CN110184557A - 一种激光复合热喷涂系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光复合热喷涂系统和方法，包括待喷涂沉积涂层的基体，位于所述基体正上方且照射所述基体的脉冲激光束流系统、连续激光束流系统和热喷涂粒子束流喷枪系统；所述脉冲激光束流系统用于对所述基体表面发射脉冲激光束流，以清除所述基体表面的污染物和金属表面氧化膜；所述连续激光束流系统用于对所述基体表面发射连续激光束流，以调控热喷涂粒子束流沉积前的所述基体表面温度；所述热喷涂粒子束流喷枪系统用于产生喷涂沉积涂层所需要的所述热喷涂粒子束流，所述热喷涂粒子束流为熔融或半熔化状；通过本发明可获得粒子间充分冶金结合的耐腐蚀与耐磨损的合金涂层。

Description

一种激光复合热喷涂系统和方法

技术领域

本发明涉及喷涂技术领域，特别是涉及一种激光复合热喷涂系统和一种激光复合热喷涂方法。

背景技术

热喷涂是通过高温高速热源，如高温火焰、高温等离子射流，加热粉末颗粒材料形成熔融或半融化的粒子束流，在移动中定向喷射向基体表面，熔融粒子依次碰撞在基体表面而沉积；束流每一次扫过基体表面时，形成一定厚度的一层沉积层，通过粒子束流多次叠加沉积，通过多层叠加，形成一定厚度的涂层。

现有的热喷涂涂层制备方法，一般仅采用喷涂粒子束流沉积涂层，普遍存在的问题：粒子层间不能达到有效结合，结合率约为40％。原有方法主要有以下两点：熔融粒子高速碰撞时，冷却速度极快，通常超过10⁵℃/s，与基体表面的接触时间很短，液固界面温度低，润湿效果差，界面冶金结合难以形成，仅在中心区域因熔融金属较长时间与基体保持接触而提升界面温度而形成冶金结合，但结合率小于40％。其次，在金属涂层沉积时，沉积的高温粒子在冷却中，受大气气氛的作用而发生氧化，形成的氧化膜阻止后续熔融粒子碰撞时，与基体金属的直接接触，阻止结合。这两个问题迄今没有得到较好解决。

针对上述金属涂层的氧化问题，目前采用真空等离子喷涂方法制备涂层。

真空等离子喷涂方法的具体实现步骤如下：采用具有一定尺寸限制的腔室，通过真空系统使得在低于大气气氛的真空条件下，在腔室中填充如惰性气体如氩气，由此在惰性保护气氛中进行喷涂沉积，防止喷涂金属材料的氧化。存在的问题如下：

