CN113912409A - 用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置及方法，包括：容纳熔覆样品的箱体，箱体包括作为反应区域的腔室、位于箱体的顶部的用于激光透过的窗口、用于排出气体的出气口和用于引入气体的进气口；与进气口相连，对箱体供给保护气体的供气系统；与出气口相连，对箱体进行抽气的排气系统；用于检测腔室内部的气氛环境的气氛监测系统；腔室的内部为由排气系统抽气而成的真空气氛、或是由供气系统的抽气与排气系统的保护气体供气相配合而形成的特定的气体氛围。

Description

用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置及方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆领域，具体涉及一种用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置及方法。

背景技术

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，具有很高的经济效益，可以在廉价的基体上制备出高性能的涂层，能降低成本、节约贵重稀有材料。该技术具有加热速度快、加热温度高、操作方便灵活、涂层与基体结合好等优点。因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究应用都非常重视。

激光熔覆技术是以不同的填料方式在被熔覆的基体材料的表面上预制涂层材料，经激光辐照使之和基体材料表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低且与基体材料呈冶金结合的表面熔覆层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。激光熔覆可达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。激光熔覆技术因无污染且制备出的涂层与基材呈冶金结合等优点已成为当代材料表面改性的研究热点，已在汽车工业、航空航天、海洋及石油化工等多种工业领域中得到了广泛的应用。

激光熔覆分为同步送粉式和预置送粉式。同步送粉式是激光束照射基材形成液态熔池，熔覆材料粉末在载气的带动下由送粉喷嘴射出，与激光作用后进入液态熔池，随着送粉喷嘴与激光束的同步移动形成了熔覆层。该过程中使用的载体可以是惰性气体，可防止熔池氧化。同步送粉式激光熔覆是目前在金属基体表面激光熔覆涂层最常用的方式，也是发展比较成熟的方式。

预置送粉式是将熔覆材料预先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末涂层的形式加入最为常见。预置送粉激光熔覆的主要工艺流程是基材熔覆表面预处理，预置熔覆材料，预热，激光熔化，后热处理。

发明内容

发明要解决的问题：

预置送粉式的激光熔覆过程是在空气中进行的，容易造成熔池材料被氧化。同时，在熔覆过程中高能激光作用于预置熔覆材料，会产生一些有毒有害的气体，直接释放在大气中会对人体产生伤害且污染环境。而在以例如SiC陶瓷及SiC陶瓷复合材料作为基材进行激光熔覆玻璃材料时，需要控制反应空间中的氧含量，防止材料氧化或是玻璃与陶瓷基材的结合不牢固。

因此，本发明的目的在于提供一种能在真空气氛以及特定气体气氛条件下调节控制反应空间中的氧含量进行激光熔覆的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置及方法。

解决问题的技术手段：

为解决上述问题，本发明提供一种用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置及方法，包括：容纳熔覆样品的箱体，所述箱体包括作为反应区域的腔室、位于所述箱体的顶部的用于激光透过的窗口、用于排出气体的出气口和用于引入气体的进气口；与所述进气口相连，对所述箱体供给保护气体的供气系统；与所述出气口相连，对所述箱体进行抽气的排气系统；用于检测所述腔室内部的气氛环境的气氛监测系统；所述腔室的内部为由所述排气系统抽气而成的真空气氛、或是由所述供气系统的抽气与所述排气系统的保护气体供气相配合而形成的特定的气体氛围。

根据本发明，能通过排气系统和供气系统来调节预置激光熔覆过程中的气氛类型，实现真空及特定气体环境下的激光熔覆，从而防止熔覆样品在熔覆过程中被氧化，也可以实现一定氧含量条件下的激光熔覆。

也可以是，本发明中，所述供气系统包括装有保护气体的气瓶、连接所述气瓶与所述箱体的所述进气口的进气管以及设置于所述进气口的进气阀门；所述排气系统包括用于对所述箱体抽气的真空泵、连接所述真空泵与所述箱体的所述出气口的出气管以及设置于所述出气口的出气阀门。

也可以是，本发明中，所述窗口上气密性地且能拆卸地装有增透玻璃，所述增透玻璃的参数与所述激光的波长相匹配。由此，气氛控制装置能应对不同的激光源，实现多种激光条件下的激光熔覆。

也可以是，本发明中，所述气氛监测系统包括设置在所述箱体上的用于检测所述腔室内的气压的压力表和用于检测所述腔室内的氧含量的氧含量检测仪。由此能参照压力表的示数精准地调节腔室内部的气压参数，通过氧含量检测仪来读取腔室内部的氧含量等气氛环境参数。

