CN112122022B - 一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪及工作方法 - Google Patents

一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪及工作方法 Download PDF

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Abstract

一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪及工作方法，该喷枪由聚光透镜、二次空气过滤器、一次空气加热过滤器、通透管螺母、外罩、空气聚集帽、空气射吸喷嘴、动力气体入口和送粉嘴所构成；采用激光作为热源，粉末送入激光束中，实现同轴送粉，使激光束在粉末粒子高速飞行过程中熔化粉末，粉末粒子束碰撞基体形成的斑点保持在在激光束斑点的内部，粉末的粒子速度达到或超过200mm/s，粒子束具有较好的刚度，从而可适应任意空间位置的涂层制备，同时激光束对基体仅仅是局部浅表加热，完全不熔化基体，其加热温度可达300～700℃以上，有利于增加涂层内部粒子间的结合率，从而使涂层结合强度得到提高。

Description

一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪及工作方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，具体涉及一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪及工作方法。
背景技术
在工业生产过程中，机械设备往往受到各种介质或工况的作用，从而产生腐蚀、磨损、空蚀、氧化等损伤现象，涂层是提高设备表面性能的一种功能性涂层，可根据具体工况选择不同的防护涂层材料和涂层制备工艺。热喷涂是制备各种金属、金属陶瓷、陶瓷类材料涂层的主要方法，包含了各种火焰喷涂、等离子喷涂等。热喷涂技术具有灵活性高、可适用于任意角度、任何材料的喷涂，尤其适合复杂结构工件表面涂层的制备；喷涂距离远，可达70～300mm的距离，对于一些内孔或窄间隙，仍然能制备涂层；喷涂涂层表面均匀，粗糙度低，大多数工况下，通过简单抛磨可达到表面粗糙度和平整度的要求。但热喷涂是通过高温高速气流将粉末颗粒熔化、加速并碰撞到基体表面，经历快速扁平、凝固、冷却等过程，从而形成涂层的过程。在这个过程中，由于粉末熔化后与基体参数碰撞、基体表面水分、油脂等的蒸发，且凝固速度极快，涂层中容易产生裂纹、气孔、粒子之间的未结合区域。导致涂层中的这些缺陷是热喷涂工艺过程不可避免的固有缺陷。这些缺陷的存在导致涂层结合强度低、表面功能降低，在服役过程中易于发生过早剥落。
随着技术的发展，近年来激光熔覆技术逐步得到广泛应用，其熔覆的涂层具有冶金结合的特点。可实现冶金结合，这是激光熔覆技术相比热喷涂而言的最大优势。但激光熔覆存在固有的技术缺陷，主要体现在灵活性差，不适用于仰焊角度制备涂层；熔覆高硬度涂层容易发生贯穿性裂纹缺陷；熔覆后的表面平整度、粗糙度等相比热喷涂较差；激光熔覆高硬度涂层后，机加工困难。尽管目前研发了高速激光熔覆+激光抛光工艺，但在实际工作过程中，其制备涂层的表面质量仍然无法与热喷涂相比。
在工业表面技术领域，相当一部分工作对涂层的结合强度、表面粗糙度、表面平整度等有要求，尤其是当涂层应用于工件配合部位、冲蚀磨损、气蚀等工况时，一方面要求涂层具有良好的持久性能，同时还需要涂层表面有较低的粗糙度和平整度。因此需要一种能提高涂层结合强度、同时能提高涂层表面粗糙度、平整度的工艺。有研究人员将激光熔覆枪头与热喷涂用的喷枪结合，首先通过热喷涂制备涂层，然后通过激光对涂层表面进行扫描，以期获得高结合强度的涂层，这种工艺在制备高硬度涂层时易于产生贯穿性裂纹缺陷，尤其不适合高硬度的碳化钨、氧化铝等涂层的制备，此外，激光重熔后涂层表面的平整度降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有热喷涂技术不能制备高强度涂层、激光熔覆不能获得良好表面质量的不足，提供一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪及工作方法，使其制备的涂层兼具喷涂和激光熔覆的优点，具有高强度、表面平整度高、粗糙度低的特点。
