专利名称：激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种制备金属陶瓷涂层的装置，尤其涉及一种激光感应复合熔注 快速制备金属陶瓷涂层的装置。
背景技术：
随着航空燃气涡轮机向着高流量比、高推重比、高进口温度方向发展，涡轮前进口 温度不断提高，目前已接近2000K。为提高涡轮机外环、叶片等高温热端部件的使用寿命，保 证燃气涡轮机安全稳定运行，除改进高温合金的成分、制备工艺以及叶片设计外，使用防护 性热障涂层是目前最有效的方法。目前，在高温合金热端部件表面制备热障涂层的技术主要有等离子喷涂(plasma spraying)、电子束-物理气相沉积(EB-PVD)、激光熔覆(laser cladding)等。其中，等离子 喷涂热障涂层技术具有工艺成熟、操作简单与效率高等优点，但制备的热障涂层与基材呈 机械结合，其内部存在大量的气孔与微裂纹，导致涂层在服役的过程中易剥落。电子束-物 理气相沉积技术制备的热障涂层具有柱状晶结构，其工作寿命相对于等离子喷涂层大幅度 提高，但是该技术操作复杂、沉积效率低、技术难度大、涂层与基材的结合强度也不高。激光 熔覆技术制备的热障涂层具有组织致密，稀释率低，与基材形成结合强度高的冶金结合，优 异的抗高温氧化与抗热震性能。但是，激光熔覆效率较低以及熔覆层易产生裂纹等冶金缺 陷极大地限制了该技术的工业化应用范围。此外，热障涂层通常采用结构简单的陶瓷层-粘结层的双层结构，使各层间界面 明显，不同的热膨胀系数易在层间产生热应力，导致涂层退化与失效。采用粘结金属层、多 层隔热层和阻氧层以及陶瓷顶层构成的多层结构，虽然可以获得相对双层结构更厚的涂层 以及更好的抗氧化性能，但对涂层的抗热震性能改善不大，且工艺复杂，重复性与可靠性较 差。因此，随着热障涂层应用要求的不断提高，必须开发具有热应力缓冲功能的梯度功能热 障涂层。近年来，可以在高效率条件下，将涂层内的热应力降低到最小程度，从而制备 高性能的无裂纹涂层的激光感应复合熔覆技术(Zhou Shengfeng, HuangYongjun, Zeng Xiaoyan, Hu Qianwu. Microstructure characteristics of Ni-basedffC composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding. Materials Scienceand Engineering :A, 2008,480 (1-2) 564-572)引起了人们的广泛兴趣。但是，关于采用激光感 应复合熔覆技术制备陶瓷相含量高且具有热应力缓冲功能的无裂纹梯度功能热障涂层并 未见文献报道。
发明内容本实用新型的目的在于提供了一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的 装置，利用该装置制备的梯度功能热障涂层具有化学成分、组织结构以及力学性能沿涂层 厚度方向呈梯度连续变化的特点，避免了基体和陶瓷层热膨胀系数不匹配而导致的热应力，可大幅度提高涂层的抗热震性能与使用寿命。
本实用新型是这样来实现的，它包括计算机、激光器、导光系统、激光头、聚焦系 统、粉末喷嘴、双斗自动送粉器、感应加热线圈、感应加热电源、数控机床、基材、导磁体、导 气管，其特征是计算机分别连接数控机床、感应加热电源和激光器，激光器连接激光头，数 控机床上表面放置有基材，基材上表面放置有感应加热线圈，基材的表面与感应加热线圈 之间的距离在2 10mm，感应加热线圈连接感应加热电源，激光头侧壁固定连接粉末喷嘴， 粉末喷嘴与基材法向的夹角为30-70°，粉末喷嘴的末端与基材表面垂直距离为10-15mm， 激光头和粉末咂嘴在感应加热线圈上方，感应加热线圈两侧设有导磁体，粉末喷嘴末端连 有双斗自动送粉器，激光头内依次连有导光系统和聚焦系统，激光头顶端侧壁连有导气管， 感应加热线圈上有溶池。本实用新型的技术效果是(1)可以在预热基材的同时进行激光熔覆处理，克服 了常规预热方法如加热炉、氧乙炔火焰等预热速度慢、易造成工件损伤以及不能完全消除 裂纹等问题；(2)在对基材进行预热处理时为无接触式加工，预热速度快，不会对基材造成 划伤与氧化等损伤，而且基材经预热到300 ioocrc后，对激光束能量的吸收率大幅度提 高，使得激光束的能量主要用于加热合金粉末，从而大幅度提高了激光感应复合熔覆效率；
(3)在对基材进行预热处理时，可以对预热区域粘确定位，而不必对基材进行整体加热，最 大程度上保持了基材组织与性能的完整性，因此对基材的尺寸与需要处理的部位无限制；
