一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂的方法及装置的制造方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于零件加工再制造领域，具体涉及一种利用强激光在熔融液的表面诱导 高压等离子体，高压等离子体的超高压力使熔融液发生溅射、喷涂到工件表面的方法及装 置，特别适用于工件内孔孔壁的喷涂。
【背景技术】：
[0002] 随着现代工业的迅速发展，要求机械产品能在高温、高压、高速、重载以及腐蚀等 恶劣的工况下可持续地工作，这必然对零件表面质量提出了很高要求。喷涂是改善零件表 面质量的重要手段之一。它始于50年代，是用于延长机械产品的使用寿命、修复机械零件 和对零件预保护的一项新技术。已有的研宄结果和工程实践表明，涂层性能与喷涂工艺、料 粉粒度、喷涂距离等因素有关，其中喷涂物质的粒子在外力驱动下撞向工件基体的运动速 度对涂层的质量影响最大，它不但影响着涂层的结合强度、孔隙率等，还决定着涂层的残余 应力的特性、分布和大小。粒子撞击到工件表面的速度越大，与基体相互作用就越充分，粒 子变形越充分，从而增大涂层的结合强度，涂层孔隙率就越小。同时粒子的飞行速度越高， 涂层的残余压应力越大，这是由于喷涂的热应变与喷涂颗粒的温度成正比，而基体表面的 压应变与喷涂颗粒的飞行速度成正比。目前主要的喷涂技术有火焰喷涂、等离子喷涂、激光 喷涂和爆炸喷涂等。
[0003] 火焰喷涂是利用氧炔焰作为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速 气流的推动下形成雾流，喷射到基体上形成涂层。火焰喷涂所用的设备简便，可在野外现场 施工，适用于设备维修。然而火焰喷涂的颗粒喷射速度较低，仅为30-40m/s，同时由于粉末 处在焰流不同位置的受热情况不同，其熔融程度有很大差别，有的粉末受热已融化或半融 化，而另一些仅是软化，容易在涂层中出现所谓的"夹生"现象，使火焰喷涂的涂层结合强度 和致密性较低，因此火焰喷涂常常用于精度要求较低的零件的修复和再制造。
[0004] 等离子喷涂技术是利用以电弧放电产生的"等离子弧"为热源，形成高温低压等离 子体射流，料粉在等离子焰流中被加热到熔融或半熔融状态，并被加速而向经预处理的工 件表面喷射和撞击，凝固，沉积在工件表面而形成涂层。等离子喷涂材料广泛，基体受热小 等优点，但等离子喷涂的喷涂设备昂贵，工作气体要求较高，等离子弧温度高、辐射强，对操 作人员和周围环境要有安全防护措施等。加热融化喷涂材料，气体流量是影响等离子焰流 的热焓和流速的主要因素，喷涂过程中粒子速度仅为120-400m/s，粒子的喷射速度仍然较 低，喷'涂的质量有待于提尚。
[0005] 激光喷涂是利用激光脉冲束将粉末或丝材顶端加热至熔融，再用喷出的高压气体 使熔融材料粒子化，并喷向基体表面形成涂层。在喷涂过程中所采用的激光功率密度限在 10 4-106W/cm2范围，其功用只作为热源，将喷涂材料加热融化，利用的是激光的热效应。与其 它热喷涂技术相比，激光喷涂具有能量密度高、生产效率高、激光脉冲束易于聚焦和成型、 不受加工工件形状限制等优点。但由于在激光喷涂过程中，加热的温度很高，涂层冷却凝固 后，内部容易出现不均匀的组织，而且由于体积收缩，易出现热裂纹。这些都限制了该技术 在实际生产中的大规模应用。
[0006] 爆炸喷涂是以爆炸瞬间释放的热能将喷涂材料加热熔融，并使其沉积到工件表面 形成涂层的工艺方法。常用爆炸喷涂时所使用的气体压力分别为：〇 2:〇. 1-0. 2MPa，C2H2: 0. 05-0.1 MPa，N2:0. 02-0. 06MPa，这些气体混合物所得到的爆轰波压力值在几MPa到几十 MPa范围内，粒子的喷射速度得到很大的提高，能够达到760-1200m/s。爆炸喷涂所制备的 涂层较为致密、结合强度高、气孔率低、硬度高，已开始应用在航空航天及核工业等军事领 域。但该技术存在参数难以控制，安全性差，噪声大等不足，需要在专用隔音室中进行，而且 由于间歇性操作，导致喷涂效率低。
【发明内容】
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[0007] 本发明的目的是提供一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂的方法及装 置。本发明所提供的基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂方法具体步骤如下：