为达到发明目的，本发明的具体技术方案如下：
一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪，由聚光透镜9、二次空气过滤器8、一次空气加热过滤器1、通透管螺母3、外罩2、空气聚集帽4、空气射吸喷嘴6、动力气体入口5和送粉嘴7所构成；所述二次空气过滤器8为两端无封堵的筒体形状，筒体的中间段布置密集的径向通孔，聚光透镜9置于二次空气过滤器8腔室内；所述一次空气加热过滤器1为圆环结构，圆环的内侧与二次空气过滤器8的外侧通过螺纹连接，同时圆环部分为中心镂空结构，在镂空结构内侧布置电热丝，加热温度为80℃～120℃，保持空气干燥；所述通透管螺母3位于外罩2和二次空气过滤器 8间，为空气聚集帽4的固定支撑，同时与外罩2通过密封槽及密封圈的方式连接，与二次空气过滤器8通过螺纹连接，通透管螺母3沿轴向开有多个通孔；所述空气聚集帽4中心腔为锥形通孔结构，其大直径端面与通透管螺母3紧密接触且与二次空气过滤器8外侧间留有间隙，小直径侧端面与空气射吸喷嘴6配合共同形成喷嘴，空气射吸喷嘴6固定在外罩2一端，空气射吸喷嘴6内部为内腔室，空气射吸喷嘴6与空气聚集帽4小直径侧端面间围合成外腔室，空气射吸喷嘴6与空气聚集帽4的喉部即最小直径处端面的间隙保持0.5～2mm，形成在间隙射流；所述动力气体入口5 布置在空气射吸喷嘴6的外侧，通过该动力气体入口，动力气体进入外腔室，并经由空气射吸喷嘴6与空气聚集帽4的间隙喷射进入内腔室；所述送粉嘴7布置在空气聚集帽4上游靠近喉部附近，粉末通过该送粉嘴进入空气聚集帽的锥形腔内。
优选的，所述二次空气过滤器8中间段布置密集的径向通孔的孔径为 0.5mm～0.8mm，密度为25个/cm2～50个/cm2，该中间段长度为 50mm～100mm。
优选的，所述一次空气加热过滤器1的圆环结构中心镂空结构的镂空孔密度为4～9个/cm2。
优选的，所述通透管螺母3沿轴向开有多个通孔的孔径为0.5mm～0.8mm，开孔密度为25～50个/cm2。
所述的一种可制备超高强度结合涂层的激光喷涂喷枪的工作方法，光路流程为：激光光束从聚光透镜9处进入二次空气过滤器8，并通过空气聚集锥形腔室4进入空气射吸喷嘴6内腔室内，出了空气射流喷嘴6内腔室后，直接到达待喷涂的工件或基体；
气路流程为：在工作时，采用氩气或氮气作为动力气体，气体压力 0.3MPa～2.5MPa，从动力气体入口5进入外腔室，并经由空气射吸喷嘴6 与空气聚集帽4的间隙高速喷射进入内腔室；通过射吸效应，将在二次空气过滤器8腔室以及空气聚集帽4锥形腔室中的空气吸入空气聚集帽4喉部下游，并在喉部下游形成高速高通量的气体束流；
粉末流程为：粉末通过氩气或氮气送入送粉嘴7，在高压及气流的作用下，粉末的粒子速度达到或超过200mm/s，粉末通过该送粉嘴进入空气聚集帽4的锥形腔内并随着喉部上游空气进入下游，在此过程中粉末受到激光光束的加热熔化过程，以及气体的加速过程，最终以液滴形态喷射到工件基体表面形成涂层；
使用时，将激光器的光纤接入聚光透镜9上游；将喷枪夹持于机械手或人工持枪；准备好激光器及相关辅助设备的电源；给喷枪一次空气加热过滤器1中的电阻丝通电，同时送入动力气体氮气或氩气，调节压力为 0.3MPa～2.5MPa；给打开激光器开关，使喷枪产生激光；通过氮气或氩气将涂层粉末材料送入送粉嘴7中，移动喷枪即能够对工件或基体喷涂涂层。
所需要的激光器功率不低于8000W，光斑应为圆形或正方形光斑，到达工件或基体表面的光斑直径不小于20mm，或边长不小于20mm。
