CN115233207A - 一种激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置及沉积方法 - Google Patents

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谢迎春
刁鹏源
龙雨
王方
邓春明
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Abstract

本发明提供了一种激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置及沉积方法，涉及冷喷涂涂层制备技术领域。包括：喷嘴，喷嘴具有喷出粉体的喷嘴轴线，沿喷嘴轴线自前向后依次连接有喷嘴收缩段、喉部和喷嘴扩张段，喷嘴收缩段开设有高压气体输送通路延伸至喷嘴装置外，喷嘴扩张段设置有进粉通路，沿喷嘴轴线两侧还设置有两个激光通道，每个激光通道内均设置有至少一个反射镜。设置两条激光通路的光路中心正对于喷嘴轴线位置，这样设置可以确保无论喷涂粉斑做上下左右的何种位移，均能对基体进行有效加热或预热，加热或预热后的基体变软，可以提升沉积金属合金的效率；此外通过预热基体有助于降低粉末临界沉积速度，从而更好地提高涂层的结合强度。

Description

一种激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置及沉积方法
技术领域
本发明涉及冷喷涂涂层制备技术领域，具体而言，涉及一种激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置及沉积方法。
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，参照图1所示。
中国专利CN103920626A提出了一种同轴激光辅助冷喷涂喷嘴装置。该装置取消了载气加热装置，在喷嘴扩散部送入粉末颗粒，避免喉部粉末软化凝结堵塞，实现喷嘴内部粉末、气体与基体均匀激光预热。但由于实际喷嘴尺寸极其微小且粉末颗粒影响，反射镜难以实现有效反射激光光束，基体预热效果不大。
目前，激光预热冷喷涂设备多采用单激光器旁轴放置，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进行移动。另外，由于冷喷涂腔室温度影响不能完全实现控制。这限制了冷喷涂的发展与实际应用。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置及沉积方法以解决上述技术问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供了一种激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，其包括：喷嘴，喷嘴具有喷出粉体的喷嘴轴线，沿喷嘴轴线自前向后依次连接有喷嘴收缩段、喉部和喷嘴扩张段，喷嘴收缩段、喉部和喷嘴扩张段均具有空腔，且保持相互连通，喷嘴收缩段开设有高压气体输送通路延伸至喷嘴装置外，喷嘴扩张段设置有进粉通路，且进粉通路延伸至喷嘴装置外，沿喷嘴轴线两侧还设置有两个激光通道，且两个激光通道与喷嘴收缩段、喉部和喷嘴扩张段均不连通，每个激光通道内均设置有至少一个反射镜；
外设的激光器、反射镜、外设的基体组成激光光路，喷嘴轴线位于两个激光通道对应形成的两个激光光路的中心(即为中心连线的中点)。
发明人在喷嘴装置上开设两条激光通路，设置两条激光通路的光路中心正对于喷嘴轴线位置，这样设置可以确保无论喷涂粉斑做上下左右的何种位移，均能对基体进行有效加热或预热，加热或预热后的基体变软，可以提升沉积金属合金的效率；此外通过预热基体有助于降低粉末临界沉积速度，从而更好地提高涂层的结合强度。
相比传统的预热装置，当超音速喷涂设备(包含喷嘴)沿扫描路径移动时，由于粉束沉积速度与扫描速度较快，粉斑会在两道喷涂区域(已经喷涂涂层的基体和未喷涂涂层的基体)中存在搭接现象。再次喷涂时，上侧(已喷涂涂层)的沉积粉末颗粒与下侧(未喷涂涂层)基体材料存在材料不同，因此采用两种激光器，一种用来预热软化已沉积涂层表面，实现进一步沉积涂层；另一激光器用来预热软化基体表面，降低粉末临界沉积速度，从而更好提高涂层的结合强度。
本发明与同轴激光辅助冷喷涂喷嘴相比，光束与粉末分开单独设置，可以更好地预热基体，更加有利于于粉末颗粒的沉积，形成高性能的涂层。此外，双激光通道的设置，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，可以满足更多材料的冷喷涂需求。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述喷嘴收缩段沿喷嘴轴线向内收缩的角度为30°～60°。向内收缩即为斜向靠近喷嘴轴线收缩。向内收缩的角度为30°，35°，38°，40°，45°，50°，55°或60°。
