CN110904447B - 一种内壁超音速激光复合沉积装置 - Google Patents
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Abstract
一种内壁超音速激光复合沉积装置，包括：振镜扫描单元，包括安装架体和振镜扫描装置，安装架体装于内壁超音速激光沉积单元上，安装架体的上部设有供激光光束穿过的透光口，底部设有供激光光束穿过的激光出光口；内壁超音速激光沉积单元，包括筒体、喷嘴、激光通路、送气管和送粉管，喷嘴、激光通路送气管和送粉管均安装于筒体内，并且激光通路的出光口通过分光器一分为二，其中第一路延伸至安装架体的透光口处，第二路与喷嘴的上部连通；以及激光器，出光口对准激光通路的进光口。本发明的有益效果是：实现对孔类零部件内壁的金属涂层或复合涂层的制备，还可以实现对内壁的修复、再制造，提高了内壁的表面性能。
Description
技术领域
本发明涉及表面改性以及再制造领域，特别是涉及一种内壁的超音速激光复合沉积装置。
背景技术
超音速激光沉积是将激光辐照与冷喷涂技术相结合的新型表面改性技术。该技术采用激光作为辅助热源，沉积过程中激光辐照光斑和喷涂粉斑同步，实现对喷涂颗粒、沉积区域或已沉积的涂层实现同步加热，借助于高能束激光快速加热能力，能瞬间改善或者调节沉积颗粒和沉积区域材料的力学性能和碰撞沉积状态,提高低压冷喷涂层的厚度、沉积效率、致密度和结合强度,进而提高涂层的使用性能。由于激光加热对喷涂颗粒和基材的软化作用,喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半,因此可用价格低廉的氮气替代昂贵的氦气,实现高硬度材料的沉积,在降低成本的同时拓宽了冷喷涂沉积材料的范围，从而提高涂层的致密度、沉积效率和结合强度，进而改善涂层的使用性能。
孔类零部件作为零部件其中一种，不同于其他零部件损伤位置位于外壁，其损伤往往出现在零部件内壁。在使用期间，孔类零部件经常会受到高温摩擦磨损、局部冲击、周期性热循环、应力和腐蚀等恶劣情况的影响，导致零部件出现局部失效进而整体报废。比如在工业生产领域，注塑机料筒在工作期间内壁会受到螺杆推动下的熔融物料产生的摩擦磨损；在石油化工领域，输油管道长时间使用下内壁会受到石油原料腐蚀；在汽车动力领域，发动机缸体及气缸套会受到工作时的高温摩擦磨损等。对孔类零部件内壁进行强化处理有利于提高其寿命，降低工作成本。但是由于孔类零部件的特殊性，进行强化处理时会受到尺寸和形状的限制，所以可以采用的强化处理方法相对较少，主要为感应淬火、表面涂镀以及渗氮等方法。表面涂镀可以制备致密均匀的涂层，能够良好的符合工业需求，但是表面涂镀会存在结合力较差的问题。渗氮的方式可以提高零部件内壁的硬度、耐腐蚀性和耐磨性，但存在渗氮层脆性高、硬度分布不均匀且表面形貌差的问题。这些方法均存在着不同的优势，但是也存在着硬度不均匀、结合强度差、成本高、效率低等问题。因此，超音速激光沉积技术有望成为一种制备内孔表面金属涂层或复合涂层的新方法。但现有的超音速激光沉积喷枪由于受喷涂空间和伸入孔中喷嘴不能垂直于内壁等因素的限制，无法在内孔表面进行涂层制备。
因此，开发一种相对尺寸较小的内孔超音速激光沉积喷枪具有非常大的意义。
发明内容
为克服背景技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种针对内壁的超音速激光复合沉积装置。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于，包括：
振镜扫描单元，包括安装架体和振镜扫描装置，安装架体装于内壁超音速激光沉积单元上，安装架体的上部设有供激光光束穿过的透光口，底部设有供激光光束穿过的激光出光口，用于支撑振镜扫描装置；振镜扫描装置包括分光部和若干套振镜扫描部，分光部和振镜扫描部均设置于安装架体上，所述分光部位于透光口的正下方，用于接收激光器射出的激光光束并将其分成至少两束激光束作为振镜扫描部的发射激光光束，每束发射激光光束对应一套振镜扫描部；所述振镜扫描部与所述振镜控制部相连，使得经振镜扫描部扫描的扫描光束从激光出光口穿出后在基材的沉积面展开成一激光扫描区，用于对基体沉积面加热或者改善基体表面形貌；
