂纸打磨去铁锈、丙酮和酒精去油污处理，热风吹干。将干燥好的工件装夹在超声载物台上，并保持工件水平。
(2) 在激光热喷涂加工前先开启超声波发生器，超声波发生器的输出频率设定为20kHz，输出功率设定为1500W。
(3) 采用中科四象2000W全固态光纤耦合激光器作为激光热喷涂系统，其所发出的激光束通过F7卡斯格林光学系统聚焦在待喷涂工件表面形成4mm的圆形激光光斑，移动激光光斑至待喷涂区域。通过送丝机构将中空部分填充Ti和Ni粉末、直径为2mm的非晶Al丝输送至激光光斑中心处。同时通入氩气保护系统，通过万向节调整送气方向使其对准丝材端部，调整完毕后按照设定程序开始激光热喷涂加工。激光热喷涂采取连续扫描工作方式，具体工艺参数：激光功率1500W，扫描速度1mm/s，送丝速度3mm/s，光斑直径3mm，氩气流量20L/min，搭接率50%。激光热喷涂加工结束延迟60s后，关闭超声波发生器。
(4) 采用上述工艺参数获得的Al-Ti-Ni非晶涂层表面与断面形貌如图3(a)和(b)所示，涂层表面晶粒细小，无明显裂纹和孔隙。
(5) Al-Ti-Ni非晶涂层XRD分析如图4所示，图谱整体峰强较低，在20-30o，64-70o和76-84o区间内出现了明显的宽而低的非晶漫射峰。经过Jade 6.5软件计算得涂层结晶度为38.76 %，表明所制备的Al-Ti-Ni非晶涂层结晶能力差，非晶形成能力好。
Claims (9)
1.一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置,主要包括激光热喷涂系统超声振动和在线辅助系统，通过以下步骤实现：
步骤1：对待喷涂工件表面进行预处理；
步骤2：将工件与超声在线振动系统连接；
步骤3：对工件表面进行激光热喷涂加工，在线施加超声振动，实现Al-Ti-Ni非晶涂层的制备。
2.如权利要求1所述的一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置，其特征在于，所述步骤1）中待喷涂工件预处理方式具体为：将待工件表面进行砂纸打磨去铁锈、丙酮和酒精去油污处理，然后热风吹干。
3.如权利要求1所述的一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置，其特征在于，所述步骤2）中将干燥好的工件装夹在超声在线装置的工作台上，并保持工件水平。
4.如权利要求1所述的一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置，其特征在于，所述步骤3）中在进行激光热喷涂加工前先开启超声在线振动装置，后开启激光器。
5.如权利要求1所述的一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置，其特征在于，所述步骤3）中喷涂材料选用Al丝材，其中空部分包覆Ti、Ni粉末；通过送丝机构将Al丝材送至激光光斑中心处，通过调节万向节调整送气装置使其对准丝材端部。
6.如权利要求1所述的一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置，其特征在于，所述步骤3）中激光热喷涂加工完成后,延迟关闭超声在线振动装置60s。
7.如权利要求1所述的一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置，其特征在于，所述的送丝机构通过金属连杆16、螺栓17、送丝嘴18、万向节20和激光器连接，通过调整万向节20可精确控制送丝方向和位置。
8.如权利要求1所述的一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置，其特征在于，气体装置6采用高速氩气流作为保护气体，一方面保护熔池防止飞溅和氧化，另一方面形成喷射流7将熔融材料离子化，喷向工件9表面形成Al-Ti-Ni非晶涂层8。
9.如权利要求1所述的一种超声在线振动辅助激光热喷涂Al-Ti-Ni非晶涂层的方法与装置，其特征在于，气体喷嘴19通过金属连杆16、螺栓17、万向节20和激光器连接，实现喷涂过程中激光热喷涂、送气与喷丝工艺的同步进行。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111590224A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-08-28 | 广东工业大学 | 一种激光辅助制备大块非晶合金的系统及方法 |
| CN112162180A (zh) * | 2020-09-18 | 2021-01-01 | 安徽龙和电力集团有限公司 | 一种电力测试箱及其测试方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2865479A1 (en) * | 2013-10-22 | 2015-04-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and system for generating a component using thermal spraying and laser fusing |
| CN107502849A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-12-22 | 常州大学 | 一种用于激光喷涂的同步送丝方法与装置 |
| CN108950458A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-12-07 | 常州大学 | 一种激光热喷涂铝丝及其制备方法 |
| CN108977751A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-11 | 苏州科技大学 | 一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法 |
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2019
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2865479A1 (en) * | 2013-10-22 | 2015-04-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and system for generating a component using thermal spraying and laser fusing |
| CN107502849A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-12-22 | 常州大学 | 一种用于激光喷涂的同步送丝方法与装置 |
| CN108977751A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-11 | 苏州科技大学 | 一种超声波辅助等离子热喷涂制备高熵合金涂层的方法 |
| CN108950458A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-12-07 | 常州大学 | 一种激光热喷涂铝丝及其制备方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111590224A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-08-28 | 广东工业大学 | 一种激光辅助制备大块非晶合金的系统及方法 |
| CN111590224B (zh) * | 2020-05-29 | 2021-10-26 | 广东工业大学 | 一种激光辅助制备大块非晶合金的系统及方法 |
| CN112162180A (zh) * | 2020-09-18 | 2021-01-01 | 安徽龙和电力集团有限公司 | 一种电力测试箱及其测试方法 |
| CN112162180B (zh) * | 2020-09-18 | 2024-03-26 | 安徽龙和电力集团有限公司 | 一种电力测试箱及其测试方法 |
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