CN115233141B - 新型激光喷涂装置及其喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的新型激光喷涂装置及其喷涂方法，包括喷嘴，喷嘴两端分别安装在壳体内部两端，送粉管设置在喷嘴的入口端中心轴处，喷嘴由依次连接的入口段、收缩段和出口段组成，高压气管穿过壳体与入口段连通，激光入射管、激光头和激光出射管依次连接，并向上倾斜安装在壳体内侧和出口段之间，激光入射管入口端安装在壳体内侧上，光纤头安装在壳体上，并与激光入射管入口端连通，沿着通过光纤头传输的激光束方向上设有反射镜，反射镜安装在激光入射管内壁上，经反射镜反射的激光束进入激光头，激光出射管出口端与出口段的出口端一侧连通。该装置能更好地预热软化基体，降低粉末临界沉积速度，提高涂层的结合强度，且喷嘴的设计能降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及喷涂涂层制备技术领域，具体涉及一种新型激光喷涂装置及其喷涂方法。
背景技术
热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一，是表面工程中一门重要的学科。所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。但热喷涂过程中存在着加热，喷涂材料会出现高温氧化、溶解、剥落和气体蒸发等缺陷，这样涂层也会产生不可避免的缺陷，如高温会使基体本身发生氧化和熔化的现象，基体内部存在较大的热应力，涂层的形成不均匀，有气孔产生，造成涂层结合不够紧密，强度不够等问题。
针对上述传统热喷涂缺点，20世纪80年代中后期提出冷喷涂概念。冷喷涂，又称冷气动力喷涂(Cold Gas Dynamic Spray,简称CS)，冷喷涂是通过预热压缩气体，压缩气体以一定压力通过Laval喷嘴实现超音速，粉末颗粒通过气体加速高速撞击基板，颗粒塑性变形沉积在基体上形成涂层。冷喷涂制备涂层过程中不发生氧化与相变，且涂层沉积效率高，涂层厚，因此非常适用于大规模的生产。但由于冷喷涂过程是一个塑性变形过程，冷喷涂层内特别是涂层底部容易存在结合不良产生的孔隙，这使冷喷涂基体与涂层的结合多为机械结合，即颗粒间机械互锁，导致涂层与基体的结合性能差，结合强度低。尤其是对于Cu、Ag等硬度较低的金属，很难使颗粒达到有效沉积。因此，提出采用激光预热基体的方法，提高第一层金属粉末的沉积效率。
中国专利CN103920626A提出了一种同轴激光辅助冷喷涂喷嘴装置。该装置中取消载气加热装置，在喷嘴扩散部送入粉末颗粒，避免收缩段粉末软化凝结堵塞，实现喷嘴内部粉末、气体与基体均匀激光预热。但该装置的喷嘴尺寸过小，难以安装反光镜；激光通过喷嘴喉部后加热粉末，粉末处于熔化或半熔化状态，在载气的作用下容易粘结在喷嘴扩张段；另外，激光在扩张段由于粉末影响无法通过反光镜进行反射，因此无法保证喷射出激光光斑中心落在粉束中心。
目前，激光预热冷喷涂设备多采用单激光头旁轴放置，即单激光侧向照射。这导致在实际生产中，难以操纵激光预热整体设备移动且实际移动过程中光束与粉斑有微小误差。另外，温度由于冷喷涂腔室温度影响不能实现完全控制。这限制了冷喷涂的发展与实际应用。
发明内容
本发明提供一种新型激光喷涂装置及其喷涂方法，具体方案如下：
一种新型激光喷涂装置，包括壳体、喷嘴、送粉管、高压气管、激光入射管、激光头、激光出射管和光纤头，所述喷嘴两端分别安装在壳体内部两端，送粉管设置在喷嘴的入口端中心轴处，喷嘴由依次连接的入口段、收缩段和出口段组成，高压气管穿过壳体与入口段连通，激光入射管、激光头和激光出射管依次连接，并向上倾斜安装在壳体内侧和出口段之间，激光入射管入口端安装在壳体内侧上，光纤头安装在壳体上，并与激光入射管入口端连通，沿着通过光纤头传输的激光束方向上设有反射镜，反射镜安装在激光入射管内壁上，经反射镜反射的激光束进入激光头，激光出射管出口端与出口段的出口端一侧连通。
