CN115233208A

CN115233208A - 基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法及装置

Info

Publication number: CN115233208A
Application number: CN202210794093.4A
Authority: CN
Inventors: 刘博�; 邹洪森; 田凯; 马磊; 蒋超伟; 姚建华; 李波; 张群莉; 罗准
Original assignee: Super High Voltage Co Of State Grid Ningxia Electric Power Co ltd; Zhejiang University of Technology ZJUT; State Grid Ningxia Electric Power Co Ltd
Current assignee: Super High Voltage Co Of State Grid Ningxia Electric Power Co ltd; Zhejiang University of Technology ZJUT; State Grid Ningxia Electric Power Co Ltd
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2042-07-07
Also published as: CN115233208B

Abstract

本发明公开一种基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法及装置，包括：控制初始层激光器向高压隔离开关表面发射激光，并控制初始层喷枪在初始层激光器照射后的位置喷涂WC粉末以在高压隔离开关表面上形成WC过渡层；控制重熔激光器向WC过渡层发射激光以使WC过渡层软化平整；控制搭接层激光器向WC过渡层发射激光，并控制搭接层喷枪在搭接层激光器照射后的位置喷涂SS316L粉末以在WC过渡层上形成SS316L表面层。本发明提高隔离开关各项性能及使用寿命。

Description

基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法及装置

技术领域

本发明涉及高压隔离开关表面修复技术领域，尤其涉及一种基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法及装置。

背景技术

随着电力系统容量的持续增加，隔离开关正在向高电压、大容量、小型化方向发展。而电力系统中保有量最大的设备-隔离开关的正常运行对电力系统的稳定运行具有非常关键的作用。高压隔离开关是电力系统中使用量最大、应用范围最广的高压开关设备。变电站大部分使用的高压隔离开关仍为敞开式，触头多在户外，运行条件恶劣，大部分组件基本裸露，长期受到外界环境和气候的影响，因此在隔离开关长期运行的情况下容易出现不同程度的氧化、触头表面变黑、锈蚀、裂纹、镀层脱落、触头变形等情况，造成触头接触电阻过大、发热影响触头工作性能，继而影响整个线路的可靠性供电和电网的安全稳定运行。

随着工程环境越来越苛刻，单一合金或金属制备的表面沉积层已无法满足实际工况条件或应用需求，需要多种材料的共同沉积形成复合沉积层以实现多种材料特殊性能的协调应用，例如纯金属与合金的复合、纯金属与陶瓷的复合、合金与陶瓷相的复合、纯金属与非金属的复合以及陶瓷与陶瓷的复合。单一的热喷涂技术或者是单一的激光技术来制备陶瓷-金属复合沉积层时，尤其是相变敏感性陶瓷时，首要问题是如何避免陶瓷相的分解、相变以及沉积层中裂纹的产生。冷喷涂技术作为一种低温固态沉积技术，能从根本上避免激光熔覆、热喷涂等热加工过程中氧化、分解、相变、晶粒长大等热损害，冷喷涂技术可获得无相变的高质量沉积层，为制备相变敏感性陶瓷-金属复合沉积层的制备提供新的有效途径。但也正是由于冷喷涂技术的冷加工特性，其运行成本高、可喷涂材料范围相对窄。

发明内容

本发明实施例提供一种基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法及装置，以解决现有技术采用单一的喷涂方式修复高压隔离开关效果不佳的问题。

第一方面，提供一种基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法，包括：

控制初始层激光器向高压隔离开关表面发射激光，并控制初始层喷枪在所述初始层激光器照射后的位置喷涂WC粉末以在所述高压隔离开关表面上形成WC过渡层；

控制重熔激光器向所述WC过渡层发射激光以使所述WC过渡层软化平整；

控制搭接层激光器向所述WC过渡层发射激光，并控制搭接层喷枪在所述搭接层激光器照射后的位置喷涂SS316L粉末以在所述WC过渡层上形成SS316L表面层；

其中，所述初始层喷枪和所述搭接层喷枪的喷涂距离均为5～30mm，所述初始层喷枪、所述搭接层喷枪、所述初始层激光器、所述重熔激光器和所述搭接层激光器的扫描速度均为5～30mm/s，所述初始层激光器的功率为0～2000W，所述重熔激光器的功率为0～1000W，所述搭接层激光器的功率为0～2000W。