[0008] (1)首先通过进气管7向溅射室14内通入足量的保护气，排出其内部的空气，以防 止金属料粉10在高温下被空气中的氧气氧化。
[0009] (2)启动粉量开关12,将料斗9内的金属料粉10经送粉管11送至工件19内部的 坩埚21内，再通过加热器22加热坩埚21内的金属料粉10,将其制备成金属熔融液，并通过 温控开关24控制坩埚21内所述金属熔融液的温度。
[0010] (3)开启激光发生器1，将脉宽为ns量级、脉冲能量为2-100J、功率密度为GW/cm2 量级的激光脉冲束3透过透明玻璃6直接辐照在所述金属熔融液的液面上，所述金属熔融 液表面极少部分的物质吸收激光能量瞬间气化、电离，在几十个ns的时间内在其表面产生 压力为GPa量级的高压等离子体，所述高压等离子体瞬间对所述金属熔融液的液面施加一 向下的超高的冲击力，使所述金属熔融液发生爆炸性溅射，溅射的熔滴在空中飞行遇到阻 力，雾化成更为细小的微粒，并以很高的速度撞向工件19内孔孔壁，在所述内孔孔壁快速 凝固形成致密的涂层20,完成第一次冲击喷涂。
[0011] (4)当所述第一次冲击喷涂的涂层厚度未达到要求时，需要在同一位置进行多次 喷涂，首先控制器33控制步进电机18带动位于左侧的棍轴16转动，拉动透明、阻燃的保护 膜15向左移动，将所述保护膜15上被微粒污染的区域移至光路外，新的未被污染区域移至 光路中，随后所述控制器33依次重启所述粉量开关12、温控开关24以及激光发生器1，使 所述金属料粉10进入所述坩埚21内，并加热金属料粉10至金属熔融液，再用激光脉冲束3 辐照金属熔融液的表面，产生高压等离子体完成第二次冲击喷涂，重复上述移动保护膜、送 粉、加热、产生激光脉冲和喷涂的过程，完成下一次冲击喷涂，重复多次循环，直至该位置的 涂层厚度满足要求。
[0012] (5)需要在不同位置进行喷涂时，通过控制器33控制电动机28的转数和转向，使 齿轮30驱动齿条轴31向上或向下移动，带动所述坩埚21向上或向下移动，使所述坩埚21 在新的位置上进行喷涂，直至工件19内孔壁都达到要求为止，涂层冷却至室温后，关闭保 护气，打开活动窗口 25,取出工件19。
[0013] 本发明所提供的一种基于激光冲击波技术的内孔孔壁冲击喷涂装置包括激光发 生器1、导光系统、送粉系统、工件夹具系统以及控制系统。
[0014] 所述导光系统包括导光管2、全反镜4、冲击头5、透明玻璃6、保护膜15、左右对称 设置的棍轴16、左右对称设置的棍轴支架17、步进电机18,所述导光管2的一端连接所述激 光发生器1，所述导光管2的另一端依次连接所述全反镜4以及所述冲击头5,激光发生器1 发出的激光脉冲束3穿过透明玻璃6和保护膜15直接辐照在工件夹具系统的坩埚21上； 所述保护膜15放置在所述透明玻璃6的正下方，所述保护膜15对光透明，具有耐高温和阻 燃的特点，用来防止微粒溅射到透明玻璃6上造成污染，影响激光脉冲束3的通过，从而影 响喷涂效果；所述保护膜15卷绕在位于右侧的棍轴16上，所述左右对称设置的棍轴16分 别固定在所述左右对称设置的棍轴支架17上，所述步进电机18的输出轴同所述位于左侧 的辊轴16连接；步进电机18带动左侧的棍轴16转动，拉动保护膜15向左移动，将保护膜 15上被微粒污染的区域移至光路外。
[0015] 所述送粉系统包括进气管7、料斗架8、料斗9、金属料粉10、送粉管11、粉量开关 12、密封塞13、坩埚21 ;所述送粉管11能够拆装，通过软接头连接上下两端，所述送粉管11 的一端连着料斗9的下端，所述送粉管11的另一端贯穿密封塞13并对着工件夹具系统中 的坩埚21，所述料斗9固定在料斗架8上并装有金属料粉10,所述金属料粉10的颗粒直径 为15-40 y m，所述进气管7穿过密封塞13用于通入保护气体，以防止金属料粉10与空气中 的氧气发生化学反应生成氧化物，所述粉量开关12设置在所述送粉管11上，所述粉量开关 12是一个微电机控制的开关，通过微电机控制开关阀口的大小和开启时间的长短来控制金 属料粉10进入坩埚21的体积。
[0016] 所述工件夹具系统包括溅射室14、工件19、坩埚21、加热器22、调整垫块23、温控 开关24、活动窗口 25、导向套26、螺钉27、电动机28、联轴器29、齿轮30、齿条轴31，所述电 动机28通过联轴器29驱动齿轮30带动齿条轴31上下移动，导向套26套在齿条轴31上， 导向套26被螺钉27固定在溅射室14的底部，所述导向套26起着起导向作用，并用来防止 竖立的齿条轴31倾