内壁超音速激光沉积单元，包括筒体、喷嘴、激光通路、送气管和送粉管，喷嘴、激光通路送气管和送粉管均安装于筒体内，并且激光通路的出光口通过分光器一分为二，其中第一路延伸至安装架体的透光口处，用于将激光器发射的激光光束通过透光口引至振镜扫描部，第二路与喷嘴的上部连通，用于将激光光束引入喷嘴内；送粉管的进粉口与外部的送粉器相连通，送气管的进气口与外部的气源连通；喷嘴嵌装于筒体内，并且喷嘴的上部分别与激光通路的第二路、送气管的出气口连通，喷嘴下部与送粉管连通，喷嘴的总出粉口对准基材的沉积面，使得粉末被高压气体携带喷出喷嘴在基材的沉积面形成涂层，且涂层落在激光扫描区范围内；
以及激光器，出光口对准激光通路的进光口，用于向激光通路内射入激光光束。
进一步，所述分光部为一装于固定机架内壁的分光镜，且所述的分光镜位于透光口的正下方，用于将穿过透光口的激光光束分成至少两束发射激光光束；
所述振镜扫描部包括反射镜和聚光镜，所述振镜控制部包括反射镜驱动电机和聚光镜驱动电机，反射镜驱动电机和聚光镜驱动电机均通过固定部安装于安装架体内；所述反射镜安装于反射镜驱动电机的驱动轴上，用于将接收的发射激光光束反射至位于下方的聚光镜上；所述聚光镜安装于聚光镜驱动电机的驱动轴上，用于将反射镜反射的反射激光光束从激光出光口射至基材沉积面并展开成一激光扫描区。
进一步，所述分光镜的镜面为平面或弧形面。
进一步，聚焦镜的镜面由一个或多个弧形镜面组成。
进一步，所述喷嘴从上到下分为喷嘴收缩段、喷嘴喉部和喷嘴扩张段，且喷嘴收缩段、喷嘴扩张段分列于喷嘴喉部的上、下两侧；所述喷嘴收缩段设有用于与激光通路第二路连通的透光孔和用于与进气管出气口连通的喷嘴气体进口，所述透光孔、喷嘴气体进口均与喷嘴收缩段内腔连通；喷嘴扩张段设有用于与送粉管的出粉口管路连通的喷嘴粉末进口，并且喷嘴扩张段的末端作为喷嘴的总出粉口对准基材的沉积面。
进一步，所述喷嘴的中心轴与所述的透光口中心轴同轴。
进一步，所述激光通路为直角通路，通路的折角处设有分光器，使得从激光器发射的激光光束经过分光器后分成至少两路光束，第一路进入振镜扫描装置，第二路进入喷嘴从喷嘴扩张段射出。
进一步，所述的筒体为直角形筒体；所述送气管为直角形管体，气体沿着送气方向从送气管通过喷嘴高压气体入口进入喷嘴内部，然后依次经过喷嘴收缩段、喷嘴喉部、喷嘴扩张段从喷嘴喷出。
进一步，所述送粉管沿轴向划分为送粉管水平段与送粉管倾斜段，送粉管倾斜段与送粉管水平段的夹角为120°～150°，送粉管水平段的外端作为送粉管的进粉口与外部的送粉器的出粉口管路连通，送粉管倾斜段的出粉口连通至喷嘴扩张段的喷嘴粉末进口连通。
进一步，所述喷嘴气体进口的中心轴与喷嘴中心轴平行。
进一步，所述激光器为光纤激光器、半导体激光器、Nd：YAG1激光器或者蓝/绿光激光器等。
进一步，所述分光器可以控制分开光束的数量和能量强度。
进一步，筒体的水平段长度可根据实际情况而定。
本发明的有益效果主要体现在：
1)本发明提出的一种超音速激光沉积内壁喷涂装置，可以实现对孔类零部件内壁的金属涂层或复合涂层的制备，还可以实现对内壁的修复、再制造，提高了内壁的表面性能；
2)本发明较传统的超音速激光沉积装置，将气路、粉路、光路集成到一个装置中，简化了实验设备，且在喷涂过程中，光斑与粉斑保持同轴。
3)本发明中激光光束通过分光器，分成两道激光光束，光束通过扫描振镜在一个方向快速来回扫动。分光器可以控制分出光束的数量和能量密度，可以实现提前预热基板或后续改善表面粗糙度，使表面变得更加平整，减少二次加工。
附图说明
图1a是本发明的结构示意图；
图1b是本发明的侧视图；
图2为本发明中的振镜扫描单元结构图；