第二方面，提供一种应用于如第一方面实施例所述的基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法的高压隔离开关表面修复装置，包括：修复组件，所述修复组件包括：底板、第一滑台、第二滑台、竖向支撑架、第三滑台、弧形支撑架、初始层喷枪、搭接层喷枪、初始层激光器、搭接层激光器和重熔激光器；

所述第一滑台可前后移动地设置在所述底板上，所述第二滑台可左右移动地设置在所述第一滑台上，所述竖向支撑架的下端设置在所述底板上，所述第三滑台可上下移动地设置在所述竖向支撑架的前侧表面上，所述弧形支撑架设置在所述第三滑台的前侧表面上，所述弧形支撑架的弧形朝下，所述弧形支撑架具有弧形通槽，第一移动架和第二移动架分别位于所述弧形支撑架的中部的左右两侧，所述第一移动架和所述第二移动架穿设所述弧形通槽，并可在所述弧形通槽内移动，所述第一移动架的前后两端分别连接所述初始层喷枪和所述初始层激光器，所述第二移动架的前后两端分别连接所述搭接层喷枪和所述搭接层激光器，所述重熔激光器穿设所述弧形支撑架的中部。

这样，本发明实施例是一种无污染的环保型表面修复技术，可以快速对隔离开关表面进行修复强化，获得高质量的复合梯度涂层；在三激光器的配合下，能够保证过渡层与基体层结合强度高、过渡层与表面层融合程度高，显著提高隔离开关的各项性能，提高使用寿命；能够降低沉积过程中的缺陷，实时修复表面不平，提高表面平整度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是超音速激光沉积技术的原理示意图；

图2是本发明实施例的基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法的流程图；

图3是本发明实施例的不同喷涂距离下制备的涂层截面形貌示意图，其中，(a)10mm；(b)15mm；(c)20mm；

图4是本发明实施例的不同扫描速度下制备的涂层截面形貌示意图，其中，(a)10mm/s；(b)20mm/s；(c)30mm/s；

图5是本发明实施例的不同激光器的功率下制备的涂层截面形貌示意图，其中，(a)400W；(b)600W；(c)800W；(d)1000W；

图6是本发明实施例的涂层的厚度和宽度随激光器的功率的变化规律示意图；

图7是本发明实施例的不同激光器的功率下制备的涂层表面形貌示意图，其中，(a，b)400W；(c，d)600W；(e，f)800W；(g，h)1000W；

图8是本发明实施例的高压隔离开关表面修复装置的修复组件的立体图；

图9是本发明实施例的高压隔离开关表面修复装置的修复组件的俯视图；

图10是本发明实施例的高压隔离开关表面修复装置的修复组件的侧视图；

图11是本发明实施例的高压隔离开关表面修复装置的立体图一；

图12是本发明实施例的高压隔离开关表面修复装置的立体图二；

图13是本发明实施例的高压隔离开关表面修复装置工作过程示意图；

图14是图13中A处的放大图；

图15是本发明实施例的高压隔离开关表面修复装置连续工作过程示意图。

具体实施方式

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。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取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法。如图1所示，超音速激光沉积(SLD)是在冷喷涂工艺基础上发展起来的新的材料沉积复合技术，喷涂过程中引入激光对沉积区域中的粉末颗粒与基体材料进行同步加热。把激光辐照同步引入到冷喷涂加工过程中目的是通过激光辐照能量对喷涂颗粒、基材或两者同时进行加热软化处理，瞬间调节和改善材料的力学性能指标和碰撞沉积状态，提高低压冷喷沉积层的厚度、沉积效率、致密度和结合强度，进而提高沉积层的使用性能；同时使沉积层和基板的选材范围更广泛，还能够以廉价的氮气代替昂贵的氦气作为工作气体。另外，由于可通过测量和改变激光光斑功率等方法调节它对材料的加热程度，能够对材料的加热温度进行精确控制。由于超音速激光沉积是利用激光对颗粒和基体进行加热，且确保加热温度低于颗粒和基体材料的熔点。因此，超音速激光沉积既保持了冷喷涂的固态沉积、无稀释、低的热输入、低氧化、低的气体预热温度以及高的沉积速度，从而保证了粉末原始成分和相等优点，又克服了冷喷涂无法或难以沉积脆性材料和高硬度材料的缺点。超音速激光沉积工艺虽然有激光同步辐照，但不会产生熔池，仅是对颗粒和基体起到加热软化的作用，所以可以有效避免激光熔覆、热喷涂等技术给材料带来的氧化、相变、烧蚀、晶粒长大等现象，保留沉积材料的原有性质和成分。