也可以是，本发明中，所述箱体由不锈钢、纯金属、亚克力板中的至少一种构成，通过粘接剂粘接而成。

本发明还提供一种根据上述用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置对陶瓷及其复合材料激光熔覆进行气氛控制的方法，包括以下步骤：

将熔覆样品放置于所述箱体的腔室中；

所述排气系统抽气使所述腔室内形成真空气氛、或是所述排气系统的抽气与所述供气系统的保护气体供气相配合使所述腔室内形成所述特定的气体氛围。

也可以是，本发明中，还包括根据所述气压表的读数来控制所述排气系统的抽气与所述供气系统的保护气体供气。

也可以是，本发明中，还包括在激光熔覆结束后通过排气系统进行排气。由此可以排出并收集激光熔覆过程中产生的有害气体。

也可以是，本发明中，所述熔覆样品包括熔覆基材和预置于所述熔覆基材的表面的熔覆材料；所述熔覆材料优选为粉末状。粉末状材料表面积较大、活性较高，有利于激光熔覆，且粉末状材料容易制备为浆料，可均匀涂覆与基材表面。

也可以是，本发明中，所述保护气体优选为惰性气体；所述特定的气体氛围是氧含量低于21%的保护气体氛围。

发明效果：

如以上说明，本发明的气氛控制装置能通过简单的结构调节预置送粉式激光熔覆过程中的气氛类型、气压等环境等参数，实现真空或特定气体气氛下的激光熔覆，且能防止激光熔覆过程中产生的有害气体污染环境。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施形态的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置的结构示意图；

图2是从出气口一侧观察图1所示的气氛控制装置的立体图；

图3是从进气口一侧观察图1所示的气氛控制装置的立体图；

符号说明：

1、箱体；2、激光增透玻璃；3、凹槽；4、真空表（压力表）；5、进气口；6、进气阀门；7、进气管；8、气瓶；9、出气口；10、出气阀门；11、出气管；12、真空泵；13、舱门；L、激光束。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明在此公开一种用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置（以下简称气氛控制装置），该气氛控制装置设置于激光熔覆设备的工作台上，能够实现激光熔覆设备在真空环境（例如模拟太空打印真空条件）以及特定气体环境下的激光熔覆，也可以做到在激光熔覆过程中对易氧化样品的保护。

图1是根据本发明的一种实施形态的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置的结构示意图，图2是从出气口一侧观察气氛控制装置的立体图，图3是从进气口一侧观察气氛控制装置的立体图。

如图1-3所示，气氛控制装置包括箱体1、供气系统、排气系统和气氛监测系统。箱体1是气氛控制装置的主体，形成为中空的箱状，包括腔室和位于腔室上方的窗口。

腔室是由箱体1的各壁面包围而成空间，主要用于容纳未图示的熔覆样品和为激光熔覆提供与外界隔离的反应区域。熔覆样品包括熔覆基材和熔覆材料。其中，熔覆基材是设置于腔室的底部的用于激光熔覆反应的基体，例如可以是SiC陶瓷或者SiC陶瓷基碳纤维复合材料。熔覆材料是用于在激光辐照下熔融形成熔覆层的材料，预置于熔覆基材的上表面，可以为粉状、丝状或板状，本实施形态中优选为粉末状的材料。

窗口是开设于箱体1顶部中央的通孔，主要用于载置激光增透玻璃2。窗口位于上述熔覆材料的上方，在箱体1的上表面围绕窗口的四周形成一圈凹槽3，在凹槽3中嵌入有橡胶密封圈。可根据激光器的激光波长选择不同性能参数的激光增透玻璃2，从而让该特定波长的激光束透过。例如，在使用CO₂激光器时可选择能透过10.6μm波长的增透玻璃，在使用光纤激光器时可选择能透过1.06μm波长的增透玻璃。在根据激光波长选择好参数与之匹配的激光增透玻璃2后，利用橡胶密封圈将激光增透玻璃2气密性地安装于上述窗口。

箱体1可以是由同一材质或不同材质构成的各壁面通过粘接剂粘接而成。壁面的材质例如可以是不锈钢、纯金属、亚克力板等，粘接剂为胶水，例如可以是AB胶、502胶、UV胶、亚克力专用胶等中的一种或几种。具体而言，本实施形态中，箱体1可以由30mm厚度的亚克力板通过亚克力专用胶粘接而成。箱体1内部的空间、即腔室的尺寸可以是300×200×200mm，窗口通孔的尺寸可以是65×40mm，凹槽3的尺寸可以是87×62mm，槽深5mm，激光增透玻璃2的尺寸可以是85×60×3mm。此外，本实施形态中，在箱体1的前侧设置有可开闭的舱门13，舱门13内侧安装有橡胶密封圈。由此箱体1可通过打开舱门13放入或取出熔覆样品，且通过闭合舱门13形成气密性的封闭空间。