图3为本发明的振镜扫描单元剖视图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
参照附图：
实施例1本发明所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，包括：
振镜扫描单元1，包括安装架体108和振镜扫描装置，安装架体108装于内壁超音速激光沉积单元2上，安装架体108的上部设有供激光光束穿过的透光口101，底部设有供激光光束穿过的激光出光口，且激光出光口处安装保护镜107，用于支撑振镜扫描装置；振镜扫描装置包括分光部和若干套振镜扫描部，分光部和振镜扫描部均设置于安装架体108上，所述分光部位于透光口101的正下方，用于接收激光器射出的激光光束并将其分成至少两束激光束作为振镜扫描部的发射激光光束，每束发射激光光束对应一套振镜扫描部；所述振镜扫描部与所述振镜控制部相连，使得经振镜扫描部扫描的扫描光束从激光出光口穿出后在基材的沉积面展开成一激光扫描区，用于对基体沉积面加热或者改善基体表面形貌；
内壁超音速激光沉积单元2，包括筒体201、喷嘴、激光通路204、送气管205和送粉管209，喷嘴、激光通路204、送气管205和送粉管209均安装于筒体201内，并且激光通路204的出光口通过分光器202一分为二，其中第一路延伸至安装架体的透光口101处，用于将激光器206发射的激光光束通过透光口引至振镜扫描部，第二路与喷嘴的上部连通，用于将激光光束引入喷嘴内；送粉管209的进粉口与外部的送粉器相连通，送气管205的进气口与外部的气源连通；喷嘴嵌装于筒体201内，并且喷嘴的上部分别与激光通路204的第二路、送气管205的出气口连通，喷嘴下部与送粉管209连通，喷嘴的总出粉口对准基材的沉积面，使得粉末被高压气体携带喷出喷嘴在基材的沉积面形成涂层，且涂层落在激光扫描区范围内；
以及激光器206，激光出光口对准激光通路204的进光口，用于向激光通路内射入激光光束。
进一步，所述分光部为一装于固定机架内壁的分光镜103，且所述的分光镜103位于透光口101的正下方，用于将穿过透光口101的激光光束分成至少两束发射激光光束102；
所述振镜扫描部包括反射镜105和聚光镜106，所述振镜控制部包括反射镜驱动电机104a和聚光镜驱动电机104b，反射镜驱动电机和聚光镜驱动电机均通过固定部安装于安装架体内；所述反射镜安装于反射镜驱动电机的驱动轴上，用于将接收的发射激光光束反射至位于下方的聚光镜上；所述聚光镜安装于聚光镜驱动电机的驱动轴上，用于将反射镜反射的反射激光光束从激光出光口射至基材沉积面并展开成一激光扫描区。
进一步，所述分光镜103的镜面为平面或弧形面。
进一步，聚焦镜106的镜面由一个或多个弧形镜面组成。
进一步，所述喷嘴从上到下分为喷嘴收缩段211、喷嘴喉部213和喷嘴扩张段214，且喷嘴收缩段211、喷嘴扩张段214分列于喷嘴喉部213的上、下两侧；所述喷嘴收缩段211设有用于与激光通路第二路连通的透光孔203和用于与进气管出气口连通的喷嘴气体进口210，所述透光孔、喷嘴气体进口均与喷嘴收缩段内腔连通；喷嘴扩张段设有用于与送粉管的出粉口管路连通的喷嘴粉末进口，并且喷嘴扩张段的末端作为喷嘴的总出粉口对准基材的沉积面。
进一步，所述喷嘴的中心轴与所述的透光口中心轴同轴。
进一步，所述激光通路为直角通路，通路的折角处设有分光器202，使得从激光器发射的激光光束经过分光器后分成至少两路光束，第一路进入振镜扫描装置，第二路进入喷嘴从喷嘴扩张段射出。
进一步，所述的筒体为直角形筒体；所述送气管为直角形管体，气体沿着送气方向从送气管通过喷嘴高压气体入口进入喷嘴内部，然后依次经过喷嘴收缩段、喷嘴喉部、喷嘴扩张段从喷嘴喷出。
进一步，所述送粉管沿轴向划分为送粉管水平段与送粉管倾斜段，送粉管倾斜段与送粉管水平段的夹角为120°～150°，送粉管水平段的外端作为送粉管的进粉口与外部的送粉器的出粉口管路连通，送粉管倾斜段的出粉口连通至喷嘴扩张段的喷嘴粉末进口连通。