进一步地，包括激光器，所述激光器连接光纤头，所述激光器发射的激光束的直径大于送粉管的直径。
进一步地，所述入口段和出口段均为圆形直管状。
进一步地，所述喷嘴的收缩段的收缩角度为30°～60°，述喷嘴中轴线与激光出射管中轴线相交形成的角度为10°～20°。
进一步地，所述送粉管直径小于收缩段出口端的直径。
进一步地，所述激光头内由入射端向出射端依次设有准直镜片、聚焦镜片一、聚焦镜片二、聚焦镜片三和保护镜片，通过光纤头传播的激光束经过激光头聚焦后从激光出射管照射到基体表面，激光束在基体表面的照射区域与经高压气体运送的粉束在基体表面的喷射区域叠合。
进一步地，在所述激光头内安装纯位相空间光调制器，使激光头发射出的激光束为平顶光束或反高斯光束。
进一步地，所述反射镜为平面镜或凹面镜。
一种激光冷喷涂方法，包括所述的新型激光喷涂装置，高压气体从高压气管进入喷嘴内，依次经过入口段、收缩段和出口段后喷射至基体；粉末颗粒从送粉管依次进入入口段、收缩段和出口段后由高压气体携带形成粉束喷射至基体；激光器发射的激光束通过光纤头进入激光入射管，通过安装在激光入射管内壁的反射镜将激光束反射进入激光头聚焦成激光光斑后，从激光出射管射出照射在基体表面，对基体进行预热和软化，通过调节反射镜角度调整激光光斑位置，控制通过激光头聚焦后形成的激光光斑中心与经高压气体传送的粉束中心重合，形成涂层。
本发明的优点
1、本发明的新型激光喷涂装置通过反射镜将光纤头传输的激光束反射进入到激光头中，经过激光头聚焦成激光光斑后发射到基体上，通过调节反射镜角度调整光斑位置，保证喷射出激光光斑中心落在经高压气体运送至出口段的出口端的粉束中心。与传统旁轴激光辅助冷喷涂装置相比，本装置操作方便，将现有技术的Laval喷嘴改为收缩型喷嘴，能减少制造喷嘴成本，其激光头内部结构可调换，能改变形成激光光斑的形状与光斑大小；另外，由于激光照射基体会有反射光线产生，本装置的结构设计方式能保护激光头与喷嘴结构，防止粉尘进入喷嘴，并保证反射光线不会融化设备。
2、本发明提供的一种新型激光喷涂装置，与同轴激光辅助冷喷涂喷嘴相比，光束与粉末分置，更好的预热基体和软化基体，有益于粉末颗粒的沉积，能有效地提升沉积金属合金的效率，使涂层与基体的结合强度大幅度提升，形成高性能的涂层。
3、本发明提供的一种新型激光喷涂装置，相比传统冷喷涂，能更有效预热软化涂层与基体，降低粉末临界沉积速度，大幅度提高了沉积效率和结合率，阔宽了超音速冷喷涂所用材料范围，且能更好提高涂层的结合强度。喷嘴结构的改变有利于节省材料与成本，方便制造加工。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明激光喷涂装置的外部结构示意图。
图3为本发明装置喷涂的涂层截面图。
图中：
1-送粉管；2-喷嘴中轴线；3-高压气管；4-入口段；5-收缩段，6-出口段；7-基体；8-反射镜；9-光纤头；10-准直镜片，11-激光头，12-聚焦镜片一，13-聚焦镜片二，14-聚焦透镜三；15-保护镜片；16-激光入射管；17-激光出射管；18、壳体；19、喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地解释说明，需要注意的是，本具体实施例不用于限定本发明的权利范围。
如图1至2所示，本具体实施例提供的一种新型激光喷涂装置包括壳体18、设置于壳体18内的喷嘴19、送粉管1、高压气管3、激光入射管16、激光头11、激光出射管17、光纤头9和激光器(图未示)。
所述喷嘴19两端分别安装在壳体18内部两端，送粉管1设置在喷嘴18的入口端中心轴处，喷嘴18由依次连接的入口段4、收缩段5和出口段6组成，作为优选地，入口段4和出口段6均为圆形直管状，能减少制造喷嘴18的成本。喷嘴18的收缩段5的收缩角度为30°～60°。送粉管1直径小于收缩段5出口端的直径。