箱体1在左右两侧壁面上还分别形成有进气口5和出气口9。箱体1通过进气口5连接供气系统，通过出气口9连接排气系统。

供气系统包括内部容纳有保护气体的气瓶8、连接气瓶8与箱体1的进气口5的进气管7以及设置于进气口5的进气阀门6。气瓶8主要用于向腔室提供保护气体，促使腔室内气体流动。保护气体可以是氩气、氮气等，优选为惰性气体。进气阀门6则主要用于调节向箱体1供给的气体的流速。

排气系统包括真空泵12、连接真空泵12与箱体1的出气口9的出气管11以及设置于出气口9的出气阀门10。真空泵12主要用于对腔室进行抽气。出气阀门10则主要用于调节抽气时气体的流速。

气氛监测系统包括设置在箱体1上的真空表4和未图示的氧含量检测仪。真空表4主要用于对腔室内的气压进行监控，由此确定腔室内的气氛环境参数。氧含量检测仪可以是氧探针等氧传感器，主要用于监控腔室内的氧含量。

本实施形态中，进气管7、出气管11、真空表4三者与箱体1均采用螺纹扣连接，并采用密封胶进行密封。

根据上述用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置，本发明还提供了一种用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制方法，可在监视真空表4的读数的同时，通过排气系统、或是供气系统与排气系统两者的配合来改变腔室内的气体氛围，实现真空气氛或是含有特定氧含量的保护气体氛围，并在激光熔覆结束后通过排气系统进行排气。腔室内的压力控制范围可以是0~10kPa，保护气体氛围可以是氧含量是低于21%。具体而言，可以利用真空泵12对腔室抽真空，在真空氛围下进行激光熔覆反应。也可以是，先通过真空泵12对腔室抽真空，再利用气瓶8向腔室充入保护气体，重复上述过程多次之后在保护气体氛围下进行激光熔覆反应。

以下，通过实施例具体说明上述气氛控制装置的使用过程。

（实施例1）

首先根据激光束L的波长选择激光增透玻璃2，并将激光增透玻璃气密性安装于窗口。接着，打开舱门13将预处理的熔覆样品放置于腔室及激光束L工作的窗口的范围内，调节工作台的高度使熔覆材料的上表面位于激光束L的焦点位置。

之后关闭舱门13，关闭进气阀门6，打开出气阀门10，启动真空泵12进行抽气直至真空表4的指针位于10kPa。然后关闭出气阀门10，关闭真空泵12，打开气瓶8的阀门并缓慢打开进气阀门6，使气瓶中氩气缓慢充入腔室，观察真空表4，待腔室内为一个标准大气压后关闭进气阀门6。重复上述抽气充气过程2至3次，打开出气阀门10，启动真空泵12进行抽气直至真空表4的指针位于10kPa。此时腔室内处于真空状态，根据氧含量传感器可知此时腔室内的氧含量为0%。最后设置激光束L的工作参数，开始激光熔覆。可以在激光熔覆结束后，打开出气阀门10和真空泵12，排出熔覆反应产生的气体。另外，本实施例也可以是仅通过真空泵12进行抽气直至真空表4的指数位于10kPa后开始激光熔覆。

（实施例2）

首先根据激光束L的波长选择激光增透玻璃2，并将激光增透玻璃气密性安装于窗口。接着，打开舱门13将预处理的熔覆样品放置于腔室及激光束L工作的窗口的范围内，调节工作台的高度使熔覆材料的上表面位于激光束L的焦点位置。

之后关闭舱门13，关闭进气阀门6，打开出气阀门10，启动真空泵12进行抽气直至真空表4的指针位于10kPa。然后关闭出气阀门10，关闭真空泵12，打开气瓶8的阀门并缓慢打开进气阀门6，使气瓶中氩气缓慢充入腔室，观察真空表4，待腔室内为一个标准大气压后关闭进气阀门6。重复上述抽气充气过程2至3次，确保腔室内完全充满氩气。打开进气阀门6，待真空表4的示数为正压(20-50Pa)时，打开出气阀门10，使腔室内处于正压氩气流动的状态。根据氧含量传感器可知此时腔室内的氧含量接近0%。最后设置激光束L的工作参数，开始激光熔覆。可以在激光熔覆结束后，打开出气阀门10和真空泵12，排出熔覆反应产生的气体。

