CN110055484B - 一种超音速激光沉积喷枪、激光沉积装置与激光沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超音速激光沉积喷枪、激光沉积装置与激光沉积方法，所述超音速激光沉积喷枪内形成激光束通道和粉气混合束通道，激光束通道沿超音速激光沉积喷枪的中心轴线延伸，粉气混合束通道沿激光束通道的外周分布，粉气混合束通道具有拉瓦尔喷管结构；所述激光沉积装置包括有所述激光沉积喷枪，所述激光沉积方法基于所述激光沉积装置实施。本发明实现了激光束与超音速粉束之间的紧密深度结合，实现了材料的快速高效、高质量、低成本沉积制备，具有广泛的推广应用前景。

Description

一种超音速激光沉积喷枪、激光沉积装置与激光沉积方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及基于材料沉积的表面处理技术，具体涉及一种超音速激光沉积技术，尤其是一种超音速激光沉积喷枪、激光沉积装置与激光沉积方法。

背景技术

目前在材料制备领域中的沉积技术主要有以下几种：PVD、CVD、热喷涂以及激光熔覆等，这几种技术分别有以下特点：

物理气相沉积（PVD）是一种真空条件下采用物理方法，将固体或液体材料表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能薄膜的技术。PVD不仅可以沉积金属膜、合金膜，还可以沉积化合物、陶瓷、半导体和聚合物膜等，是具有广泛应用前景的新材料制造技术。制备的超硬薄膜不但具有高硬度，而且超薄、耐高温、无污染和几乎零排放，适合于工具、零件和摩擦磨损件表面的耐磨损、抗氧化、防腐蚀和自润滑等特殊性能要求，是现代表面工程技术中很有发展前途和应用价值的一种技术。化学气相沉积（CVD）是一种材料表面强化技术，是在相当高的温度下，混合气体与工件表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在工件表面形成一种金属或化合物固态薄膜或镀层。它可以利用气相间的反应，在不改变工件基体材料的成分和不削弱基体材料强度的条件下，赋予工件表面一些特殊的性能。但是，PVD和CVD技术的主要缺点是反应温度较高，沉积速率较低(一般每小时只有几微米到几百微米)，难以局部沉积。镀层薄，不能进行后续磨削加工。

热喷涂是指将熔融状态下的材料通过气流的高速运行使其喷射在零件表层，形成涂层的一种金属表面加工工艺。热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，其喷涂时基体温度低、变形小、热影响区浅、操作灵活、涂层厚度范围宽。不足之处主要体现为热效率低、材料利用率低以及涂层与基体结合强度较低等问题。

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面放置选择的涂层材料，经激光辐照使之与基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。但由于其材料利用率、激光能量利用率较低，导致成本高，限制了其大规模产业化应用。

发明内容

本发明目的在于，提供一种超音速激光沉积技术，尤其是创新的设计了一种全新的超音速激光沉积喷枪，并基于全新设计的超音速激光沉积喷枪提出一种全新的激光沉积装置与激光沉积方法，首次实现了激光束与超音速粉束之间的紧密深度结合，实现了粉末材料在工件表面的快速高效、高质量、低成本沉积，具有广泛的推广应用前景。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种超音速激光沉积喷枪，所述超音速激光沉积喷枪的前端形成有超音速激光沉积喷嘴，所述超音速激光沉积喷嘴内形成有激光束通道15和粉气混合束通道13，其中所述激光束通道15沿所述超音速激光沉积喷嘴的中心轴线延伸，所述粉气混合束通道13沿所述激光束通道的外周分布，所述粉气混合束通道13具有拉瓦尔喷管结构。

进一步的根据本发明所述的超音速激光沉积喷枪，其中所述超音速激光沉积喷嘴整体包括锥形外壳14和内部隔板16，所述锥形外壳14设置于所述内部隔板16的外围，所述激光束通道15形成于所述内部隔板16内，所述粉气混合束通道13形成于所述内部隔板16和锥形外壳14之间，所述粉气混合束通道13包括收缩部、窄喉部和扩张部，所述收缩部的内径由大变小，所述窄喉部作为中间最窄部位，所述扩张部的内径由小变大，所述收缩部与扩张部用窄喉部连接。