具体的，如图2所示，该方法包括如下的步骤：

步骤S1：控制初始层激光器向高压隔离开关表面发射激光，并控制初始层喷枪在初始层激光器照射后的位置喷涂WC粉末以在高压隔离开关表面上形成WC过渡层。

WC(碳化钨)是以金属钨和碳为原料进行制备的，原料来源广泛，WC与钴基、镍基和铁基等合金都具有良好的润湿性，WC还能与其他金属材料复合从而制备出性能优异的耐磨沉积层。高压隔离开关一般为铜锆合金材料。

具体的，调节初始层喷枪和初始层激光器，使在初始层喷枪和初始层激光器的移动线路上，初始层激光器发射的光斑位于初始层喷枪喷涂的粉斑的前方，并且光斑和粉斑部分重合。

步骤S2：控制重熔激光器向WC过渡层发射激光以使WC过渡层软化平整。

具体的，调节重熔激光器，使重熔激光器发射的光斑位于移动线路上。即重熔激光器发射的光斑与初始层激光器发射的光斑和初始层喷枪喷涂的粉斑在一条直线上。

步骤S3：控制搭接层激光器向WC过渡层发射激光，并控制搭接层喷枪在搭接层激光器照射后的位置喷涂SS316L粉末以在WC过渡层上形成SS316L表面层。

SS316L不锈钢是一种超低碳奥氏体不锈钢，具有良好的力学性能，耐腐蚀性能和焊接性能，广泛应用在海洋工业、压力容器、食品工业和化工工业，是当下工业应用中最为广泛且廉价的低碳钢之一。通过WC和SS316L两者复合形成陶瓷-金属梯度复合沉积层，在最优经济适用性的基础之上可实现高性能多功能沉积层的制备。

具体的，调节搭接层喷枪和搭接层激光器，使搭接层喷枪喷涂的粉斑和搭接层激光器发射的光斑位于移动线路上，并且搭接层激光器发射的光斑位于搭接层喷枪喷涂的粉斑的前方，光斑与粉斑部分重合，搭接层激光器发射的光斑、搭接层喷枪喷涂的粉斑与初始层激光器发射的光斑和初始层喷枪喷涂的粉斑在一条直线上

具体的，初始层喷枪和搭接层喷枪的喷涂距离均为5～30mm，优选为15mm。对于初始层喷枪，喷涂距离指的是初始层喷枪的出口与高压隔离开关表面之间的距离。对于搭接层喷枪，喷涂距离指的是搭接层喷枪的出口与WC过渡层之间的距离。初始层喷枪、搭接层喷枪、初始层激光器、重熔激光器和搭接层激光器的扫描速度均为5～30mm/s，优选为30mm/s。

初始层激光器用于清洗消除高压隔离开关表面的污渍和氧化膜，激光预热软化高压隔离开关表面，大大促进涂层与基体的结合。初始层激光器的功率为0～1000W，优选为800W。初始层喷枪用于喷涂高速WC粉末，高速WC粉末嵌入软化的隔离开关表面堆叠形成WC过渡层。

初次沉积形成的WC过渡涂层受到沉积效应的影响，表面凹凸不平，重熔激光器用于发射激光束形成高能光斑，对其表面进行软化平整处理，消除表面不平。重熔激光器的功率为0～1500W，优选为800W。

平整软化后的WC过渡层会迅速硬化导致不利于后续沉积，因此，搭接层激光器用于发射激光照射WC过渡层再次软化预热WC过渡层，为后续搭接提供软化基体。搭接层激光器的功率为0～2000W，优选为800W。搭接层喷枪用于将SS316L粉末喷涂沉积在WC过渡层之上，形成SS316L表面层，最终形成WC过渡层\SS316L表面层。

此外，WC粉末和SS316L粉末的送粉转速均为0～30g/min，粉末粒径为15～40μm，粉末形状是球形或不规则形状。WC过渡层的平均厚度为110.5μm，SS316L表面层的平均厚度为120μm。搭接距离(即相邻部分重合的两道涂层的中心线之间的距离)为1～4mm，搭接层数1～10层。初始层喷枪和搭接层喷枪喷涂的过程中伴随载气，载气包括如下的至少一种：空气、氮气和氦气，载气的压力为0～2MPa，载气的预热温度为0～800℃。

