CN217699820U - 新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，包括喷嘴，喷嘴安装在壳体内，喷嘴包括入口段、收缩段、喉部和扩张段，高压气管穿过壳体与入口段连通，进粉管穿过壳体与扩张段连通，沿着喷嘴圆周方向设有四路供激光束进入的激光通道，每相邻的两路激光通道分别呈垂直分布，四路激光通道分别向扩张段倾斜，并贯穿壳体内两端，每个激光通道内均分别依次安装有反射镜一、反射镜二和反射镜三形成激光束反射通路。该装置通过四种波长激光器对基体表面清洗、预热与后处理一体化，能清除基体表面氧化膜和预热软化基体，降低粉末临界沉积速度，提升金属粘结层与基体间的结合强度，再通过后处理激光重熔进一步提高其力学性能与热学性能。

Description

新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置

技术领域

本实用新型涉及喷涂涂层制备技术领域，具体涉及一种新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置。

背景技术

随着我国工业化进程不断推进，对大型燃轮机的需求与性能要求逐渐提高，现在高温合金已无法在高温复杂情况下正常工作。针对上述问题，1953年美国提出热障涂层的概念(TBCs)，同时它已成功应用于航空发动机内部，延长其服役寿命，是一项关键技术。热障涂层由高耐热性、抗腐蚀性和低导热性的陶瓷表层与粘结层所组成。通常陶瓷层为氧化锆YSZ，其熔点较高(2700℃)，热导率较低。另外，热障涂层中金属基体和陶瓷涂层之间加了一层金属粘结层，其目的是为了缓解陶瓷涂层和金属基体之间的热膨胀不匹配，同时提高基体的抗氧化性，并增强陶瓷涂层与基体之间的结合力。然而，实际生产过程中其服役寿命短，制约着在航空领域的进一步发展与应用。

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 GasDynamic 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。相比传统制备工艺，冷喷涂制备涂层过程中不发生氧化与相变，且喷涂速率高，涂层沉积效率高，涂层厚，因此非常适用于大规模的生产。另外，冷喷涂过程是一个塑性变形过程，冷喷涂层气孔较少，致密性好，界面稳定。

目前，关于用冷喷涂制备热障涂层的研究发展十分迅速，但在实际工件喷涂过程中存在一些问题严重制约涂层的性能。冷喷涂作为一种塑性变形的沉积过程，不发生相变，涂层与基体的结合多为机械联锁，结合强度较低，仅能勉强达到热障涂层的要求。

实用新型内容

本实用新型提供一种新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，具体方案如下：

新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，包括壳体、喷嘴、高压气管和进粉管，所述喷嘴安装在壳体内，喷嘴包括入口段、收缩段、喉部和扩张段，入口段为直管状，收缩段的尺寸从其入口端逐渐缩小至喉部与喉部连接，喉部连接扩张段，扩张段尺寸从连接处向出口端逐渐扩大，高压气管穿过壳体与入口段连通，进粉管穿过壳体与扩张段连通，沿着喷嘴圆周方向设有四路供激光束进入的激光通道，每相邻的两路激光通道分别呈垂直分布，四路激光通道分别向扩张段倾斜，并贯穿于壳体内侧两端，每个激光通道内均分别依次安装有反射镜一、反射镜二和反射镜三形成激光束反射通路。

进一步地，包括激光器和温度传感器，激光器设有四个，分别为激光器一、激光器二、激光器三和激光器四，所述激光器一、激光器二、激光器三和激光器四分别对应设置在四路激光通道的入口方向上，激光器一、激光器二、激光器三和激光器四分别为半导体激光器、光纤激光器或CO₂激光器中的一种，所述温度传感器设有四个，分别安装在每个激光器上。

进一步地，所述收缩段的收缩角度为30°～60°，所述扩张段的扩张角度为5°～10°。

进一步地，所述激光通道分别为倾斜圆形通道，倾斜角度为10°～20°。

进一步地，所述反射镜一、反射镜二和反射镜三均为平面镜或反射镜一、反射镜二和反射镜三均为凹面镜。

进一步地，所述进粉管直径小于喉部直径，所述高压气管和进粉管分别垂直于喷嘴轴线。

本实用新型的优点

1、本实用新型的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，与同轴激光辅助冷喷涂喷嘴相比，本装置将激光束与粉末颗粒分置，能更好的预热基体，有益于粉末颗粒的沉积，形成高性能的涂层。

2、本实用新型的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，与传统预热装置相比，当超音速喷涂设备沿扫描路径移动时，由于粉束沉积速度与扫描速度较快，会在两道区域间有搭接。再次喷涂时，基体上、下侧为已沉积基体表面和未沉积基体表面，因此采用激光器一和激光器四采用不同波长的激光器能更有效预热软化基体上侧已沉积基体表面与下侧未沉积基体表面，降低粉末临界沉积速度，从而更好提高涂层的结合强度。激光器三通过激光清洗去除已沉积涂层表面与未沉积基体表面氧化膜，使新金属界面能更好的与颗粒结合。