进一步的根据本发明所述的超音速激光沉积喷枪，其中所述窄喉部具有圆弧结构，且窄喉部的最小直径在1-5mm之间；所述收缩部入口的最小直径在5-20mm之间，所述收缩部的内壁面相对于中心轴的角度为15°-60°，所述扩张部出口的最小直径在3-15mm，所述扩张部的内壁面相对于中心轴的角度为10°-60°；所述粉气混合束通道13的收缩部的后端开口作为高压粉气送粉口18，所述高压粉气送粉口18连接于外部的送粉器6和高压气源7，由所述高压粉气送粉口18和粉气混合束通道13组成高压送粉粉气混合束通道；所述粉气混合束通道13的窄喉部的下端横向向外连通有低压粉气送粉口17，所述低压粉气送粉口17横向延伸至所述锥形外壳14表面，所述低压粉气送粉口17连接于外部的送粉器6和高压气源7，由所述低压粉气送粉口17和粉气混合束通道13组成低压送粉粉气混合束通道。

进一步的根据本发明所述的超音速激光沉积喷枪，其中还包括有水冷系统19，所述水冷系统19设置于所述锥形外壳14和内部隔板16之间，并处于所述粉气混合束通道13的外围。

进一步的根据本发明所述的超音速激光沉积喷枪，其中所述超音速激光沉积喷嘴整体具有前后端截平的中空倒置圆台形结构，所述锥形外壳14的外壁面形成倒置圆锥面，所述内部隔板16的内部形成倒置圆锥形中空通道，并作为所述激光束通道15，所述激光束通道15的中心轴线与锥形外壳的中心轴线共线，所述激光束通道15的锥形角度为15-45°，所述锥形外壳14的锥形角度为15-60°，所述粉气混合束通道的中心轴线与所述激光束通道15的中心轴线之间的夹角处于5-45°。

进一步的根据本发明所述的超音速激光沉积喷枪，其中所述锥形外壳14和内部隔板16的前端和后端分别截平，所述锥形外壳14的前端最小直径在30-100mm之间，所述激光束通道的前端最小直径在1-3mm之间，所述粉气混合束通道的横截面呈圆形，且所述粉气混合束通道的内径范围为3-10mm。

进一步的根据本发明所述的超音速激光沉积喷枪，其中所述锥形外壳14和内部隔板16为一体连接结构，在所述锥形外壳14和内部隔板16之间沿所述激光束通道的外周均匀分布有多个所述粉气混合束通道13，所述粉气混合束通道为通过螺栓连接于所述锥形外壳和内部隔板之间的拉瓦尔喷管。

一种超音速激光沉积装置，包括：冷水机1、激光发生器2、机床床身3、激光加工头4、送粉器6、高压气源7和本发明所述的超音速激光沉积喷枪5，所述冷水机1通过水管连接于所述激光发生器2和超音速激光沉积喷枪5，所述激光发生器2的激光输出端通过传输光纤连接于所述激光加工头4，所述激光加工头4连接于所述超音速激光沉积喷枪5，所述高压气源7通过气管连接于所述超音速激光沉积喷枪5，所述送粉器6通过粉管连接于所述超音速激光沉积喷枪5，所述机床床身3用于固定待加工工件。

一种基于本发明所述超音速激光沉积装置进行的超音速激光沉积方法，包括以下步骤：

步骤一、将待加工工件的基体表面进行打磨清洗，清洗完毕后将待加工工件放置于机床床身上并夹紧；

步骤二、根据沉积处理要求选择超音速激光沉积用粉末，并装配于送粉器内，同时向高压气源内充入满足沉积处理要求的高压气体；

步骤三、根据沉积处理要求调节激光发生器输出激光束的光斑尺寸，调节待加工工件与超音速激光沉积喷枪之间的距离；

步骤四、根据沉积处理要求调节送粉器的送粉量和送粉速率；

步骤五、根据沉积处理要求调节高压气源的输出气体压力；

步骤六、根据沉积处理要求设置激光发生器输出至待加工工件的基体表面的激光功率，并开启冷水机和水冷系统；

步骤七、根据沉积处理要求选择开启高压粉气送粉口或低压粉气送粉口，来自送粉器的粉料经高压气源提供的高压气体的带动穿过粉气混合束通道后形成超音速粉气混合束，并与激光发生器提供的经激光束通道发射出的激光束在待加工工件的基体表面上方交汇形成激光粉末交汇区，粉料在激光能量作用下以固态、液态或固液共存态沉积于待加工工件基体表面，形成超音速激光沉积层；