(1)尽管氧化得到控制，但是因需要采用形成真空的腔室，喷涂零件的尺寸受到腔室大小的限制；

(2)喷涂过程需要在腔室内进行，喷涂灵活性差；

(3)喷涂过程中，为防止氧化，需要通过填充惰性气体进行保护，需要大量的保护气体，额外增加了运行成本；

(4)因需要真空腔室与真空系统，使得喷涂系统的投资成本大幅度增加。

因上述问题，使得真空等离子喷涂(又称低压等离子喷涂)，仅应用在较少的需要附加价值较高涂层制备的场合。

发明内容

本发明提供一种激光复合热喷涂系统和方法，以获得粒子间充分冶金结合的耐腐蚀与耐磨损的合金涂层。

为了解决上述问题，本发明公开了一种激光复合热喷涂系统，包括：

待喷涂沉积涂层的基体，位于所述基体正上方且照射所述基体的脉冲激光束流系统、连续激光束流系统和热喷涂粒子束流喷枪系统；

所述脉冲激光束流系统，用于对所述基体表面发射脉冲激光束流，以清除所述基体表面的污染物和金属表面氧化膜；

所述连续激光束流系统，用于对所述基体表面发射连续激光束流，以调控热喷涂粒子束流沉积前的所述基体表面温度；

所述热喷涂粒子束流喷枪系统，用于产生喷涂沉积涂层所需要的所述热喷涂粒子束流，所述热喷涂粒子束流为熔融或半熔化状；

其中：所述脉冲激光束流、所述连续激光束流和所述热喷涂粒子束流按预设间距平行排列。

进一步的，所述脉冲激光束流为纳秒激光，束流功率为100W到500W的任一功率，脉冲时间为1ns～1μs，束流覆盖宽度≥25mm。

进一步的，所述连续激光束流的功率为3kW至9kW的任一功率，束流整形为圆弧形或人字形光束。

进一步的，所述热喷涂粒子束流为金属粒子束流、陶瓷粒子束流或金属陶瓷粒子束流，通过等离子喷涂枪或超音速火焰喷枪加热加速喷涂粉末颗粒而产生。

进一步的，所述热喷涂粒子束流的扫描速度为50mm/s到1000m/s范围的任一速度，且束流直径＜25mm。

进一步的，所述预设间距包括所述脉冲激光束流与所述连续激光束流之间的间距，所述连续激光束流与所述热喷涂粒子束流之间的间距；

其中，所述脉冲激光束流与所述连续激光束流的中心点间距为0～5mm；

所述连续激光束流的中心点与所述热喷涂粒子束流的内边界之间的间距为0～10mm。

为了解决上述问题，本发明还公开了一种激光复合热喷涂方法，所述方法应用于本发明实施例所述的系统中，所述方法包括：

确定所述脉冲激光束流的扫描速度和扫描方向；

根据所述扫描速度和所述扫描方向，将所述脉冲激光束流、所述连续激光束流和所述热喷涂粒子束流按照所述预设间距依次对所述待喷涂沉积涂层的基体表面进行反复喷涂。

进一步的，所述方法包括：

所述热喷涂粒子束流以所述扫描速度和所述扫描方向移动时，所述待喷涂沉积涂层的基体表面最高加热至1500℃。

进一步的，当所述热喷涂粒子束流的材料为氧化物陶瓷时，所述方法包括：

采用所述连续激光束流对所述待喷涂沉积涂层的基体表面进行反复照射，使得所述待喷涂沉积涂层的基体表面温度达到陶瓷熔滴形成结合的温度以上；

在所述连续激光束流喷涂之后，按照所述预设间距，将所述热喷涂粒子束流对所述基体表面进行喷涂。

进一步的，当所述热喷涂粒子束流为除氧化物陶瓷以外的金属材料或无机材料时，所述方法包括：

所述基体经过所述脉冲激光束流、所述连续激光束流照射后，在所述热喷涂粒子束流喷射在所述基体表面瞬时，使所述基体的表面温度超过临界结合温度；其中，所述临界结合温度为所述热喷涂粒子束流的温度的一半。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

本发明创造性地增加了两束与热喷涂粒子束流平行的脉冲激光束流、连续激光束流，在热喷涂粒子束流到达基体的沉积表面前的瞬间分别在空间上以非常小的间隔照射在基体表面上，可实现金属涂层沉积前的已沉积涂层表面的氧化膜去除与表面温度控制的功能，从而沉积制备粒子间充分化学或冶金结合的耐腐蚀与耐磨损涂层。

附图说明

图1是本发明实施例一种激光复合热喷涂系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一种激光复合热喷涂方法的步骤流程图；

图3是本发明实施例一种激光复合热喷涂装置的结构框图。

附图标记说明：

1-基体，2-脉冲激光束流，3-连续激光束流，4-热喷涂粒子束流。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

针对目前的热喷涂金属涂层制备方法所存在的两个问题，参照图1，示出了本发明实施例一种激光复合热喷涂系统的结构示意图，所述激光复合喷涂系统可以包括：

待喷涂沉积涂层的基体1，位于所述基体1正上方且照射所述基体1的脉冲激光束流2系统、连续激光束流3系统和热喷涂粒子束流4喷枪系统；

所述脉冲激光束流2系统，用于对所述基体1表面发射脉冲激光束流2，以清除所述基体1表面的污染物和金属表面氧化膜；

所述连续激光束流3系统，用于对所述基体1表面发射连续激光束流3，以调控热喷涂粒子束流4沉积前的所述基体1表面温度；

所述热喷涂粒子束流4喷枪系统，用于产生喷涂沉积涂层所需要的所述热喷涂粒子束流4，所述热喷涂粒子束流4为熔融或半熔化状；

其中：所述脉冲激光束流2、所述连续激光束流3和所述热喷涂粒子束流4按预设间距平行排列。

在本发明实施例中，所述基体1为需要沉积金属合金涂层、或陶瓷涂层、或金属陶瓷涂层的装载体，基体1一般为金属合金构件，比如航空发动机和大型燃气轮机热端部件。待喷涂沉积涂层的基体1为喷涂粒子束流准备定向喷射后沉积涂层的材料表面，或已沉积涂层后继续喷涂沉积的涂层表面；

所述热喷涂粒子束流4为金属粒子束流、陶瓷粒子束流或金属陶瓷粒子束流，通过等离子喷涂枪或超音速火焰喷枪加热加速喷涂粉末颗粒而产生。所述的离子喷涂枪或超音速火焰喷枪为热喷涂粒子束流4喷枪系统的一部分，送入喷枪中的金属粉末颗粒被等离子射流或超音速火焰加热与加速，从而形成热喷涂粒子束流4。