(4)可以精确控制双斗自动送粉器的送粉率，实现陶瓷相沿涂层厚度方向呈0 90wt.%的 梯度分布；(5)可以在激光扫描速度相对单纯激光熔覆技术提高1 20倍的条件下获得无 气孔与无裂纹的梯度热障涂层，其抗热震性能相对等离子喷涂相同成分材料的抗热震性能 提高3 10倍。
图1为本实用新型的结构示意图。图2为本实用新型的感应加热线圈与基材相对位置的示意图。在图中，1、计算机2、激光器3、导光系统4、激光头5、聚焦系统6、粉末喷嘴7、装料 斗8、复合粉末9、双斗自动送粉器10、感应加热线圈11、感应加热区12、感应加热电源13、 数控机床14、基材15、涂层16、导磁体17、熔池18、导气管
具体实施方式
如图1所示，本实用新型是这样实现的，激光器系统由激光器2、导光系统3和聚 焦系统5组成，且它们位于同一光路上；导光系统3与激光头4相连，聚焦系统5位于激光 头4内，激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到聚焦系统5后被聚焦成圆形光斑并 辐射到基材14的表面；与惰性保护气体源相连的导气管18的出气口位于聚焦系统5与基 材14之间，并对准在基材14表面的感应加热区11，自动送粉装置由双斗自动送粉器9与 粉末喷嘴6组成，其中，双斗自动送粉器9包括两个装料斗7，以及粉末喷嘴6，粉末喷嘴6 固定在激光头4上，并随激光头4沿Z轴方向运动；粉末喷嘴6与基材14表面法向的夹角 为30 70°，粉末喷嘴6的末端与基材14表面的垂直距离为10 15mm。激光感应复合 熔覆时，调节双斗自动送粉器9的两个装料斗7的送粉率，并利用粉末喷嘴6将含有不同质量百分比陶瓷相的复合粉末8吹入激光感应复合熔覆热源形成的熔池17内，复合粉末8在 熔池17内熔化并在基材14的表面铺开，当激光感应复合熔覆热源移开后，熔融层冷却并凝 固结晶形成涂层15 ；感应加热装置由感应加热电源12和感应加热线圈10组成，感应加热 线圈10与感应加热电源12相连，用于对基材14进行加热，激光感应复合熔覆时，如图2所 示，将基材14的表面与感应加热线圈10之间的距离控制在2 IOmm范围内，为提高感应 加热线圈10对基材14的加热效率，在感应加热线圈10上安装有专用导磁体16，激光感应 复合加工数控工作台由计算机1、数控机床13与基材夹持装置组成。计算机1与激光器2、 感应加热电源12以及数控机床13相连，并控制激光器2的激光输出、激光头4沿Z轴方向 的直线运动、感应加热电源12的感应加热功率以及数控机床13的运动，数控机床13采用 两轴联动的控制并作X、Y轴方向的直线运动。基材夹持装置固定在数控机床13上，用于将 基材14安装在数控机床13上。
权利要求一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置，它包括计算机、激光器、导光系统、激光头、聚焦系统、粉末喷嘴、双斗自动送粉器、感应加热线圈、感应加热电源、数控机床、基材、导磁体、导气管，其特征是计算机分别连接数控机床、感应加热电源和激光器，激光器连接激光头，数控机床上表面放置有基材，基材上表面放置有感应加热线圈，基材的表面与感应加热线圈之间的距离在2～10mm，感应加热线圈连接感应加热电源，激光头侧壁固定连接粉末喷嘴，粉末喷嘴与基材法向的夹角为30-70°，粉末喷嘴的末端与基材表面垂直距离为10-15mm，激光头和粉末咂嘴在感应加热线圈上方，感应加热线圈两侧设有导磁体，粉末喷嘴末端连有双斗自动送粉器，激光头内依次连有导光系统和聚焦系统，激光头顶端侧壁连有导气管，感应加热线圈上有溶池。
专利摘要一种激光感应复合熔注快速制备金属陶瓷涂层的装置，其特征是计算机分别连接数控机床、感应加热电源和激光器，激光器连接激光头，数控机床上表面放置有基材，基材上表面放置有感应加热线圈，基材的表面与感应加热线圈之间的距离在2～10mm，感应加热线圈连接感应加热电源，激光头侧壁固定连接粉末喷嘴，粉末喷嘴与基材法向的夹角为30-70°，粉末喷嘴的末端与基材表面垂直距离为10-15mm。本实用新型的技术效果是可以在预热基材的同时进行激光熔覆处理，克服了常规预热方法如加热炉、氧乙炔火焰等预热速度慢、易造成工件损伤以及不能完全消除裂纹等问题。
文档编号C23C24/08GK201626977SQ20102012442
公开日2010年11月10日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者刘光明, 周圣丰, 戴晓琴, 杜楠 申请人:南昌航空大学