步骤八、超音速激光沉积后将待加工工件取下进行后续处理。

进一步的根据本发明所述的超音速激光沉积方法，其中超音速激光沉积过程中按照如下范围选择相关技术参数：

1超音速激光沉积喷枪的移动速度范围为5-200mm/s；

2超音速激光沉积喷枪距离待加工工件基体表面的高度为5-50mm；

3超音速粉气混合束与激光束形成的激光粉末交汇区距离待加工工件基体表面为0.1-10mm；

4通过粉气混合束通道输出的超音速粉气混合束的传输速率为300-1500mm/s；

5高压气源提供的高压气体类型为氮气、氦气、压缩空气或以上任意两种或多种气体的混合气体，高压气体压力为0.3-5.0Mpa；

6通过粉气混合束通道输出的超音速粉气混合束中的送粉量速率为10-500g/min；

7通过粉气混合束通道输出的超音速粉气混合束中的粉末粒径为1-120μm；

8通过粉气混合束通道输出的超音速粉气混合束的直径为0.5-10mm；

9激光发生器输出的激光功率在0.3-10kw范围内可调，激光发生器通过激光束通道输出至待加工工件基体表面的激光束光斑直径在0.1-10mm可调。

相对于现有技术，本发明提供的超音速激光沉积喷枪、激光沉积装置与激光沉积方法具有如下技术特色和有益效果：

（1）本发明提供的超音速激光沉积技术通过将工件基体放在可控加工机床上，采用高压气体为动力源，由多个拉瓦尔喷管结构的粉气混合束通道将粉末加速至超音速，在超音速粉束流与激光束呈一定角度交汇后，利用激光高能量把粉末粒子加热到软化、熔化或半熔化状态，随后以固态、液态或固液共存态沉积形成沉积层或块体材料，不但利用了激光独有的技术优势，而且大幅提升了粉末材料的利用率和激光能量的利用率。

（2）本发明所用的送粉通道为拉瓦尔结构，可以将粉末束速度提高到超音速，极大程度上提高了送粉速度。

（3）本发明将粉末束以超音速速度送到激光束照射范围內，使得激光能量能够作用在更多的粉末颗粒上，使得粉末以软化、熔化或半熔化的方式与基体材料结合，提高了沉积效率，获得了更高的结合牢固度和表面光滑度，最关键的是大幅度提高了粉末材料和激光能量的利用率。

（4）本发明将激光与粉末的作用位置放在了基体上方，减少了原材料的热影响、氧化和相变，很好地保持了原材料的原始组分及性能。

（5）本发明通过超音速的方式进行送粉，使得粉末粒子本身具有高的能量，使得沉积时作用力增强，提高了沉积体的致密度，改善沉积体的应力状态，提高沉积体/涂层的力学性能。

（6）本发明所述超音速激光沉积装置制备的的沉积层为冶金结合，界面结合强度高，不易剥落且超高的送粉速率使得激光能量的利用效率得到提高，进而可使激光功率降低至1kW以下，热输入量更小，变形更小，粉末利用率更高，成本更低。

附图说明

附图1为本发明所述超音速激光沉积装置的结构示意图；

附图2为本发明所述超音速激光沉积装置中的激光沉积喷枪的立体结构示意图；

附图3为附图2所示激光沉积喷枪的截面结构示意图；

附图4为基于本发明所述超音速激光沉积装置进行的超音速激光沉积过程示意图；

图中各附图标记的含义如下：

1-冷水机，2-激光发生器，3-机床床身，4-激光加工头，5-激光沉积喷枪，6-送粉器，7-高压气源，8-粉气混合束，9-激光束，10-激光粉末交汇区，11-沉积熔覆层，12-待加工工件基体，13-粉气混合束通道，14-锥形外壳，15-激光束通道，16-内部隔板，17-低压粉气送粉口，18-高压粉气送粉口，19-水冷系统，20-传输光纤，21-水管，22-水管，23-待加工工件，24-粉管，25-气管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