上述的参数可根据不同喷涂粉末的性质特点进行选择，此外，还根据道与道的搭接率进一步设定喷枪的扫描速度。通过选择上述相关参数，可使喷涂效果最好。特别是喷涂距离、扫描速度和激光器的功率对喷涂效果的影响较为显著。下面对选择上述喷涂距离、扫描速度和激光器的功率的原因进行阐述。

以WC喷涂到高压隔离开关表面为例，具体工艺参数如表1所示。

表1超音速激光沉积WC涂层工艺参数

具体的，对于喷枪的喷涂距离，基于超音速激光沉积的喷涂过程中，粉末颗粒需要在工作载气的携带下通过喷枪加速到其临界撞击速度以上才能实现有效沉积。工作载气在基体表面会产生激波现象，颗粒在到达基体之前必须穿过激波区，这会导致喷涂颗粒的撞击速度降低，特别是在低压冷喷涂的过程中，激波对粉末速度的影响更加明显。由于激波的形成与喷涂距离密切相关，因此，本发明实施例在保持其他工艺参数不变的情况下，研究喷涂距离对涂层宏观形貌的影响规律。

图3为不同喷涂距离下制备的涂层(对应表1中的样品a-c)的截面形貌以及涂层/基体界面结合形貌。通过图像分析软件对不同涂层的峰值厚度进行测量对比，结果表明喷涂距离为10mm、15mm、20mm时，涂层的峰值厚度分别为306.31μm，267.64μm、188.17μm。从图3中还可以发现，当喷涂距离为15mm时，涂层的形貌以及涂层/基体之间的界面结合最好；当喷涂距离为20mm时，涂层与基体的界面结合区有明显的间隙存在，这是由于随着喷涂距离的增加，粉末要穿越较长距离的激波区，减速效果更严重，使得粉末撞击到基板时的速度降低，与基体的结合效果下降；随着喷涂距离的减小，粉末颗粒的撞击速度受激波的影响减弱，因此，大部分颗粒能够实现有效沉积，沉积效率增加，表现为涂层厚度逐渐增加。但当喷涂距离过近时(10mm)，涂层表面出现了许多凹坑，这是由于涂层表面距喷嘴出口较近，从喷嘴中喷出的高速工作载气对涂层表面结合较弱的颗粒有较强的冲刷力，会导致这些位置的颗粒脱落，从而留下了许多凹坑。值得注意的是，在喷涂距离20mm的涂层表面同样观察到了凹坑的存在，这是因为在该喷涂距离下，颗粒的撞击速度受激波的影响较为显著，沉积涂层中的颗粒结合力较弱，即使在较弱的气流冲击下也会出现脱落现象，从而出现凹坑的现象。因此综合涂层的厚度(沉积效率)以及表面平整等因素，本发明实施例的喷涂距离确定为5～30mm，最优的喷涂距离为15mm。

具体的，对于喷枪的扫描速度，在超音速激光沉积喷涂涂层过程中对涂层的成形形貌也会产生影响。随着扫描速度的变化，基体表面单位时间、单位面积上粉末输送量会发生改变，从而造成涂层截面形貌发生变化。此外，扫描速度还会影响激光与基体/粉末的相互作用时间，当扫描速度过慢时，激光与基体以及粉末的相互作用时间较长，对粉末的氧化程度以及涂层中的孔隙率都有很大影响；而当扫描速度过快时，激光与基体以及粉末的相互作用时间较短，对粉末以及基体的加热软化作用有限，会影响粉末的有效沉积(即沉积效率)，因此在保持15mm的最优喷涂距离基础上，对不同扫描速度进行了优化研究。

图4为不同扫描速度下(对应表1中的样品c-d)制备的WC涂层截面形貌和涂层/基体界面结合形貌图。从图4可以发现，随着扫描速度由10mm/s逐渐增加至30mm/s时，涂层峰值厚度分别为267.64μm、214.11μm和128.93μm，呈逐渐下降的趋势。扫描速度为10mm/s(样品c)和20mm/s(样品d)时，涂层表面有明显的起伏现象(凹坑)，而当扫描速度为30mm/s(样品e)时，涂层表面变得相对平整。此外，在扫描速度为10mm/s的涂层内部以及涂层/界面结合区域可以观测到明显的孔隙，而扫描速度为20mm/s和30mm/s的涂层内部则具有相对较好的致密性和涂层/界面结合状态。