上述高压气体输送通路与进粉通路均垂直于喷嘴轴线。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述喷嘴扩张段的半锥角为5°～10°。上述收缩角度和半锥角下，有助于气体以超音速从喷嘴中喷出，使得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。半锥角例如为5°，6°，7°，8°，9°或10°。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述喷嘴扩张段的出口为圆形。扩张段出口为圆形或椭圆形喷嘴，其喷涂强度高，效率高，均匀度讲较好且方便制造加工。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述激光通道内壁固定有至少一个反射镜。例如通过焊接、粘接或卡接的方式固定反射镜。
反射镜的角度可以根据需要进行自适应调整，例如根据反射的光路需要进行调节。
在一种可选的实施方式中，激光通道内壁固定有2-3个反射镜；
在一种可选的实施方式中，反射镜为平面镜或凹面镜。
在一种可选的实施方式中，激光通道的截面为平行四边形，激光通道与喷嘴轴线的角度为10°～20°。这样设置有助于在不影响喷嘴结构与固定激光聚焦距离的前提下，减少材料使用，降低成本。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述进粉通路的进粉口直径小于喉部的直径。这样设置可以约束粉末颗粒在喷嘴轴线附近，减少对喷枪枪壁的冲击。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述喷嘴装置靠近喷嘴扩张段的外侧还设置有温度传感器。温度传感器用于测量工作过程中基体的瞬时温度，根据材料熔点与温度反馈调整所用激光器发出的功率。例如选自红外温度传感器，射出的红外光与激光斑点中心重合。
本发明还提供了一种激光预热超音速冷喷涂设备，其包括上述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置和两台激光器。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述两台激光器为发射不同波长激光的激光器。
在一种可选的实施方式中，其中一台激光器为半导体激光器，另一台激光器为半导体激光器、光纤激光器、准分子激光器或CO2激光器的一种。
光纤激光器是以掺杂稀土元素的光纤为增益介质的激光器，通过掺杂不同的稀土元素，如饵(Er)，镒(Yb)，铥(Tm)，钬(Ho)，钕(Nd)，镱，钕等。
准分子激光器例如选自Nd或YAG激光器。
在一种可选的实施方式中，其中一台激光器发出的光束为平顶光或反高斯光，另一台激光器发出的光束为高斯光；
在一种可选的实施方式中，其中一台激光器发出的光束为平顶光蓝光，另一台激光器发出的光束为高斯光红光。
本发明还提供了一种利用上述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置进行沉积的方法，包括如下步骤：
两台激光器产生的激光束经反射镜反射分别从激光通道进入喷嘴装置，并对基体和/或涂层进行预热；
将待喷涂粉末倒入进粉通路进入喷嘴扩张段，高压气体从高压气体输送通路进入喷嘴收缩段，在高压气体的加速下待喷涂粉末加速成粉束沉积到基体上形成涂层。
在一种可选的实施方式中，激光器发出激光环绕在超音速喷嘴喷出颗粒范围的中心点上下。
粉末材料包括不限于铜合金、银合金、黄金、铝及铝合金材料的一种。基体材料为玻璃基底、石英基底、结晶玻璃基底、塑料基底、碳钢或不锈钢的任意一种。
在一种可选的实施方式中，控制喷嘴装置与激光器进行同步移动，以对基体的不同部位进行喷涂。
基体包括不限于板材、柱状基体等。选自板材基体时，可仅位移喷嘴装置与激光器。选自柱状基体时，可选自喷嘴装置与激光器不动，控制柱状基体转动。
在一种可选的实施方式中，两台激光器发射出的激光光束与喷嘴轴线平行。
在一种可选的实施方式中，其中一台激光器为半导体激光器，另一台激光器为半导体激光器、光纤激光器或CO2激光器的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在喷嘴装置上开设两条激光通路，设置两条激光通路的光路中心正对于喷嘴轴线位置，这样设置可以确保无论喷涂粉斑做上下左右的何种位移，均能对基体进行有效加热或预热，加热或预热后的基体变软，可以提升沉积金属合金的效率；此外通过预热基体有助于降低粉末临界沉积速度，从而更好地提高涂层的结合强度。
相比传统的预热装置，采用本发明提供的超音速喷涂设备(包含喷嘴)沿扫描路径移动时，由于粉束沉积速度与扫描速度较快，粉斑会在两道喷涂区域(已经喷涂涂层的基体和未喷涂涂层的基体)中存在搭接现象。再次喷涂时，上侧(已喷涂涂层)的沉积粉末颗粒与下侧(未喷涂涂层)基体材料存在材料不同，因此采用两种激光器，一种用来预热软化已沉积涂层表面，实现进一步沉积涂层；另一激光器用来预热软化基体表面，降低粉末临界沉积速度，从而更好提高涂层的结合强度。