（实施例3）

首先根据激光束L的波长选择激光增透玻璃2，并将激光增透玻璃气密性安装于窗口。接着，打开舱门13将预处理的熔覆样品放置于腔室及激光束L工作的窗口的范围内，调节工作台的高度使熔覆材料的上表面位于激光束L的焦点位置。

之后关闭舱门13，关闭进气阀门6，打开出气阀门10，启动真空泵12进行抽气直至真空表4的指针位于8kPa（保留部分空气）。然后关闭出气阀门10，关闭真空泵12，打开气瓶8的阀门并缓慢打开进气阀门6，使气瓶中氩气缓慢充入腔室，观察真空表4，待腔室内为一个标准大气压后关闭进气阀门6。根据氧含量传感器可知此时腔室内的氧含量为16%。最后设置激光束L的工作参数，开始激光熔覆。可以在激光熔覆结束后，打开出气阀门10和真空泵12，排出熔覆反应产生的气体。

（实施例4）

首先根据激光束L的波长选择激光增透玻璃2，并将激光增透玻璃气密性安装于窗口。接着，打开舱门13将预处理的熔覆样品放置于腔室及激光束L工作的窗口的范围内，调节工作台的高度使熔覆材料的上表面位于激光束L的焦点位置。

之后关闭舱门13，关闭进气阀门6，打开出气阀门10，启动真空泵12进行抽气直至真空表4的指针位于2kPa（保留部分空气）。然后关闭出气阀门10，关闭真空泵12，打开气瓶8的阀门并缓慢打开进气阀门6，使气瓶中氩气缓慢充入腔室，观察真空表4，待腔室内为一个标准大气压后关闭进气阀门6。根据氧含量传感器可知此时腔室内的氧含量为5%。最后设置激光束L的工作参数，开始激光熔覆。可以在激光熔覆结束后，打开出气阀门10和真空泵12，排出熔覆反应产生的气体。

根据本发明，气氛控制装置具备操作方便且易于维护，能方便地加装于现有设备的特点。能通过简单的结构调节预置送粉式激光熔覆过程中的气氛类型、气压等环境等参数，实现真空及特定气体环境下的激光熔覆。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置，其特征在于，

包括：

容纳熔覆样品的箱体，所述箱体包括作为反应区域的腔室、位于所述箱体的顶部的用于激光透过的窗口、用于排出气体的出气口和用于引入气体的进气口；

与所述进气口相连，对所述箱体供给保护气体的供气系统；

与所述出气口相连，对所述箱体进行抽气的排气系统；

用于检测所述腔室内部的气氛环境的气氛监测系统；

所述腔室的内部为由所述排气系统抽气而成的真空气氛、或是由所述供气系统的抽气与所述排气系统的保护气体供气相配合而形成的特定的气体氛围。

2.根据权利要求1所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置，其特征在于，

所述供气系统包括装有保护气体的气瓶、连接所述气瓶与所述箱体的所述进气口的进气管以及设置于所述进气口的进气阀门；

所述排气系统包括用于对所述箱体抽气的真空泵、连接所述真空泵与所述箱体的所述出气口的出气管以及设置于所述出气口的出气阀门。

3.根据权利要求1所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置，其特征在于，

所述窗口上气密性地且能拆卸地装有增透玻璃，所述增透玻璃的参数与所述激光的波长相匹配。

4.根据权利要求1所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置，其特征在于，

所述气氛监测系统包括设置在所述箱体上的用于检测所述腔室内的气压的压力表和用于检测所述腔室内的氧含量的氧含量检测仪。

5.根据权利要求1所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制装置，其特征在于，

所述箱体由不锈钢、纯金属、亚克力板中的至少一种构成，通过粘接剂粘接而成。

6.一种使用权利要求1至5中任一项所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制方法，其特征在于，

将熔覆样品放置于所述箱体的腔室中；

所述排气系统抽气使所述腔室内形成真空气氛、或是所述排气系统的抽气与所述供气系统的保护气体供气相配合使所述腔室内形成所述特定的气体氛围。

7.根据权利要求6所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制方法，其特征在于，

还包括根据所述气压表的读数来控制所述排气系统的抽气与所述供气系统的保护气体供气。

8.根据权利要求6或7所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制方法，其特征在于，

还包括在激光熔覆结束后通过排气系统进行排气。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制方法，其特征在于，

所述熔覆样品包括熔覆基材和预置于所述熔覆基材的表面的熔覆材料；

所述熔覆材料优选为粉末状。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于陶瓷及其复合材料激光熔覆的气氛控制方法，其特征在于，

所述保护气体优选为惰性气体；

所述特定的气体氛围是氧含量低于21%的保护气体氛围。

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