在激光与材料的相互作用过程中，激光的输出功率(P)和激光光斑直径(d)决定了激光的功率密度(p)，即：

激光扫描速度(v)和激光光斑直径(d)则决定了激光与材料的相互作用时间，即：

结合上述两个方程可计算出激光与材料相互作用的能量密度(e)，即：

从上式可以看出，在相同的激光功率和光斑直径下，激光与材料相互作用的能量密度与扫描速度成反比。由此可以推出，样品e(扫描速度为30mm/s)与激光相互作用的能量密度仅为样品c(扫描速度为10mm/s)的1/3。在样品e对应的扫描速度下，粉末颗粒和基体受激光辐照软化的效应远低于样品c，粉末颗粒能够实现有效沉积的比例较低，表现为涂层厚度的降低(即沉积效率降低)。但是，当扫描速度较慢时，激光以及工作载气与涂层的相互作用时间较长，这样会带来两个不利影响：一是长时间的激光辐照会使涂层中的材料发生烧蚀作用，从而留下孔隙(如图4(a)所示)；另一个是较强的工作载气会使涂层表面结合较弱的颗粒脱落，留下凹坑，形成起伏的表面特征，如图4(a)和(b)所示。综合涂层的孔隙率、界面结合以及表面平整等因素，确定扫描速度为5～30mm/s，最优的扫描速度为30mm/s。

对于激光器的功率，在基于超音速激光沉积的喷涂工艺过程中，激光的作用是加热软化沉积粉末和基体材料，提高两者的塑性变形能力，在此过程中要避免材料的熔化、烧蚀以及相变等不利现象，因此，激光器的功率的正确选择是非常关键的一个工艺优化过程。本试验在保持最优喷涂距离(15mm)和扫描速度(30mm/s)的条件下，通过调变激光功率制备了不同的WC涂层。图5为不同激光器的功率下制备的WC涂层(对应表1中的样品e-h)的截面形貌和涂层/基体界面结合形貌图。从图5中可以看出，当激光器的功率为400W时，涂层的峰值厚度为101.69μm；当激光器的功率逐渐升高至600W和800W时，涂层的峰值厚度分别增至129.93μm和191.75μm；当激光器的功率进一步升高至1000W时，涂层的峰值厚度不增反减，降至106.49μm。对涂层/基体界面结合的分析发现，不同激光器的功率制备的涂层均具有良好的界面结合效果，但当激光器的功率增加至1000W时，在界面结合区会发现少部分因烧蚀产生的孔隙。前期的优化试验表明单一低压冷喷涂(激光器的功率为0W)，或者激光器的功率过低时，粉末的沉积效率很低，这是因为粉末颗粒只有达到其临界沉积速度才能实现有效沉积，而粉末临界沉积速度的经验公式如下所示：

其中，σ为与温度相关的屈服强度，MPa；σ_UTS为粉末的极限强度，MPa；ρ为粉末的密度，g/cm³；c_p为粉末的比热容，J/(kg·℃)；T_m为粉末熔点，℃；T_p为粉末颗粒碰撞时的初始温度，℃；T_ref为参考温度(通常取室温)，℃；a，b为常数。

根据上述两式可知，通过提高粉末颗粒撞击基体前的初始温度，可以减小其强度(提高塑性变形能力)以及降低临界沉积速度。将激光与冷喷涂耦合，激光束的辐照会对粉末颗粒进行加热，使得粉末的初始温度升高，同时由于加热软化的作用降低了粉末的极限强度，从而降低了粉末的临界沉积速度。此外，激光对沉积区域材料进行同步辐照，使得已沉积的涂层被快速加热软化，软化的沉积涂层将减少颗粒的反弹现象，促进粉末颗粒的沉积。因此激光可以极大地提高粉末的沉积效率。

图6为超音速激光沉积喷涂WC涂层的厚度和宽度随激光器的功率的变化规律。从图6中可以看出，沉积层的厚度和宽度都呈现先增加后减小的规律。这是因为当激光器的功率由400W逐渐增加到800W时，粉末软化程度和初始温度增加，粉末沉积效率提高，所以涂层厚度和宽度增加，且在800W时达到最高值。但随着激光器的功率继续增加到1000W时，涂层厚度和宽度反而减小，这是由于激光功率过高时，喷涂粉末发生氧化，使得粉末颗粒塑性变形能力下降，导致临界沉积速度提高，沉积效率降低。