进一步，所述喷嘴气体进口的中心轴与喷嘴中心轴平行。
进一步，所述激光器为光纤激光器、半导体激光器、Nd：YAG1激光器或者蓝/绿光激光器等。
进一步，所述分光器可以控制分开光束的数量和能量强度。
进一步，筒体的水平段长度可根据实际情况而定。
实施例2如图1、2、3所示的一种内壁的超音速激光复合沉积装置，由振镜扫描单元1、内壁超音速激光沉积单元2和激光器206组成。所述的内壁超音速激光沉积单元2包括喷嘴、激光通路204、筒体201、进气管205和送粉管209；所述喷嘴的喷嘴喉部213的上侧为喷嘴收缩段211，下侧为喷嘴扩张段214，喷嘴在喷嘴收缩段211上设有一个供高压气通入的喷嘴气体进口210和用于供激光光束进入的透光孔203，喷嘴的喷嘴扩张段设有一个用于引入粉末的喷嘴粉末进口212；所述的激光通路204为直角通路，通路的折角处设有分光器202，从激光器发射的激光束经过分光器后分成至少两路光束，第一路进入振镜扫描单元1，第二路进入喷嘴从喷嘴扩张段214射出；所述的筒体201为直角形筒体；所述送气管205为直角形管体，气体沿着送气方向从送气管205通过喷嘴喷嘴气体进口210进入喷嘴内部，然后依次经过喷嘴收缩段211、喷嘴喉部213、喷嘴扩张段214从喷嘴喷出；所述送粉管209沿轴向从外向内依次划分为送粉管水平段与送粉管倾斜段，倾斜段与水平段的夹角为120°～150°，粉末沿着送粉方向208依次经过送粉管209的送粉管水平段与送粉管倾斜段，然后从喷嘴粉末进口212进入喷嘴扩张段214后被高压气体携带喷出喷嘴，形成涂层。所述振镜扫描部包括作为分光部的分光镜102以及两套振镜扫描部，分光镜为一倒置的等腰直角三棱柱，即分光镜的横截面与透光口的中心轴平行；等腰直角三棱柱的过等腰三角形底边的矩形侧面作为入射端面位于透光口的正下方，并且透光口的中心轴与矩形底面垂直；等腰三棱柱过等腰三角形的腰的矩形侧面各对应一套振镜扫描部；所述振镜扫描部包括反射镜片105和聚焦镜片106振镜控制部包括反射镜驱动电机104a和聚光镜驱动电机104b，分光镜103用于将从分光器202分出来的激光光束102分成至少两束，振镜控制系统控制反射镜片105控制入射激光的入射角实现激光扫描，两条激光束通过振镜扫描可以聚焦形成一条矩形区域，可用于基体加热或者改善表面形貌。
进一步，所述的透光孔203中心轴与喷嘴中心轴同轴。
进一步，所述筒体201的水平段长度可根据实际情况而定
进一步，所述振镜系统分光镜103镜面为平面或弧形面。
进一步，所述聚焦镜106镜面由一个或多个弧形镜面组成
进一步，所述激光器206为光纤激光器、半导体激光器、Nd：YAG1激光器或者蓝/绿光激光器等
进一步，所述分光器202可以控制分开光束的数量和能量强度
进一步，所述的气体入口210中心轴与喷嘴中心轴平行。
本实施例中，该装置的工作气体可选择为压缩空气、氮气、氩气等；气体温度可在室温～1000℃；工作气压为0.1～5.0Mpa。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于，包括：
振镜扫描单元，包括安装架体和振镜扫描装置，安装架体装于内壁超音速激光沉积单元上，安装架体的上部设有供激光光束穿过的透光口，底部设有供激光光束穿过的激光出光口，用于支撑振镜扫描装置；振镜扫描装置包括分光部和若干套振镜扫描部，分光部和振镜扫描部均设置于安装架体上，所述分光部位于透光口的正下方，用于接收激光器射出的激光光束并将其分成至少两束激光束作为振镜扫描部的发射激光光束，每束发射激光光束对应一套振镜扫描部；所述振镜扫描部与所述振镜控制部相连，使得经振镜扫描部扫描的扫描光束从激光出光口穿出后在基材的沉积面展开成一激光扫描区，用于对基体沉积面加热或者改善基体表面形貌；