本发明激光喷涂喷枪，采用激光作为热源，粉末送入激光束中，实现同轴送粉，使激光束在粉末粒子高速飞行过程中熔化粉末，粉末粒子束碰撞基体形成的斑点保持在在激光束斑点的内部，粉末的粒子速度达到或超过200mm/s，粒子束具有较好的刚度，从而可适应任意空间位置的涂层制备，同时激光束对基体仅仅是局部浅表加热，完全不熔化基体，其加热温度可达300～700℃以上，有利于增加涂层内部粒子间的结合率，从而使涂层结合强度得到提高。本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、避免了可燃气体，在本发明的工作过程中，不需要如热喷涂使用丙烷、乙炔等易燃易爆气体，提高安全性，同时不需要纯氧气，从而大幅降低了材料的氧化程度；此外，不需要大量的纯氧、可燃气体等，降低了喷涂施工成本；该设备用于偏远地区，降低采购运输氧气和可燃气体的成本。
2、提高了粉末粒子束刚度，本发明可利用少量气体，带动大流量空气进行喷射加速，从而提高粉末粒子束流的刚度，使其适应任意角度的涂层制备，避免了激光熔覆不适应任意角度涂层的不足；气流横截面内外的气体加速特性不同，使由压缩空气带动的粒子束流更为集中，在喷涂距离内粒子束流的斑点尺寸不超过15mm。
3、适应狭小空间的涂层制备，相比激光熔覆，本发明工作时采用更长的喷涂距离，粒子在激光束中的飞行时间长，熔化效率高；同时更长的喷涂距离使该喷枪相比激光熔覆更适应狭小空间小角度涂层制备的需求。
4、低的热输入，采用了大尺寸光斑，光斑尺寸远远大于粒子束流斑点直径，利用了激光的快速加热特点，由于距离更远，可对基体充分加热从而提高涂层的结合强度，但又不熔化基体，保持了低的热输入有利于防止工件变形、防止高硬度涂层的开裂。
5、表面质量好，基体不熔化，粉末在飞行过程中熔化，不会产生如激光熔覆参数的搭接区域凸台，涂层表面具有热喷涂涂层相识的表面质量，可精确控制涂层厚度，不需要大量的研磨，涂层平整度好，经简单研磨即可达到工况要求。
附图说明
图1为本发明激光喷涂喷枪结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种可制备超高强度结合涂层的激光喷涂喷枪，由聚光透镜9、二次空气过滤器8、一次空气加热过滤器1、通透管螺母3、外罩2、空气聚集帽4、空气射吸喷嘴6、动力气体入口5、送粉嘴7构成。
所述二次空气过滤器8为两端无封堵的筒体形状，筒体的中间段布置密集的径向通孔，孔径为0.8mm，密度为25个/cm2，该段长度为100mm；聚光透镜9置于二次空气过滤器8腔室内。
所述一次空气加热过滤器1为圆环结构，圆环的内侧与二次空气过滤器的外侧通过螺纹连接，同时圆环部分为中心镂空结构，镂空孔密度为9 个/cm2，在镂空结构内侧布置电热丝，可加热温度80℃～120℃，保持空气干燥。
所述通透管螺母3位于外罩2和二次空气过滤器8间，为空气聚集帽 4的固定支撑，同时与外罩2通过密封槽及密封圈的方式连接，与二次空气过滤器8通过螺纹连接，通透管螺母3沿轴向开有多个通孔，孔径为 0.8mm，密度为25个/cm2。
所述空气聚集帽4中心腔为锥形通孔结构，其大直径端面与通透管螺母3紧密接触且与二次空气过滤器8外侧间留有间隙，小直径侧端面与空气射吸喷嘴6配合共同形成喷嘴，空气射吸喷嘴6固定在外罩2一端，空气射吸喷嘴6内部为内腔室，空气射吸喷嘴6与空气聚集帽4小直径侧端面间围合成外腔室，空气射吸喷嘴6与空气聚集帽4的喉部最小直径处端面的间隙保持0.8mm，形成在间隙射流。
所述动力气体入口5布置在空气射吸喷嘴6的外侧，通过该动力气体入口，动力气体进入外腔室，并经由空气射吸喷嘴6与空气聚集帽4的间隙喷射进入内腔室。
所述送粉嘴7布置在空气聚集帽4上游靠近喉部附近，粉末通过该送粉嘴进入空气聚集帽的锥形腔内。
本发明一种可制备超高强度结合涂层的激光喷涂喷枪的使用方法。需要配套相关的激光器，激光器功率12000W，光斑应为正方形光斑，到达工件表面的光斑边长22mm。将激光器的光纤接入本发明聚焦透镜上游；将喷枪夹持于机械手或人工持枪；准备好激光器及相关辅助设备的电源；给喷枪一次空气加热过滤器中的电阻丝通电，同时送入动力气体氮气或氩气，调节压力为0.8MPa；给打开激光开关，使喷枪产生激光；通过氮气或氩气将涂层粉末材料，如氧化铝、碳化钨等送入送粉嘴7中，移动喷枪即可喷涂涂层，喷枪的移动速度可设置为300mm/s，喷涂过程中工件远离激光束的焦平面，因此基体不会熔化但会局部加热至约300℃～700℃，喷涂中单道厚度为0.02mm，喷涂后涂层表面均匀，平整度好，简单抛磨即可达到耐磨等工况需求。