图7为不同激光器的功率下制备的WC涂层的表面形貌，其中(a，b)激光器的功率为400W，(c，d)激光器的功率为600W，(e，f)激光器的功率为800W，(g，h)激光器的功率为1000W。

从左侧的涂层表面低倍显微形貌图中可以看出，随着激光器的功率的逐步增加，涂层表面起伏趋于平缓，表面的凹坑数量和深度明显减少；从右侧高倍形貌图7(b)可以发现，激光器的功率较小时，粉末软化程度不大，因此涂层表面存在大量完整的颗粒状粉末。而随着激光器的功率的逐渐增加，涂层表面完整颗粒状的粉末越来越少，这是由于激光对粉末的软化作用增强，使得粉末颗粒塑性变形程度增加，沉积的颗粒间相互结合更好，涂层表面形貌也变平整。但激光器的功率过高会导致粉末烧蚀，因此图7(e)激光器的功率为800W制备的涂层表面形貌中出现了较大的孔洞。如前所述，喷涂粉末发生氧化，使得粉末不易塑性变形沉积，因此图7(h)激光器的功率为1000W时涂层表面存在许多不易变形的完整颗粒状粉末。

因此，综合上述的分析，激光器的功率为0～2000W，最优的激光器的功率为800W。对于初始层激光器、重熔激光器和搭接层激光器，根据各自针对的粉末的性质及功能进一步优化各自的功率范围。

在一优选的实施例中，两个喷枪的喷涂距离均为15mm，两个喷枪和三个激光器的扫描速度均为30mm/s，三个激光器的功率均为800W。

此外，步骤S1之前，该方法还包括：

采用Al₂O₃喷砂材料对高压隔离开关表面进行喷砂粗化预处理。

其中，Al₂O₃喷砂材料的粒径为5～200目。

此外，步骤S1之前，该方法还包括：

采用行星球磨机分别对WC粉末和SS316L粉末进行球磨处理。

其中，行星球磨机的转速为0～2000rpm，球磨时间为1～24h，球料比为1～30:1。球磨可在惰性气体保护下进行。球磨后的粉末进行筛分得到粒径均匀的粉末。

本发明实施例公开了一种基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复装置。如图8～15所示，该装置包括如下的结构：修复组件。修复组件包括：底板2、第一滑台3、第二滑台4、竖向支撑架5、第三滑台6、弧形支撑架7、初始层喷枪8、搭接层喷枪9、初始层激光器10、搭接层激光器11和重熔激光器12。初始层喷枪8和搭接层喷枪9连接有外部送粉设备。

第一滑台3可前后移动地设置在底板2上。第二滑台4可左右移动地设置在第一滑台3上。高压隔离开关1放置在第二滑台4上。高压隔离开关1一般呈“U”型，根据高压隔离开关1的形状、重量和尺寸，选择适合的顶针或托架配合卡盘加持以将高压隔离开关1安装在第二滑台4上。竖向支撑架5的下端设置在底板2上。第三滑台6可上下移动地设置在竖向支撑架5的前侧表面上。弧形支撑架7设置在第三滑台6的前侧表面上，具体的，弧形支撑架7可通过延伸的连接件连接第三滑台6的前侧表面。弧形支撑架7的弧形朝下。弧形支撑架7具有弧形通槽13。第一移动架14和第二移动架15分别位于弧形支撑架7的中部的左右两侧。第一移动架14和第二移动架15穿设弧形通槽13，并可在弧形通槽13内移动。具体的，弧形通槽13可以为两条，分别靠近弧形支撑架7的上端和下端。第一移动架14和第二移动架15在位置调节好后，可通过螺栓螺母紧固的方式固定。第一移动架14的前后两端分别连接初始层喷枪8和初始层激光器10。第二移动架15的前后两端分别连接搭接层喷枪9和搭接层激光器11。重熔激光器12穿设弧形支撑架7的中部。本发明实施例所述的前后指的是图9所示的上下方向，左右指的是图9所示的左右方向，下文不再赘述。

上述的第一滑台3、第二滑台4和第三滑台6的移动可通过三坐标系机床进行。

通过激光器进行软化预热，通过喷枪进行喷涂，并且通过移动第一滑台3、第二滑台4和第三滑台6的移动使得喷枪和激光器沿喷涂线路移动，完成对整个高压隔离开关1的喷涂。如图14所示，Ⅰ为初始层激光束，Ⅱ为初始层高速粉流，Ⅲ为初始涂层，Ⅳ为重熔激光束，Ⅴ为搭接层激光束，Ⅵ为搭接层高速粉流，Ⅶ为复合梯度涂层。