高压气管3穿过壳体18与入口段4连通。使粉末进入入口段4和收缩段5后通过高压气体在喷嘴19内加速并沉积到基体7的表面，在出口段6未端连接激光出射管16的目的在于能避免现有技术中由于激光束通过喷嘴喉部后加热粉末，使粉末处于熔化或半熔化状态，在载气的作用下容易粘结或堵塞在喷嘴扩张段的问题，也能解决现有技术中激光束在扩张段由于粉末影响无法通过反光镜进行反射，从而无法保证喷射出激光光斑中心落在粉束中心的技术问题。
激光入射管16、激光头11和激光出射管17分别依次连接，并向上倾斜可拆卸安装在壳体18内侧和出口段6之间，激光入射管16入口端安装在壳体18内侧上，光纤头9通过内角螺母安装在壳体18上，并与激光入射管16入口端连通，将激光器与光纤头9连接，激光器发射的激光束通过光纤头9传输，沿着光纤头9传输激光束的方向上设有反射镜8，反射镜8为平面镜或凹面镜，反射镜8安装在激光入射管16内壁上，经反射镜8反射的激光束进入激光头11，激光头11内由入射端向出射端依次设有准直镜片10、聚焦镜片一12、聚焦镜片二13、聚焦镜片三14和保护镜片15，激光出射管17出口端与出口段6的出口端一侧连通，喷嘴中轴线与激光出射管中轴线相交形成的角度为10°～20°，使激光器发射的激光束通过光纤头9传播，经反射镜8反射进入激光头11聚焦形成激光光斑后，从激光出射管17照射到基体7表面，在基体7表面的照射区域的激光光斑中心与经高压气体运送的粉束中心在基体7表面的喷射区域叠合。
所述激光器为光纤激光器或半导体激光器。激光器发射的激光束的直径大于送粉管1的直径，在激光头11内安装纯位相空间光调制器，使激光头11发射出的激光束为平顶光束或反高斯光束。
工作原理：
使用前，根据需要选择适合的聚焦镜片一12、聚焦镜片二13、聚焦镜片三14和保护镜片15依次安装在激光头11内，粉末颗粒从送粉管1依次进入入口段4、收缩段5和出口段6后由高压气体携带形成粉束喷射至基体7表面；激光器发射的激光束通过光纤头9进入激光入射管16，通过安装在激光入射管16内壁的反射镜8将激光束反射进入激光头11聚焦成激光光斑后，从激光出射管17射出照射在基体7表面，对基体7进行预热和软化；能通过调节安装在激光入射管16内壁上的反光镜8角度，控制通过激光头11聚焦后形成的激光光斑中心与经高压气体传送的粉束中心重合。载气在压力作用下运送粉末颗粒通过喷嘴18的收缩段5实现音速，通过激光束与喷嘴18的出口段6的粉末混合加热，并同时加热基体7，能降低沉积粉末所需的临界速度，实现有效沉积，同时提升沉积金属合金的效率，使涂层与基体7的结合强度大幅度提升。另外，将该喷嘴19和激光头11整体化设置在壳体18内，方便操作时，通过整体控制喷涂装置左右移动以实现激光光斑和粉末照射在预喷涂的基体7表面上，实现基体预热和软化的同时，有益于粉末颗粒的沉积，大幅度提高了沉积效率和结合率，形成高性能的涂层。还能通过调节激光头11内的镜片结构来调整激光光斑的大小、焦距和光束分布。若激光器选择蓝光激光器，蓝光激光能提高铜合金粉末的激光吸收率，阔宽超音速冷喷涂所用材料的范围。另外，由于激光光斑照射基体7会有反射光线产生，将喷嘴19和激光头11一体安装在壳体18内，不仅安装方便，且能保护激光头11与喷嘴19的结构，防止粉尘进入喷嘴19，并能避免反射光线不会融化设备。
本具体实施例的激光头11的内部结构能根据需要调换，能通过调换内部结构改变成形激光的形状与光斑大小。还能在激光头11的内部安装纯位相空间光调制器，从而使激光头11发射出的激光光束为平顶光束或反高斯光束。
使用上述新型激光喷涂装置进行激光冷喷涂方法，高压气体从高压气管3进入喷嘴18内，依次经过入口段4、收缩段5和出口段6后喷射至基体7表面；粉末颗粒从送粉管1依次进入入口段4、收缩段5和出口段6后由高压气体携带形成粉束喷射至基体7表面；激光器发射的激光束通过光纤头9进入激光入射管16，通过安装在激光入射管16内壁的反射镜8将激光束反射进入激光头11聚焦成激光光斑后，从激光出射管17射出照射在基体7表面，对基体7进行预热和软化，通过调节安装在激光入射管16内壁上的反光镜8角度，控制通过激光头11聚焦后形成的激光光斑中心与经高压气体传送的粉束中心重合，形成高性能的涂层。