在本发明一优选实施例中，所述热喷涂粒子束流4的扫描速度为50mm/s到1000m/s范围的任一速度，且束流直径＜25mm。本发明实施例的扫描速度范围较大，快至1000m/s，慢至50mm/s。当速度在50mm/s左右时，可有利于热喷涂粒子束流4在基体1上沉积，适用于热喷涂粒子束流4喷枪系统在工作时的速度；1000m/s非常迅速，适用于热喷涂粒子束流4喷枪系统在基体上沉积分散的粒子，或连续为一体但仅有有限若干层粒子构成的薄涂层。

在本发明一优选实施例中，所述脉冲激光束流2为纳秒激光，束流功率为100W到500W的任一功率，脉冲时间为1ns～1μs，束流覆盖宽度(也称束流横线扫描宽度)≥25mm。所述脉冲激光束流2喷枪可采用纳秒脉冲光纤激光器，或纳秒半导体激光器，能以纳秒级别的时间喷射脉冲激光束流2，去除基体1涂层沉积范围内的表面氧化膜，同时形成无氧化膜的合金表面。脉冲激光束流2的宽度优选大于25mm，能形成较大的除氧化膜的作用面积，降低周围环境影响，提高污染物和金属表面氧化膜的去除效果。实际工作时，脉冲激光束流2的扫描速度和方向与喷涂粒子束流相同，并在与扫描方向垂直的方向上高速往返扫描，使得脉冲激光束流2对基体1的作用面积最大，去除氧化膜的效果最好。

所述连续激光束流3激光可采用千瓦级光纤激光器，可快速将基体1的表面加热至高温熔融粒子碰撞后可引起基体1的表面微熔化的温度范围。优选的，所述连续激光束流3的功率为3kW至9kW的任一功率，束流整形为圆弧形或人字形光束。圆弧形或人字形光束都能够有效汇聚连续激光束流3，缩短激光束流与粒子束流到达基体表面的空间与时间上的间距，以连续激光束流3的圆弧形或人字形光束区域去加热，可确保提高对基体1的粒子沉积的表面的均匀加热效果。

上述脉冲激光束流2激光、连续激光束流3激光和热喷涂粒子束流4喷枪可按一条直线排列，使得三个束流出来时互相平行。预设间距根据应用需求而设定，所述的预设间距包括所述脉冲激光束流2与所述连续激光束流3之间的间距，所述连续激光束流3与所述热喷涂粒子束流4之间的间距。一般来说，脉冲激光束流2、连续激光束流3和热喷涂粒子束流4三者间的距离都极小，以保证喷涂粒子前基体1的沉积涂层的表面区域上无氧化膜，以及保证基体1的沉积温度。优选的，所述脉冲激光束流2与所述连续激光束流3的中心点间距为0～5mm；所述连续激光束流3的中心点与所述热喷涂粒子束流4的内边界之间的间距为0～10mm。

本发明实施例的激光复合喷涂系统，创造性地增加了脉冲激光束流2喷枪和连续激光束流3喷枪，脉冲激光束流2喷枪和连续激光束流3喷枪所喷射出来的束流与所述热喷涂粒子束流4喷枪喷射出来的热喷涂粒子束流4相互平行，使得脉冲激光束流2、连续激光束流3和热喷涂粒子束流4按预设路径依次对基体1的表面进行预处理，以清除基体1表面的污染物和金属表面氧化膜，以及调控热喷涂粒子束流4沉积前的基体1表面温度，达到控制热喷涂粒子束流4沉积前的已沉积涂层的表面热状态与微结构的目的，从而沉积制备粒子间充分冶金结合的耐腐蚀与耐磨损金属合金涂层。本发明实施例的喷涂地点不受限制，可在室外进行，避免了现有技术中喷涂零件的尺寸受到腔室大小的限制，喷涂灵活性差的问题；同时，本发明实施例的喷涂结构简单，无需额外保护条件，喷涂成本较低。

接下来，参照图2，示出了本发明实施例一种激光复合热喷涂方法的步骤流程图，所述方法应用于图1的激光复合喷涂系统中，所述喷涂方法具体可以包括以下步骤：

步骤S201：确定所述脉冲激光束流2的扫描速度和扫描方向；

步骤S202：根据所述扫描速度和所述扫描方向，将所述脉冲激光束流2、所述连续激光束流3和所述热喷涂粒子束流4按照所述预设间距依次对所述待喷涂沉积涂层的基体1表面进行反复喷涂。