具体的，底板2的中部开设第一安装槽16。第一安装槽16内设置第一丝杠(图中未示出)。第一丝杠的两端分别可转动地连接第一安装槽16的前后两个侧表面。第一丝杠的一端连接第一电机17的输出轴。第一电机17可安装在第一安装槽16的前侧或后侧表面上。第一丝杠上啮合套设第一滑块。第一滑块的数量可根据实际情况确定，多个第一滑块间隔均匀分布。两个第一滑道18分别设置在第一安装槽16的左右两侧的底板2上。每一第一滑道18上设置可滑动的第二滑块19。每一第一滑道18上的第二滑块19的数量可根据实际情况确定。每一第一滑道18上的多个第二滑块19间隔均匀分布。第一滑台3设置在第一滑块和第二滑块19上。

第一电机17驱动第一丝杠转动，使第一滑块移动，带动第一滑台3移动，第二滑块19在第一滑道18上移动，进一步辅助第一滑台3移动，以实现高压隔离开关1在前后方向上移动，从而激光器和喷枪在前后方向上作业。

具体的，第一滑台3的上表面前后对称设置至少两个第一支撑块20。每一第一支撑块20的上表面开设第二滑道。第二滑台4的下表面位于第二滑道上，并可在第二滑道上左右移动。第二滑台4的左侧表面或右侧表面上设置第二电机21。第二滑台4的下表面开设第二安装槽。第二安装槽内设置第二丝杠。第二丝杠的两端分别可转动地连接第二滑台4的左右侧表面。第二电机21的输出轴与第二丝杠的一端连接。至少一第二支撑块啮合套设在第二丝杠上。每一第二支撑块与对应的前后两侧的两个第一支撑块20连接。即第二支撑块与对应的两个第一支撑块20位于沿前后方向延伸的同一直线上。

第二电机21带动第二丝杠转动，使啮合的第二支撑块有动力沿第二丝杠移动，由于第二支撑块与固定的第一支撑块20连接，使第二支撑块无法移动，对第二丝杠施加反作用力，从而使第二丝杠移动，并且第二滑台4和第二电机21都随着第二丝杠整体在左右方向上移动，以实现高压隔离开关1在左右方向上移动，从而激光器和喷枪在左右方向上作业。

具体的，竖向支撑架5的中部开设第三安装槽22。第三安装槽22内设置第三丝杠(图中未示出)。第三丝杠的两端分别可转动地连接第三安装槽22的上下两个侧表面。第三丝杠的上端连接第三电机23的输出轴。第三电机23可安装在竖向支撑架5的上侧表面上。第三丝杠上啮合套设第三滑块。第三滑块的数量可根据实际情况确定，多个第三滑块间隔均匀分布。两个第三滑道24分别设置在第三安装槽22的左右两侧的竖向支撑架5的前侧表面上。每一第三滑道24上设置可滑动的第四滑块25。每一第三滑道24上的第四滑块25的数量可根据实际情况确定，每一第三滑道24上的多个第四滑块25间隔均匀分布。第三滑台6设置在第三滑块和第四滑块25上。

第三电机23驱动第三丝杠转动，使第三滑块移动，带动第三滑台6移动，第四滑块25在第三滑道24上移动，进一步辅助第三滑台6移动，以实现激光器和喷枪在上下方向上移动，从而调整激光器和喷枪与高压隔离开关1的距离。

具体的，初始层激光器10和搭接层激光器11为脉冲激光器。重熔激光器12为光纤耦合激光器，可通过光纤管道26连接外部光纤设备。初始层喷枪8和搭接层喷枪9可采用拉瓦尔喷嘴，根据拉瓦尔喷嘴的形状，喷出的粉斑是圆形或矩形。

此外，该修复装置还包括：外壳27。修复组件位于外壳27内。外壳27的一侧壁设置有可打开和关闭的门28，以便进行观察。外壳27不仅可对修复组件进行保护，还可防止喷涂过程中产生的粉尘扩散以避免破坏环境。

此外，该修复装置还包括：抽风机29和集粉盒30。外壳27上设置有第一连通口。第一连通口的数量均与抽风机29的数量相同。抽风机29连通第一连通口和集粉盒30。启动抽风机29抽风可将喷涂过程产生的粉末收集到集粉盒30中，避免粉尘散布影响环境。