3、通过整体控制各个激光器与本实用新型的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置同步左右移动，以实现激光照射在预喷涂基体上，实现基体预热，软化基体的同时，有益于粉末颗粒的沉积。该装置将粉末从喷嘴的扩张段送入，能大大降低送粉气压，节约成本，并且能避免喷嘴喉部发生粘结甚至堵塞现象。另外，由于激光清洗的引入，去除基体表面原有污渍与氧化膜。而激光重熔的使用，能在原有涂层性能的基础上改性，获得更高的力学性能。

4、本实用新型新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置能提高基体与涂层之间的结合强度，通过喷涂过程中对基体的加热软化，降低所需颗粒沉积速度，使沉积效率进一步提升，再通过激光后处理，对已有涂层表面进行激光重熔强化，提高涂层的耐蚀性与硬度，在激光过程预热与激光后处理过程中，本实用新型将激光清洗处理功能引入冷喷涂过程中，形成一种一体化激光冷喷涂表面加工方法，解决现有热障涂层性能不足的问题。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的壳体的内部结构示意图。

图3为图2的壳体的外部结构示意图

图4为本实用新型的基体工作状态图。

图5为本实用新型喷涂装置制备涂层的断面形帽。

图中：

1-入口段；2-高压气管；3-喷嘴轴线；4-收缩段；5-喉部，6-进粉管，7-壳体；8-扩张段；9-激光器一；10-激光器三；11-激光器四；12-激光通路；13-反射镜一；14-反射镜二；15-反射镜三；16-基体；17-粉束左侧激光重熔光斑；18-粉束上侧激光预热光斑；19-粉斑；20-粉束下侧激光预热光斑；21-粉束右侧激光清洗光斑；22-已喷涂基体；23-未沉积基体表面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型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实用新型的权利范围。

如图1至2所示，本具体实施例提供的一种新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，包括壳体7、喷嘴、高压气管2、进粉管6、激光器一9、激光器二(图未示)、激光器三10、激光器四11和温度传感器。

所述喷嘴为超音速喷嘴，安装在壳体7内，喷嘴包括入口段1、收缩段4、喉部5和扩张段8，入口段1为圆形直管状，收缩段4的尺寸从其入口端逐渐缩小至喉部5与喉部5连接，收缩段4的收缩角度为30°～60°，喉部5连接扩张段8，扩张段8尺寸从连接处向出口端逐渐扩大，扩张段8的扩张角度为5°～10°，优选地，扩张段8的出口端为圆形。

高压气管2穿过壳体7与入口段1连通，进粉管6穿过壳体7与扩张段8连通，使粉末从喷嘴的扩张段8送入，能够大大降低送粉气压，节约成本，还能够有效地避免喷嘴的喉部5发生粘结或堵塞的现象发生。优选地，所述进粉管6直径小于喉部5直径，所述高压气管2和进粉管6分别垂直于喷嘴轴线3。

沿着喷嘴圆周方向分别设有四路供激光束进入的激光通道12，每路激光通道12分别为倾斜圆形通道，倾斜角度为10°～20°。每相邻的两路激光通道12分别呈垂直分布，每路激光通道12均分别向扩张段8出口端倾斜，并贯穿于壳体7内侧两端，每个激光通道12内均分别依次安装有反射镜一13、反射镜二14和反射镜三15形成激光束反射通路，使进入激光通道12的每束激光束经过反射镜一13、反射镜二14和反射镜三15反射在基体16表面。所述反射镜一13、反射镜二14和反射镜三15均分别为平面镜，或反射镜一13、反射镜二14和反射镜三15均分别为凹面镜。

所述激光器一9、激光器二、激光器三10和激光器四11分别对应设置在四路激光通道12的入口方向上，激光器一、激光器二、激光器三和激光器四分别为半导体激光器、光纤激光器或CO₂激光器中的一种，优选地，所述激光器一为CO₂高斯红光激光器，激光器二为平顶红光光纤激光器，激光器三为高斯红光光纤激光器，激光器四为半导体高斯光红光激光器。所述温度传感器设有四个，分别安装在每个激光器上。每个温度传感器射出的红外光与每个激光器的激光束中心重合。温度传感器用于测量工作过程中激光光束照射基体16上的中心瞬时温度，根据材料熔点与温度反馈调整各所用激光器发出的功率。

激光器一9用来预热软化已沉积涂层表面22，实现进一步沉积涂层。

激光器二用于预热未沉积基体表面23，降低沉积速度需求，提高结合强度。

激光器三10用于清洗已沉积涂层表面22与未沉积基体表面23，去除已沉积涂层表面22与未沉积基体表面23的氧化膜，促进新鲜金属界面的结合。

激光器四11用于重熔已喷涂基体，从而更好提高涂层的力学性能。

一种新型激光冷喷涂制备热障涂层方法，包括所述的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，高压气体从高压气管2进入喷嘴的入口段1，并依次通过收缩段4、喉部5、扩张段8至基体16，所述粉末颗粒为陶瓷材料制成，粉末颗粒从进料管6进入喷嘴的扩张段8，通过高压气体加速成粉束沉积到基体16上，基体为碳钢或高温合金材质制成。