本发明提出一种超音速激光沉积装置，如附图1所示，所述装置包括：冷水机1、激光发生器2、机床床身3、激光加工头4、激光沉积喷枪5、送粉器6、高压气源7以及传输光纤、水管、气管和粉管。

所述的冷水机1通过水管连接于所述激光发生器2和激光沉积喷枪5，具体的所述冷水机1通过进出水循环水管21、22连接于所述激光发生器2，作为所述激光发生器运转时的水冷装置，同时所述冷水机1通过进出水循环水管连接于所述激光沉积喷枪5，作为所述激光沉积喷枪5工作时的水冷装置。

所述的激光发生器2提供激光沉积所需激光束9，输出激光束的波长范围及功率可调节，以满足不同沉积要求，本发明不对其进行具体限制。且所述激光发生器的激光输出端通过传输光纤20连接于激光加工头4，激光发生器产生的激光束9最终通过激光加工头输出。

所述的机床床身3用于固定待加工工件23，具有可控制加工机床所具备的特性。

所述的激光加工头4固定连接于所述激光沉积喷枪5，用于向激光沉积喷枪5提供激光发生器产生的激光束。

所述的高压气源7储存有高压气体，并通过气管25连接于所述激光沉积喷枪5，用于向激光沉积喷枪5提供高压气体。

所述的送粉器6储存有沉积粉料，并通过粉管24连接于所述激光沉积喷枪5，用于向激光沉积喷枪5提供沉积粉料。

所述的激光沉积喷枪5处于待加工工件上方，能够向待加工工件提供满足能量要求的激光束和超音速输送的粉气混合束8。具体的如附图2和附图3所示，所述的激光沉积喷枪5的前端形成有超音速激光沉积喷嘴结构，所述喷嘴结构整体具有前端截平的、中空倒置圆台形结构，包括锥形外壳14和内部隔板16，所述锥形外壳的外壁形成倒置圆锥面，所述内部隔板16的内部形成倒置圆锥形结构的激光束通道15，来自所述激光加工头4的激光束入射至所述激光束通道15内。所述激光束通道15的中心轴线与锥形外壳的中心轴线共线，整体呈倒圆台形结构，优选的所述激光束通道的锥形角度为15-45°，所述锥形外壳14的锥形角度为15-60°。所述锥形外壳14和所述内部隔板16的前后端齐平，整体组成前端截平的、中空倒置圆锥形结构。锥形前端尺寸根据不同的使用需求进行选择，优选的锥形外壳14前端最小直径在30-100mm之间，激光束通道前端最小直径为1-3mm，优选的为2mm。所述锥形外壳14和所述内部隔板16固定连接，优选的两者为一体连接结构。

在所述锥形外壳14和内部隔板16之间进一步设置有多个粉气混合束通道13，优选的在激光束通道外周沿周向均匀地分布有四个以上的粉气混合束通道13。每个所述的粉气混合束通道13的结构为拉瓦尔喷管结构，整体呈喇叭形，包括收缩部、窄喉部和扩张部，所述收缩部的内径由大变小，所述窄喉部作为中间最窄的部位，所述扩张部的内径由小变大。所述收缩部由大变小向中间收缩至所述窄喉部，经过所述窄喉部之后再由小变大向外扩张至所述扩张部。优选的所述拉瓦尔喷管具有旋转对称结构，其中心轴线（亦即粉气混合束通道的中心轴线）作为旋转对称中心轴。所述窄喉部具有圆弧结构，且窄喉部的直径在1-5mm之间；所述收缩部入口的直径在5-20mm之间，所述收缩部的内壁面相对于中心轴线的角度为15°-60°，所述扩张部出口的直径在3-15mm，所述扩张部的内壁面相对于中心轴线的角度为10°-60°。这一结构可使进入收缩部的气流速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速加速到音速，直至再加速至超音速。每个粉气混合束通道的直径范围为3-10mm。每个所述粉气混合束通道13与激光束通道中心轴线之间的夹角可根据实际应用可进行调节，优选的每个粉气混合束通道的中心轴线与激光束通道的圆锥中心轴线的夹角处于5-45°，进一步优选的处于10-30°。多个粉气混合束通道沿圆周方向均匀分布于激光束通道周围，粉气混合束通道的多少可以根据实际应用进行调节，优选的设置四个或四个以上的粉气混合束通道。所述粉气混合束通道优选的可为安装于壳体内的单独零件，可通过螺栓连接于锥形外壳和内部隔板之间，每个粉气混合束通道之间距离相等且围绕激光束通道外壁一圈均匀布置。