下面将使用现有技术的PCS 1000冷喷涂设备与本具体实施例的喷涂装置分别对不锈钢圆管基体进行喷涂对比：
喷涂选用的高压气体均为N2，均采用纯铜粉末，粉末粒径均为25-53μm，粉末形貌均为球形。设置基体均为304不锈钢圆管。设置喷涂时枪室温度为800℃，高压气体压强为5MPa。
采用现有技术的PCS 1000冷喷涂设备，其冷喷涂沉积颗粒速度719m/s，该冷喷涂设备喷射的涂层很难有效沉积，涂层容易产生脱落，结合强度在4MPa左右，该冷喷涂设备喷涂纯铜在该基体上沉积效率12％。
采用本具体实施例的喷涂装置，通过各聚焦透镜来调整光束为蓝光，通过调整聚焦透镜距离调整光斑形状为矩形。通过调节反射镜8的角度，使激光出射管16喷射出的激光光斑中心落在粉束中心，采用激光功率为8kw，喷射颗粒速度在声速340m/s，远低于冷喷涂沉积颗粒速度。喷涂前，先用激光加热表面基体7，如图3所示，本具体实施例的喷射的涂层内部无明显孔隙，经过Image J测算后为0.11％，远低于冷喷涂喷射的其他涂层，本具体实施例的喷涂装置的粉末颗粒沉积效率为96％，高于现有技术PCS 1000冷喷涂设备的冷喷涂纯铜在软基体7上的沉积效率。基体7界面没有热影响区域，仍保持冷喷涂的优势。通过FM1000胶拉伸实验，结果为胶断，证明本具体实施例的涂层内部结合强度在80MPa以上。
Claims (9)
1.激光喷涂装置，其特征在于，包括壳体、喷嘴、送粉管、高压气管、激光入射管、激光头、激光出射管和光纤头，所述喷嘴两端分别安装在壳体内部两端，送粉管设置在喷嘴的入口端中心轴处，喷嘴由依次连接的入口段、收缩段和出口段组成，高压气管穿过壳体与入口段连通，激光入射管、激光头和激光出射管依次连接，并向上倾斜安装在壳体内侧和出口段之间，激光入射管入口端安装在壳体内侧上，光纤头安装在壳体上，并与激光入射管入口端连通，沿着通过光纤头传输的激光束方向上设有反射镜，反射镜安装在激光入射管内壁上，经反射镜反射的激光束进入激光头，激光出射管出口端与出口段的出口端一侧连通，所述喷嘴中轴线与激光出射管中轴线相交形成的角度为10°～20°。
2.根据权利要求1所述的激光喷涂装置，其特征在于，包括激光器，所述激光器连接光纤头，所述激光器发射的激光束的直径大于送粉管的直径。
3.根据权利要求1所述的激光喷涂装置，其特征在于，所述入口段和出口段均为圆形直管状。
4.根据权利要求1所述的激光喷涂装置，其特征在于，所述喷嘴的收缩段的收缩角度为30°～60°。
5.根据权利要求1所述的激光喷涂装置，其特征在于，所述送粉管直径小于收缩段出口端的直径。
6.根据权利要求1所述的激光喷涂装置，其特征在于，所述激光头内由入射端向出射端依次设有准直镜片、聚焦镜片一、聚焦镜片二、聚焦镜片三和保护镜片，通过光纤头传播的激光束经过激光头聚焦后从激光出射管照射到基体表面，激光束在基体表面的照射区域与经高压气体运送的粉束在基体表面的喷射区域叠合。
7.根据权利要求1所述的激光喷涂装置，其特征在于，在所述激光头内安装纯位相空间光调制器，使激光头发射出的激光束为平顶光束或反高斯光束。
8.根据权利要求1所述的激光喷涂装置，其特征在于，所述反射镜为平面镜或凹面镜。
9.一种激光冷喷涂方法，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的激光喷涂装置，高压气体从高压气管进入喷嘴内，依次经过入口段、收缩段和出口段后喷射至基体；粉末颗粒从送粉管依次进入入口段、收缩段和出口段后由高压气体携带形成粉束喷射至基体；激光器发射的激光束通过光纤头进入激光入射管，通过安装在激光入射管内壁的反射镜将激光束反射进入激光头聚焦成激光光斑后，从激光出射管射出照射在基体表面，对基体进行预热和软化，通过调节反射镜角度调整激光光斑位置，控制通过激光头聚焦后形成的激光光斑中心与经高压气体传送的粉束中心重合，形成涂层。
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