脉冲激光束流2的扫描方向由产品的涂层需求和粒子层间结合需求来确定。首次对基体1进行热喷涂时，根据产品的涂层需求位置来对基体1进行热喷涂，以形成第一层沉积层；在对沉积层进行热喷涂时，根据沉积层的例子粒子层间结合需求来确定，按照脉冲激光在前、连续激光随后、喷涂粒子束流在最后的相对设置，按脉冲激光束流2、连续激光束流3和热喷涂粒子束流4依次喷涂的顺序对沉积层从右至左的进行热喷涂，或从左至右，或从上至下，或从下至上的进行热喷涂。

为避免基体1的其他部位被损坏，所述热喷涂粒子束流4以所述扫描速度和所述扫描方向移动时，所述待喷涂沉积涂层的基体1表面最高加热至1500℃，实际加热时，待喷涂沉积涂层的基体1表面可加热到设定的室温到1500℃的任意温度。

具体喷涂时，利用脉冲激光束流2喷枪喷出的脉冲激光束流2按着朝着确定的扫描方向首先对所述基体1的表面进行喷涂，以对基体1的表面进行可控加热烧蚀处理，去除表面的纳米尺度的氧化膜，得到无氧化膜的金属基体1或沉积涂层；接着，相当于在脉冲激光束流2喷涂完的瞬间，利用连续激光束流3喷枪连续对所述基体1的表面(即脉冲激光束流2刚喷涂完的区域或某个点)输出一束较均匀的激光，将已沉积涂层的表面温度在喷涂粒子沉积的过程中控制在室温到材料熔点的范围内的任意温度；任意温度可为把基体1的表面温度加热至当热喷涂粒子束流4中的高温熔融粒子碰撞后可引起基体1表面微熔化的温度范围。最后，相当于在连续激光束流3喷涂完的瞬间，基体1的表面可处于熔融粒子碰撞时可形成结合的温度状态，此时热喷涂粒子束流4对所述基体1的表面(即连续激光束流3刚喷涂完的区域或某个点)进行喷涂，将处于熔滴状态的热喷涂粒子束撞击所述基体1的表面，当热喷涂粒子束流4离开沉积区域后，基体1与涂层温度将快速下降至较低温度，形成一定厚度的一层沉积层。本发明实施例经过脉冲激光束流2、连续激光束流3和热喷涂粒子束流4的多次处理、叠加沉积，可在基体1的表面形成粒子间充分冶金结合的耐腐蚀与耐磨损的金属合金涂层。将本发明实施例的金属合金涂层应用在航空发动机或大型燃气轮机热端部件上，可提高所述航空发动机或大型燃气轮机热端部件的耐腐蚀、耐冲蚀磨损、抗高温氧化性能。

在本发明一优选实施例中，所述脉冲激光束流2、所述连续激光束流3和所述热喷涂粒子束流4在同一时刻对所述基体1的喷涂点连线位于同一直线。此实施例表明脉冲激光束流2、连续激光束流3和热喷涂粒子束流4是按直线轨迹对基体1进行热喷涂，可保证每处喷涂的点都能被预处理，有助于提高沉积层的喷涂效果。

本发明实施例的热喷涂粒子束流4为金属粒子束流、陶瓷粒子束流或金属陶瓷粒子束流中的任一种，针对不同喷涂粒子颗粒，本发明实施例的激光复合喷涂方法在具体实现时，可分以下情况处理：

(1)当所述热喷涂粒子束流4的材料为氧化物陶瓷时，所述方法包括：

采用所述连续激光束流3按照预设的扫描方向对所述待喷涂沉积涂层的基体1表面进行喷涂，使得所述待喷涂沉积涂层的基体1表面温度达到陶瓷熔滴形成结合的温度以上；

在所述连续激光束流3喷涂之后，按照所述预设喷涂间距，将所述热喷涂粒子束流4对所述基体1表面进行反复喷涂。

在此方法中，由于氧化物陶瓷的喷涂材料具有较高的熔融温度，在氧化气氛中非常稳定，当表面滋生较薄的内生氧化膜时，与基体1金属表面具有很强的结合力，本发明可将脉冲激光束流2系统关闭，利用连续激光束流3将待喷涂沉积涂层的基体1表面温度加热至陶瓷熔滴形成结合的温度以上即可，该加热温度可以去除表面的污染物。