每个粉气混合束通道13的收缩部的后端开口作为高压粉气送粉口18，连接于送粉器6和高压气源7。每个粉气混合束通道13的窄喉部侧向向外连通有低压粉气送粉口17，所述低压粉气送粉口17延伸至锥形外壳14外侧表面，并连接于送粉器6和高压气源7。每个粉气混合束通道13的扩张部的前端开口作为超音速粉气输送出口。由所述高压粉气送粉口18和粉气混合束通道13组成高压送粉粉气混合束通道，由所述低压粉气送粉口17和粉气混合束通道13组成低压送粉粉气混合束通道，实际使用时高压送粉粉气混合束通道和低压送粉粉气混合束通道选取其中一种进行工作，使得来自送粉器6内的粉料通过高压气体输送至高压粉气送粉口18（对应于高压情况下的加工）或低压粉气送粉口17（对应于低压情况下的加工），经过粉气混合束通道的收缩-扩张喉部加速后被加速到超音速后经前端开口输出至工件表面，然后与激光束通道提供的高能激光汇聚后沉积在工件表面，形成涂层或块体材料。

进一步在所述锥形外壳14和内部隔板16之间还设置有水冷系统19，优选的所述水冷系统位于粉气混合束通道13外围，也就是粉气混合束通道13和锥形外壳14之间。所述的水冷系统优选的为封闭的水冷空腔或者水冷循环管路，所述水冷系统连接于冷水机1，从而来自水冷机1的冷却水进入水冷系统内循环，进而对粉气混合束通道进行实时冷却。

本发明进一步提出一种基于所述超音速激光沉积装置进行的超音速激光沉积熔覆方法，主要过程为由主动送粉器输送进入拉瓦尔送粉通道的粉末束经过收缩-发散喉部加速到超音速以后，与激光发生器发射出的激光束在工件基体上方的激光粉末交汇区10作用后能量大幅度上升，随后以固态、液态或固液共存态的形式沉积在工件基体上形成涂层或块体材料，如附图4所示，其具体步骤包括：

（1）将待加工工件的基体表面进行打磨，并用酒精擦洗干净；

（2）将待加工工件基体放上机床床身并夹紧；

（3）采用超音速激光沉积用粉末为原材料粉末，并装配于送粉器内；

（4）调节激光发生器输出激光束的光斑尺寸，调节待加工工件与激光沉积喷枪之间的距离；

（5）调节送粉器的送粉量，根据所需进行调控；

（6）调节高压气源的输出气体压力，根据粉末材料成分进行调控；

（7）设置激光发生器输出至待加工工件的基体表面的激光功率，开启水冷系统；

（8）根据需要选择开启高压粉气送粉口或低压粉气送粉口，使粉料通过高压送粉粉气混合束通道或者低压送粉粉气混合束通道超音速输出至待加工工件的基体表面，并与激光发生器经激光束通道发射出的激光束在基体表面上方交汇形成激光粉末交汇区10（交汇点），并在激光能量作用下在待加工工件基体12表面形成以固态、液态或固液共存态的沉积层11或块体材料；

（9）超音速激光沉积后将工件取下进行后续加工。

采用本发明所述的超音速激光沉积熔覆方法针对不同待加工工件进行处理时，具体在下述范围内选择相关技术参数：

（1）激光沉积喷枪移动速度范围为5-200mm/s；

（2）激光沉积喷枪距离待加工工件基体表面高度为5-50mm，优选的为5-30mm；

（3）超音速输出粉气混合束8与激光束交汇点距待加工工件基体表面为0.1-10mm；

（4）通过粉气混合束通道（高压送粉粉气混合束通道或者低压送粉粉气混合束通道，下同）输出的粉气混合束8的传输速度为300-1500mm/s，优选的为300-1200mm/s，更优选的为500-900mm/s；