此外，该修复装置还包括：气罐31。外壳27上设置有第二连通口。一般的，第一连通口和第二连通口可分别设置在外壳27的相对的两侧壁上。气罐31的管道穿过第二连通口与初始层喷枪8和搭接层喷枪9连接。气罐31的数量可根据实际需求确定。气罐31中存储有高压惰性气体，可在喷枪喷涂时通过气体辅助送粉。载气可进行预热。

实施例1

(1)将高压隔离开关装载在第二滑台上，确保喷涂起点位于喷枪下方。

(2)调节初始层激光器和初始层喷枪进行作业，分别在高压隔离开关表面形成光斑和粉斑。光斑大小为8mm，粉斑大小为5mm，使得光斑位于粉斑前方。初始层激光器采用脉冲激光器，初始层激光器的功率为0～2000W，对待喷涂表面进行软化预热。初始层喷枪送出WC粉末，粉末粒径范围15～40μm，喷涂工艺参数：载气为氮气，载气的压力1.5MPa，载气的预热温度600℃，送粉转速15g/min，喷涂距离20mm，搭接距离2mm，扫描速度15mm/s。

(3)调节重熔激光器进行作业，使得光斑与前面步骤形成的光斑和粉斑位于同一直线上。光斑大小为8mm。重熔层激光器为光纤耦合激光器，重熔层激光器的功率为0～1000W，对WC过渡层进行平整处理。

(4)调节搭接层激光器和搭接层喷枪进行作业，分别在高压隔离开关表面形成光斑和粉斑，光斑大小为8mm，粉斑大小为5mm，且光斑和粉斑与前面步骤形成的光斑和粉斑在同一直线上。搭接层激光器为脉冲激光器，搭接层激光器的功率为0～2000W，对WC过渡层进行软化预热。搭接层喷枪送出SS316L粉末，粉末粒径范围15～40μm，喷涂工艺参数：载气为氮气，载气的压力2MPa，载气的预热温度800℃，送粉转速20g/min，喷涂距离20mm，搭接距离2mm，扫描速度15mm/s。

最后获得WC过渡层的平均厚度为110.5μm，SS316L表面层的平均厚度为120μm的复合梯度涂层——WC过渡层\SS3316L表面层。

综上，本发明实施例是一种无污染的环保型表面修复技术，可以快速对隔离开关表面进行修复强化，获得高质量的复合梯度涂层；在三激光器的配合下，能够保证过渡层与基体层结合强度高、过渡层与表面层融合程度高，显著提高隔离开关的各项性能，提高使用寿命；能够降低沉积过程中的缺陷，实时修复表面不平，提高表面平整度。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述WC粉末和所述SS316L粉末的送粉转速均为0～30g/min，粉末粒径为15～40μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述初始层喷枪和所述搭接层喷枪喷涂的过程中伴随载气，所述载气包括如下的至少一种：空气、氮气和氦气，所述载气的压力为0～2MPa，所述载气的预热温度为0～800℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述控制初始层激光器向高压隔离开关表面发射激光的步骤之前，所述方法还包括：

采用Al₂O₃喷砂材料对所述高压隔离开关表面进行喷砂粗化预处理；

其中，Al₂O₃喷砂材料的粒径为5～200目。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制初始层激光器向高压隔离开关表面发射激光的步骤之前，所述方法还包括：

采用行星球磨机分别对所述WC粉末和所述SS316L粉末进行球磨处理；

其中，所述行星球磨机的转速为0～2000rpm，球磨时间为1～24h，球料比为1～30:1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述WC过渡层的平均厚度为110.5μm，所述SS316L表面层的平均厚度为120μm。

7.一种应用于如权利要求1～6任一项所述的基于超音速激光沉积的高压隔离开关表面修复方法的高压隔离开关表面修复装置，其特征在于，包括：修复组件，所述修复组件包括：底板、第一滑台、第二滑台、竖向支撑架、第三滑台、弧形支撑架、初始层喷枪、搭接层喷枪、初始层激光器、搭接层激光器和重熔激光器；

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：外壳，所述修复组件位于所述外壳内，所述外壳的一侧壁设置有可打开和关闭的门。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：抽风机和集粉盒，所述外壳上设置有第一连通口，所述抽风机连通所述第一连通口和所述集粉盒。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：气罐，所述外壳上设置有第二连通口，所述气罐的管道穿过第二连通口与所述初始层喷枪和所述搭接层喷枪连接。