内壁超音速激光沉积单元，包括筒体、喷嘴、激光通路、送气管和送粉管，喷嘴、激光通路送气管和送粉管均安装于筒体内，并且激光通路的出光口通过分光器一分为二，其中第一路延伸至安装架体的透光口处，用于将激光器发射的激光光束通过透光口引至振镜扫描部，第二路与喷嘴的上部连通，用于将激光光束引入喷嘴内；送粉管的进粉口与外部的送粉器相连通，送气管的进气口与外部的气源连通；喷嘴嵌装于筒体内，并且喷嘴的上部分别与激光通路的第二路、送气管的出气口连通，喷嘴下部与送粉管连通，喷嘴的总出粉口对准基材的沉积面，使得粉末被高压气体携带喷出喷嘴在基材的沉积面形成涂层，且涂层落在激光扫描区范围内；
以及激光器，出光口对准激光通路的进光口，用于向激光通路内射入激光光束。
2.如权利要求1所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：所述分光部为一装于固定机架内壁的分光镜，且所述的分光镜位于透光口的正下方，用于将穿过透光口的激光光束分成至少两束发射激光光束；
所述振镜扫描部包括反射镜和聚光镜，所述振镜控制部包括反射镜驱动电机、聚光镜驱动电机和振镜控制器，反射镜驱动电机和聚光镜驱动电机均通过固定部安装于安装架体内；所述反射镜安装于反射镜驱动电机的驱动轴上，用于将接收的发射激光光束反射至位于下方的聚光镜上；所述聚光镜安装于聚光镜驱动电机的驱动轴上，用于将反射镜反射的反射激光光束从激光出光口射至基材沉积面并展开成一激光扫描区；反射镜驱动电机的控制端、聚光镜驱动电机的控制端均与振镜控制器相应端口相连接，用于控制入射激光的入射角实现激光扫描。
3.如权利要求2所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：所述分光镜的镜面为平面或弧形面。
4.如权利要求2所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：聚焦镜的镜面由一个或多个弧形镜面组成。
5.如权利要求1所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：所述喷嘴从上到下分为喷嘴收缩段、喷嘴喉部和喷嘴扩张段，且喷嘴收缩段、喷嘴扩张段分列于喷嘴喉部的上、下两侧；所述喷嘴收缩段设有用于与激光通路第二路连通的透光孔和用于与进气管出气口连通的喷嘴气体进口，所述透光孔、喷嘴气体进口均与喷嘴收缩段内腔连通；喷嘴扩张段设有用于与送粉管的出粉口管路连通的喷嘴粉末进口，并且喷嘴扩张段的末端作为喷嘴的总出粉口对准基材的沉积面。
6.如权利要求5所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：所述喷嘴的中心轴与所述的透光口中心轴同轴。
7.如权利要求5所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：所述激光通路为直角通路，通路的折角处设有分光器，使得从激光器发射的激光光束经过分光器后分成至少两路光束，第一路进入振镜扫描装置，第二路进入喷嘴从喷嘴扩张段射出。
8.如权利要求1所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：所述的筒体为直角形筒体；所述送气管为直角形管体，气体沿着送气方向从送气管通过喷嘴高压气体入口进入喷嘴内部，然后依次经过喷嘴收缩段、喷嘴喉部、喷嘴扩张段从喷嘴喷出。
9.如权利要求1所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：所述送粉管沿轴向划分为送粉管水平段与送粉管倾斜段，送粉管倾斜段与送粉管水平段的夹角为120°～150°，送粉管水平段的外端作为送粉管的进粉口与外部的送粉器的出粉口管路连通，送粉管倾斜段的出粉口连通至喷嘴扩张段的喷嘴粉末进口连通。
10.如权利要求5所述的一种内壁超音速激光复合沉积装置，其特征在于：所述喷嘴气体进口的中心轴与喷嘴中心轴平行。
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