（5）高压气源提供的高压气体类型为氮气、氦气、压缩空气或以上任意两种或多种气体的混合气体；

（6）高压气源提供的高压气体压力为0.3-5.0Mpa，优选的为0.8-2.5Mpa；

（7）粉气混合束通道的送粉量速率为10-500g/min，优选的为10-300g/min，更优选的为50-100g/min；

（8）粉气混合束通道输送的粉末粒径为1-120μm，优选的为5-75μm；

（9）粉气混合束通道输出的粉气混合束8直径为0.5-10mm，优选的为0.8-8mm，进一步优选的为1-5mm；

（10）激光发生器输出的激光功率范围在0.3-10Kw可调；

（11）激光发生器输出至待加工工件基体表面的激光束光斑直径在0.1-10mm可调，优选的在0.5-5mm可调。

本发明提供的超音速激光沉积装置可以实现对轻合金粉末、硬质合金粉末、非晶粉末以及陶瓷材料粉末在待加工工件表面进行沉积，形成具有优异性能的涂层或块体材料，同时利用高压惰性气体对粉末进行加速，保护了粉末不发生化学变化，极大程度提高了沉积体的质量，符合先进材料制备技术工艺要求。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (6)

1.一种超音速激光沉积喷枪，其特征在于，所述超音速激光沉积喷枪的前端形成有超音速激光沉积喷嘴，所述超音速激光沉积喷嘴内形成有激光束通道（15）和粉气混合束通道（13），其中所述激光束通道（15）沿所述超音速激光沉积喷嘴的中心轴线延伸，所述粉气混合束通道（13）沿所述激光束通道的外周分布，所述粉气混合束通道（13）具有拉瓦尔喷管结构；

具体的所述超音速激光沉积喷嘴整体包括锥形外壳（14）和内部隔板（16），所述锥形外壳（14）设置于所述内部隔板（16）的外围，所述激光束通道（15）形成于所述内部隔板（16）内，所述粉气混合束通道（13）形成于所述内部隔板（16）和锥形外壳（14）之间，所述粉气混合束通道（13）包括收缩部、窄喉部和扩张部，所述收缩部的内径由大变小，所述窄喉部作为中间最窄部位，所述扩张部的内径由小变大，所述收缩部与扩张部用窄喉部连接；

所述窄喉部具有圆弧结构，且窄喉部的最小直径在1-5mm之间；所述收缩部入口的最小直径在5-20mm之间，所述收缩部的内壁面相对于中心轴的角度为15°-60°，所述扩张部出口的最小直径在3-15mm，所述扩张部的内壁面相对于中心轴的角度为10°-60°；所述粉气混合束通道（13）的收缩部的后端开口作为高压粉气送粉口（18），所述高压粉气送粉口（18）连接于外部的送粉器（6）和高压气源（7），由所述高压粉气送粉口（18）和粉气混合束通道（13）组成高压送粉粉气混合束通道；所述粉气混合束通道（13）的窄喉部的下端横向向外连通有低压粉气送粉口（17），所述低压粉气送粉口（17）横向延伸至所述锥形外壳（14）表面，所述低压粉气送粉口（17）连接于外部的送粉器（6）和高压气源（7），由所述低压粉气送粉口（17）和粉气混合束通道（13）组成低压送粉粉气混合束通道；

所述超音速激光沉积喷嘴整体具有前后端截平的中空倒置圆台形结构，所述锥形外壳（14）的外壁面形成倒置圆锥面，所述内部隔板（16）的内部形成倒置圆锥形中空通道，并作为所述激光束通道（15），所述激光束通道（15）的中心轴线与锥形外壳的中心轴线共线，所述激光束通道（15）的锥形角度为15-45°，所述锥形外壳（14）的锥形角度为15-60°，所述粉气混合束通道的中心轴线与所述激光束通道（15）的中心轴线之间的夹角处于5-45°；所述锥形外壳（14）和内部隔板（16）的前端和后端分别截平，所述锥形外壳（14）的前端最小直径在30-100mm之间，所述激光束通道的前端最小直径在1-3mm之间，所述粉气混合束通道的横截面呈圆形，且所述粉气混合束通道的内径范围为3-10mm。