本发明与同轴激光辅助冷喷涂喷嘴相比，光束与粉末分开单独设置，可以更好地预热基体，更加有利于于粉末颗粒的沉积，形成高性能的涂层。此外，双激光通道的设置，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，可以满足更多材料的冷喷涂需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为传统激光辅助冷喷涂系统的结构示意图；
图2为本发明的新型激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置(带激光装置和基体)结构示意图；
图3为图2的侧面结构示意图；
图4为本发明的基体工作时示意图；
图5为喷嘴装置的三维示意图；
图6为图5的纵剖示意图；
图7为图5的左视图；
图8为沿图7所示的轴线横剖示意图。
图标：1-1号激光器；2-高压气体输送通路；3-喷嘴轴线；4-喷嘴收缩段；5-喉部；6-粉末进粉口；7-粉束；8-喷嘴扩张段；9-2号激光器；10-激光通路；11-1号反射镜；12-2号反射镜；13-3号反射镜；14-基体；15-粉束上侧激光光斑；16-粉斑；17-粉束下侧激光光斑；18-已喷涂基体；19-未喷涂基体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请参阅图2和图3所示，本实施例提供了一种新型激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，喷嘴装置的三维示意图参照图5所示，图6为纵剖示意图，图7为图5的左视图，图8为沿图7所示的轴线横剖示意图。
喷嘴装置包括：喷嘴，沿喷嘴轴线3自前向后依次连接有喷嘴收缩段4、喉部5和喷嘴扩张段8，喷嘴收缩段4、喉部5和喷嘴扩张段8均具有空腔，且保持相互连通。
在喷嘴收缩段4开设有高压气体输送通路2延伸至喷嘴装置外，高压气体输送通路2用于向喷嘴收缩段4内供高压气体。高压气体输送通路2与喷嘴轴线3垂直设置。喷嘴收缩段4沿喷嘴轴线3向内收缩的角度为30°～60°，本实施例为30°。
喷嘴扩张段8设置有进粉通路，且进粉通路延伸至喷嘴装置外。进粉通路与喷嘴轴线3垂直设置。喷嘴扩张段8的半锥角为5°～10°。本实施例为5°。喷嘴扩张段8的出口为圆形。
沿喷嘴轴线3两侧还设置有两个激光通路10，且两个激光通路10与喷嘴收缩段4、喉部5和喷嘴扩张段8均不连通，每个激光通路10内均设置有3个反射镜。
图1、图5-6所示，外设的激光器、反射镜、外设的基体14组成激光光路，喷嘴轴线3位于两个激光通路10对应形成的两个激光光路的中心。
参照图1和图6所示，本实施例设置有1号激光器1和2号激光器9，对应的，每个激光器内壁粘接有1号反射镜11，2号反射镜12和3号反射镜13。1号反射镜11，2号反射镜12和3号反射镜13均为平面镜，在其他实施方式中也可以是凹面镜。
1号激光器1和2号激光器9发射出的光束与超音速喷嘴轴线3平行，激光器发出的激光通过激光通路10，激光经过1号反射镜11，2号反射镜12和3号反射镜13反射，激光从激光通路10射出到基体14表面。
进粉通路的粉末进粉口6直径小于喉部5的直径。经粉末进粉口6下落的粉末经高压气体加速成粉束7，沉积到基体14表面。
喷嘴装置在喷嘴扩张段8的出口还设置有温度传感器。温度传感器用于测量工作过程中基体14的瞬时温度，根据材料熔点与温度反馈调整所用激光器发出的功率。例如选自红外温度传感器，射出的红外光与激光斑点中心重合。
本实施例还提供了一种激光预热超音速冷喷涂的方法，包括采用上述新型激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置。两台激光器产生的激光束经1号反射镜11，2号反射镜12和3号反射镜13反射，激光从激光通路10射出到基体14表面，并对基体14和/或涂层进行预热。将待喷涂粉末倒入进粉通路进入喷嘴扩张段8，高压气体从高压气体输送通路2进入喷嘴，依次经过喷嘴收缩段4，喉部5与喷嘴扩张段8至基体14，在高压气体的加速下待喷涂粉末加速成粉束7沉积到基体14上形成涂层。
使用时，超音速喷嘴与1号激光器1和2号激光器9同步移动，1号激光器1和2号激光器9发出激光临近超音速喷嘴喷出颗粒范围的中心点上下，控制整体左右移动从而实现基体14预热。如图4所示，当喷涂基体为板材时，冷喷涂设备沿右移动，基体14不动时，实际应用过程中保证涂层连贯性，由于粉斑16沉积速度与扫描速度较快，会在两道喷涂区域间有搭接现象。而喷涂圆柱基体时同样如此，基体自转，喷枪沿着基体轴线移动，为避免出现螺旋线，尽量降低喷枪移动速度，喷涂时也会在两道喷涂区域之间有搭接现象。再次喷涂时，由于上侧沉积粉末颗粒与下侧基体14材料材料不同，因此采用两种不同波长激光器，即1为446nm半导体平顶光蓝光激光器发出的粉束上侧激光光斑15，用来预热软化已喷涂基体18，实现进一步沉积涂层；2号激光器9为10.3μmCO2高斯光红光激光器发出的粉束下侧激光光斑17，用来预热软化未喷涂基体19表面，降低粉末临界沉积速度，从而更好提高涂层的结合强度。