Claims (6)

1.一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪，其特征在于：由聚光透镜(9)、二次空气过滤器(8)、一次空气加热过滤器(1)、通透管螺母(3)、外罩(2)、空气聚集帽(4)、空气射吸喷嘴(6)、动力气体入口(5)和送粉嘴(7)构成；
所述二次空气过滤器(8)为两端无封堵的筒体形状，筒体的中间段布置密集的径向通孔，聚光透镜(9)置于二次空气过滤器(8)腔室内；
所述一次空气加热过滤器(1)为圆环结构，圆环的内侧与二次空气过滤器(8)的外侧通过螺纹连接，同时圆环部分为中心镂空结构，在镂空结构内侧布置电热丝，加热温度为80℃～120℃，保持空气干燥；
所述通透管螺母(3)位于外罩(2)和二次空气过滤器(8)间，为空气聚集帽(4)的固定支撑，同时与外罩(2)通过密封槽及密封圈的方式连接，与二次空气过滤器(8)通过螺纹连接，通透管螺母(3)沿轴向开有多个通孔；
所述空气聚集帽(4)中心腔为锥形通孔结构，其大直径端面与通透管螺母(3)紧密接触且与二次空气过滤器(8)外侧间留有间隙，小直径侧端面与空气射吸喷嘴(6)配合共同形成喷嘴，空气射吸喷嘴(6)固定在外罩(2)一端，空气射吸喷嘴(6)内部为内腔室，空气射吸喷嘴(6)与空气聚集帽(4)小直径侧端面间围合成外腔室，空气射吸喷嘴(6)与空气聚集帽(4)的喉部即最小直径处端面的间隙保持0.5～2mm，形成间隙射流；
所述动力气体入口(5)布置在空气射吸喷嘴(6)的外侧，通过该动力气体入口，动力气体进入外腔室，并经由空气射吸喷嘴(6)与空气聚集帽(4)的间隙喷射进入内腔室；
所述送粉嘴(7)布置在空气聚集帽(4)上游靠近喉部附近，粉末通过该送粉嘴进入空气聚集帽的锥形腔内。
2.根据权利要求1所述的一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪，其特征在于：所述二次空气过滤器(8)中间段布置密集的径向通孔的孔径为0.5mm～0.8mm，密度为25个/cm2～50个/cm2，该中间段长度为50mm～100mm。
3.根据权利要求1所述的一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪，其特征在于：所述一次空气加热过滤器(1)的圆环结构中心镂空结构的镂空孔密度为4～9个/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪，其特征在于：所述通透管螺母(3)沿轴向开有多个通孔的孔径为0.5mm～0.8mm，开孔密度为25～50个/cm2。
5.权利要求1至4任一项所述的一种可制备超高结合强度涂层的激光喷涂喷枪的工作方法，其特征在于：光路流程为：激光光束从聚光透镜(9)处进入二次空气过滤器(8)，并通过空气聚集帽(4)进入空气射吸喷嘴(6)内腔室内，出了空气射流喷嘴(6)内腔室后，直接到达待喷涂的工件或基体；
气路流程为：在工作时，采用氩气或氮气作为动力气体，气体压力0.3MPa～2.5MPa，从动力气体入口(5)进入外腔室，并经由空气射吸喷嘴(6)与空气聚集帽(4)的间隙高速喷射进入内腔室；通过射吸效应，将在二次空气过滤器(8)腔室以及空气聚集帽(4)锥形腔室中的空气吸入空气聚集帽(4)喉部下游，并在喉部下游形成高速高通量的气体束流；
粉末流程为：粉末通过氩气或氮气送入送粉嘴(7)，在高压及气流的作用下，粉末的粒子速度达到或超过200mm/s，粉末通过该送粉嘴进入空气聚集帽(4)的锥形腔内并随着喉部上游空气进入下游，在此过程中粉末受到激光光束的加热熔化过程，以及气体的加速过程，最终以液滴形态喷射到工件基体表面形成涂层；
使用时，将激光器的光纤接入聚光透镜(9)上游；将喷枪夹持于机械手或人工持枪；准备好激光器及相关辅助设备的电源；给喷枪一次空气加热过滤器(1)中的电阻丝通电，同时送入动力气体氮气或氩气，调节压力为0.3MPa～2.5MPa；给打开激光器开关，使喷枪产生激光；通过氮气或氩气将涂层粉末材料送入送粉嘴(7)中，移动喷枪即能够对工件或基体喷涂涂层。
6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于：所需要的激光器功率不低于8000W，光斑应为圆形或正方形光斑，到达工件或基体表面的光斑直径不小于20mm，或边长不小于20mm。
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