激光器一9、激光器二、激光器三10和激光器四11分别发射激光进入对应的激光通道12内，其中，左、右激光通道12与上、下激光通道12的角度不同；通过安装在每路激光通道12内的反射镜一13、反射镜二14和反射镜三15反射形成激光光斑到基体16表面，使四束激光光斑分别临近围绕在喷嘴喷出的粉束中心的上侧、左侧、右侧和下侧，控制激光器一9、激光器二、激光器三10和激光器四与11壳体同步左右移动，实现基体预热。

如图4所示，当新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置向右移动，且基体16向上移动时，由于粉斑19沉积速度与扫描速度较快，会在两道喷涂区域间有搭接，再次喷涂时，由于基体16上侧为已沉积涂层表面22，基体16下侧为未沉积基体表面23，因此选择四种不同波长激光器，即激光器一9为CO₂高斯红光激光器，其发出的光束为粉束上侧激光预热光斑18，用来预热软化已沉积涂层表面22，实现进一步沉积涂层；激光器二为平顶红光光纤激光器，其发出的光束为粉束左侧激光重熔光斑17，用来预热未沉积基体表面23，降低沉积速度需求，提高结合强度；激光器三10为高斯红光光纤激光器，其发出的光束为粉束粉束右侧激光清洗光斑21，用来清洗已沉积涂层表面22与未沉积基体表面23，去除已沉积涂层表面22与未沉积基体表面23的氧化膜，促进新鲜金属界面的结合；激光器四11为半导体高斯光红光激光器，其发出的光束为粉束下侧激光预热光斑20，用来重熔已喷涂基体，从而更好提高涂层的力学性能。

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IN718圆管基体进行喷涂对比：

喷涂选用的工作气体均为N₂，均采用YSZ粉末，粉末粒径为12-25μm，粉末形貌均为球形。设置基体均为IN718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，喷涂时需要先喷涂打底，即先在IN718基体上喷涂CoNiCrAlY过渡层，再喷涂YSZ涂层。YSZ粉末沉积效率仅有45％。结合强度在52MPa左右，勉强满足热喷涂结合强度指标。

采用本具体实施例的喷涂装置，通过激光器二去除原有基体氧化膜，激光器一9和激光器四11分别激光预热与激光器三10激光重熔。同样设置喷涂时壳体7的温度为800℃，高压气体压强为5MPa。激光器二采用激光功率为10kw，激光器一9采用激光功率为12kw，激光器四11采用激光功率为8kw，激光器三10采用激光功率为10kw。

本具体实施例的喷涂装置在喷涂时无需再用CoNiCrAlY过渡层。如图5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0.1％左右，远低于冷喷涂制备的YSZ涂层。本具体实施例的喷涂装置的粉末颗粒沉积效率为92％，高于现有技术PCS1000冷喷涂设备的冷喷涂YSZ涂层在CoNiCrAlY过渡层上的沉积效率。基体16界面没有热影响区域，看不见明显颗粒-基体结合界面，仍保持冷喷涂的优势。激光重熔后涂层表面较为平整。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，远高于现有技术制备涂层结合强度。

Claims (6)

1.新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，其特征在于，包括壳体、喷嘴、高压气管和进粉管，所述喷嘴安装在壳体内，喷嘴包括入口段、收缩段、喉部和扩张段，入口段为直管状，收缩段的尺寸从其入口端逐渐缩小至喉部与喉部连接，喉部连接扩张段，扩张段尺寸从连接处向出口端逐渐扩大，高压气管穿过壳体与入口段连通，进粉管穿过壳体与扩张段连通，沿着喷嘴圆周方向设有四路供激光束进入的激光通道，每相邻的两路激光通道分别呈垂直分布，四路激光通道分别向扩张段倾斜，并贯穿于壳体内侧两端，每个激光通道内均分别依次安装有反射镜一、反射镜二和反射镜三形成激光束反射通路。

2.根据权利要求1所述的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，其特征在于，包括激光器和温度传感器，激光器设有四个，分别为激光器一、激光器二、激光器三和激光器四，所述激光器一、激光器二、激光器三和激光器四分别对应设置在四路激光通道的入口方向上，激光器一、激光器二、激光器三和激光器四分别为半导体激光器、光纤激光器或CO₂激光器中的一种，所述温度传感器设有四个，分别安装在每个激光器上。

3.根据权利要求1所述的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，其特征在于，所述收缩段的收缩角度为30°～60°，所述扩张段的扩张角度为5°～10°。

4.根据权利要求1所述的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，其特征在于，所述激光通道分别为倾斜圆形通道，倾斜角度为10°～20°。

5.根据权利要求1所述的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，其特征在于，所述反射镜一、反射镜二和反射镜三均为平面镜或反射镜一、反射镜二和反射镜三均为凹面镜。

6.根据权利要求1所述的新型激光冷喷涂制备热障涂层的装置，其特征在于，所述进粉管直径小于喉部直径，所述高压气管和进粉管分别垂直于喷嘴轴线。

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