发明人选用20号钢圆柱基体，选用纯铜做为喷涂材料。选用N2做为载气，设置喷涂时压强为5MPa，枪室温度为800℃。
当采用冷喷涂参数进行喷涂时，粉末材料由于变形程度不足无法实现沉积。
当采用图1所示传统的激光辅助冷喷涂时，使用8kW激光功率，涂层沉积效果较好，测试结合强度达到56MPa。
当采用本实施例提供的装置以及沉淀方法进行喷涂时，上侧1号激光器1设置功率4kW，下侧2号激光器2为8kW，涂层更加致密。测试结合强度为胶断，其结合强度在80MPa以上。
本实施例通过控制整体激光器与超音速冷喷涂喷嘴的左右移动从而实现激光照射在预喷涂基体14上，实现基体14预热，软化基体14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。该装置粉末从超音速喷嘴的扩张段以后送入，大大降低了送粉气压，有助于节约成本，并且可以避免喷嘴喉部5发生粘结甚至堵塞现象。另外，由于蓝光激光的引入，提高了铜合金粉末的激光吸收率，阔宽了超音速冷喷涂所用材料范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，其包括：喷嘴，所述喷嘴具有喷出粉体的喷嘴轴线，沿所述喷嘴轴线自前向后依次连接有喷嘴收缩段、喉部和喷嘴扩张段，所述喷嘴收缩段、喉部和喷嘴扩张段均具有空腔，且保持相互连通，所述喷嘴收缩段开设有高压气体输送通路延伸至所述喷嘴装置外，所述喷嘴扩张段设置有进粉通路，且所述进粉通路延伸至所述喷嘴装置外，沿所述喷嘴轴线两侧还设置有两个激光通道，且两个激光通道与所述喷嘴收缩段、喉部和喷嘴扩张段均不连通，每个激光通道内均设置有至少一个反射镜；
外设的激光器、反射镜、外设的基体组成激光光路，所述喷嘴轴线位于两个所述激光通道对应形成的两个所述激光光路的中心。
2.根据权利要求1所述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴收缩段沿喷嘴轴线向内收缩的角度为30°～60°。
3.根据权利要求1所述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴扩张段的半锥角为5°～10°。
4.根据权利要求3所述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴扩张段的出口为圆形。
5.根据权利要求1所述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述激光通道内壁固定有至少一个反射镜；
优选地，所述激光通道内壁固定有2-3个反射镜；
优选地，所述反射镜为平面镜或凹面镜；
优选地，所述激光通道的截面为平行四边形，所述激光通道与喷嘴轴线的角度为10°～20°。
6.根据权利要求5所述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述进粉通路的进粉口直径小于所述喉部的直径。
7.根据权利要求6所述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴装置靠近喷嘴扩张段的外侧还设置有温度传感器。
8.一种激光预热超音速冷喷涂设备，其特征在于，其包括权利要求1-7任一项所述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置和两台激光器。
9.根据权利要求8所述的激光预热超音速冷喷涂设备，其特征在于，两台所述激光器为发射不同波长激光的激光器；
优选地，其中一台激光器为半导体激光器，另一台所述激光器为半导体激光器、光纤激光器或CO2激光器的一种；
优选地，其中一台激光器发出的光束为平顶光或反高斯光，另一台所述激光器发出的光束为高斯光；
优选地，其中一台激光器发出的光束为平顶光蓝光，另一台所述激光器发出的光束为高斯光红光。
10.一种利用权利要求1-7任一项所述的激光预热超音速冷喷涂喷嘴装置进行沉积的方法，其特征在于，包括如下步骤：
两台激光器产生的激光束经反射镜反射分别从激光通道进入所述喷嘴装置，并对基体和/或涂层进行预热；
将待喷涂粉末倒入进粉通路进入喷嘴扩张段，高压气体从高压气体输送通路进入喷嘴收缩段，在高压气体的加速下待喷涂粉末加速成粉束沉积到基体上形成涂层；
优选地，控制喷嘴装置与激光器进行同步移动，以对基体的不同部位进行喷涂；
优选地，两台所述激光器发射出的激光光束与喷嘴轴线平行；
优选地，其中一台激光器为半导体激光器，另一台所述激光器为半导体激光器、光纤激光器或CO2激光器的一种。
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CN (1) CN115233207A (zh)

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