2.根据权利要求1所述的超音速激光沉积喷枪，其特征在于，还包括有水冷系统（19），所述水冷系统（19）设置于所述锥形外壳（14）和内部隔板（16）之间，并处于所述粉气混合束通道（13）的外围。

3.根据权利要求1所述的超音速激光沉积喷枪，其特征在于，所述锥形外壳（14）和内部隔板（16）为一体连接结构，在所述锥形外壳（14）和内部隔板（16）之间沿所述激光束通道的外周均匀分布有多个所述粉气混合束通道（13），所述粉气混合束通道为通过螺栓连接于所述锥形外壳和内部隔板之间的拉瓦尔喷管。

4.一种超音速激光沉积装置，其特征在于，包括：冷水机（1）、激光发生器（2）、机床床身（3）、激光加工头（4）、送粉器（6）、高压气源（7）和权利要求1-3任一项所述的超音速激光沉积喷枪（5），所述冷水机（1）通过水管连接于所述激光发生器（2）和超音速激光沉积喷枪（5），所述激光发生器（2）的激光输出端通过传输光纤连接于所述激光加工头（4），所述激光加工头（4）连接于所述超音速激光沉积喷枪（5），所述高压气源（7）通过气管连接于所述超音速激光沉积喷枪（5），所述送粉器（6）通过粉管连接于所述超音速激光沉积喷枪（5），所述机床床身（3）用于固定待加工工件。

5.一种基于权利要求4所述超音速激光沉积装置进行的超音速激光沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将待加工工件的基体表面进行打磨清洗，清洗完毕后将待加工工件放置于机床床身上并夹紧；

步骤二、根据沉积处理要求选择超音速激光沉积用粉末，并装配于送粉器内，同时向高压气源内充入满足沉积处理要求的高压气体；

步骤三、根据沉积处理要求调节激光发生器输出激光束的光斑尺寸，调节待加工工件与超音速激光沉积喷枪之间的距离；

步骤四、根据沉积处理要求调节送粉器的送粉量和送粉速率；

步骤五、根据沉积处理要求调节高压气源的输出气体压力；

步骤六、根据沉积处理要求设置激光发生器输出至待加工工件的基体表面的激光功率，并开启冷水机和水冷系统；

步骤七、根据沉积处理要求选择开启高压粉气送粉口或低压粉气送粉口，来自送粉器的粉料经高压气源提供的高压气体的带动穿过粉气混合束通道后形成超音速粉气混合束，并与激光发生器提供的经激光束通道发射出的激光束在待加工工件的基体表面上方交汇形成激光粉末交汇区，粉料在激光能量作用下以固态、液态或固液共存态沉积于待加工工件基体表面，形成超音速激光沉积层；

步骤八、超音速激光沉积后将待加工工件取下进行后续处理。

6.根据权利要求5所述的超音速激光沉积方法，其特征在于，超音速激光沉积过程中按照如下范围选择相关技术参数：

（1）超音速激光沉积喷枪的移动速度范围为5-200mm/s；

（2）超音速激光沉积喷枪距离待加工工件基体表面的高度为5-50mm；

（3）超音速粉气混合束与激光束形成的激光粉末交汇区距离待加工工件基体表面为0.1-10mm；

（4）通过粉气混合束通道输出的超音速粉气混合束的传输速率为300-1500mm/s；

（5）高压气源提供的高压气体类型为氮气、氦气、压缩空气或以上任意两种或多种气体的混合气体，高压气体压力为0.3-5.0Mpa；

（6）通过粉气混合束通道输出的超音速粉气混合束中的送粉量速率为10-500g/min；

（7）通过粉气混合束通道输出的超音速粉气混合束中的粉末粒径为1-120μm；

（8）通过粉气混合束通道输出的超音速粉气混合束的直径为0.5-10mm；

（9）激光发生器输出的激光功率在0.3-10kw范围内可调，激光发生器通过激光束通道输出至待加工工件基体表面的激光束光斑直径在0.1-10mm可调。

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