(2)当所述热喷涂粒子束流4为除氧化物陶瓷以外的金属材料或无机材料时，所述方法包括：

所述基体1经过所述脉冲激光束流2、所述连续激光束流3照射后，在所述热喷涂粒子束流4喷射在所述基体1表面瞬时，使所述基体1的表面温度超过临界结合温度；其中，所述临界结合温度为所述热喷涂粒子束流4的温度的一半。

此方法中，通过控制基体1的表面温度，使所述基体1的表面温度超过临界结合温度，能在喷涂后形成较为细腻的耐腐蚀与耐磨损的合金涂层。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

参照图3，基于同一发明构思，还示出了本发明实施例一种激光复合热喷涂装置的结构框图，所述装置应用于图1的激光复合喷涂系统中，所述喷涂装置具体可以包括以下模块：

参数确定模块301，用于确定所述脉冲激光束流2的扫描速度和扫描方向；

喷涂执行模块302，用于根据所述扫描速度和所述扫描方向，将所述脉冲激光束流2、所述连续激光束流3和所述热喷涂粒子束流4按照所述预设喷涂间距依次对所述待喷涂沉积涂层的基体1表面进行反复喷涂。

上述参数确定模块401还用于确定所述脉冲激光束流2的功率、脉冲宽度、脉冲频率、扫描速度，用于确定连续激光束流3系统的输出功率、连续激光束流3整形后形状，如斑点形状，或为圆弧形，或为人字形；以及用于确定所述产生熔融或半熔的喷涂束流的喷涂参数。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种激光复合热喷涂系统和一种激光复合热喷涂方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种激光复合热喷涂系统，其特征在于，包括：

待喷涂沉积涂层的基体，位于所述基体正上方且照射所述基体的脉冲激光束流系统、连续激光束流系统和热喷涂粒子束流喷枪系统；

所述脉冲激光束流系统，用于对所述基体表面发射脉冲激光束流，以清除所述基体表面的污染物和金属表面氧化膜；

所述连续激光束流系统，用于对所述基体表面发射连续激光束流，以调控热喷涂粒子束流沉积前的所述基体表面温度；

所述热喷涂粒子束流喷枪系统，用于产生喷涂沉积涂层所需要的所述热喷涂粒子束流，所述热喷涂粒子束流为熔融或半熔化状；

其中：所述脉冲激光束流、所述连续激光束流和所述热喷涂粒子束流按预设间距平行排列。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲激光束流为纳秒激光，束流功率为100W到500W的任一功率，脉冲时间为1ns～1μs，束流覆盖宽度≥25mm。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连续激光束流的功率为3kW至9kW的任一功率，束流整形为圆弧形或人字形光束。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热喷涂粒子束流为金属粒子束流、陶瓷粒子束流或金属陶瓷粒子束流，通过等离子喷涂枪或超音速火焰喷枪加热加速喷涂粉末颗粒而产生。

5.根据权利要求1或4所述的系统，其特征在于，所述热喷涂粒子束流的扫描速度为50mm/s到1000m/s范围的任一速度，且束流直径＜25mm。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设间距包括所述脉冲激光束流与所述连续激光束流之间的间距，所述连续激光束流与所述热喷涂粒子束流之间的间距；

其中，所述脉冲激光束流与所述连续激光束流的中心点间距为0～5mm；

所述连续激光束流的中心点与所述热喷涂粒子束流的内边界之间的间距为0～10mm。

7.一种激光复合热喷涂方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1所述的系统中，所述方法包括：

确定所述脉冲激光束流的扫描速度和扫描方向；

根据所述扫描速度和所述扫描方向，将所述脉冲激光束流、所述连续激光束流和所述热喷涂粒子束流按照所述预设间距依次对所述待喷涂沉积涂层的基体表面进行反复喷涂。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

所述热喷涂粒子束流以所述扫描速度和所述扫描方向移动时，所述待喷涂沉积涂层的基体表面最高加热至1500℃。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述热喷涂粒子束流的材料为氧化物陶瓷时，所述方法包括：

采用所述连续激光束流对所述待喷涂沉积涂层的基体表面进行照射，使得所述待喷涂沉积涂层的基体表面温度达到陶瓷熔滴形成结合的温度以上；

在所述连续激光束流照射之后，按照所述预设间距，将所述热喷涂粒子束流对所述基体表面进行喷涂。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述热喷涂粒子束流为除氧化物陶瓷以外的金属材料或无机材料时，所述方法包括：

所述基体经过所述脉冲激光束流、所述连续激光束流照射后，在所述热喷涂粒子束流喷射在所述基体表面瞬时，使所述基体的表面温度超过临界结合温度；其中，所述临界结合温度为所述热喷涂粒子束流的温度的一半。