一种基于激光加工技术制备涂层的方法及装置与流程

本发明属于零件再制造技术领域，具体涉及一种基于激光加工技术制备热喷涂涂层的方法和装置。本方法首先采用激光冲击的方法在待喷涂的工件表面形成微凹坑，再使用激光熔化喷涂丝的方法在冲击处理后的工件表面形成涂层。使用该方法提高了涂层与基体界面的结合强度，提高了涂层的质量，从而大大延长了工件的使用寿命。

背景技术：
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涂层是涂覆在工件表面的一薄层物质，起着隔热、防腐和抗磨损等作用。热喷涂涂层在使用过程中的多种失效形式，如涂层的层离、脱落、开裂等，都和涂层与基体的结合力以及残余应力状态有关。影响涂层与工件表面的结合力主要因素有：工件表面状态、结合面积、残余应力等。工件表面状态包括表面的清洁度和表面粗糙度，表面的油污、锈迹和氧化物都会降低涂层质量和结合强度。在热喷涂过程中，由于涂层和工件基材间热物理性能的差异及高温急冷急热等原因，得到的涂层中会形成残余拉应力，拉应力的存在对涂层的使用性能是非常有害的，过大的拉应力不仅会导致涂层开裂，还会使涂层从基体上剥落下来。为了增大涂层与基体的结合力，有效地提高涂层的性能和使用寿命。在喷涂前，对工件表面进行粗化处理预处理，增大其表面的不平度，从而增加涂层与基体的结合面积，使喷涂颗粒形成交叠连锁状态，以增强结合力。目前，待喷涂工件表面粗化处理主要方法有喷砂、电火花拉毛等。

喷砂处理是把砂粒或磨料定向喷射到待喷涂的工件表面，通过磨料的冲刷、凿削和锤击作用，使得工件表面粗化。喷砂的操作产生较大的粉尘和噪声，对环境污染较大；喷砂的强度不易控制，沙粒大小不一致，得到的凹坑深度不一致，容易导致表面粗糙度难以符合要求，深坑还会导致应力集中，产生有害的残余拉应力，使涂层的疲劳特性降低，特别是带有尖角的异型沙粒对工件表面损伤更大，严重地损害了涂层质量。

电火花拉毛粗化是在工件表面净化后，用镍(或铝)片或丝束作电极，以工件表面作为另一电极，用手工电弧焊进行轻微焊接，在工件表面形成粗糙的薄焊层而达到粗化目的。虽然电火花拉毛粗化处理的设备简单，操作简便，但其手工操作效率较低，在焊接放电的毛化的过程中会形成拉应力，降低工件的抗疲劳性能。

热喷涂是借助某种热源将喷涂材料加热至熔融状态或半熔融状态，再通过高速气流使之雾化，并以一定速度喷射和沉积到工件表面，形成具有各种功能的覆盖层的一种表面工程技术。目前主要的热喷涂方法有火焰线材喷涂、电弧喷涂等。

火焰线材喷涂是较早出现的喷涂方法，其喷涂原理是以合适的速度将线材送入燃烧的火焰中，受热的线材端部熔化，并由压缩空气对熔流喷射雾化、加速，然后喷射到工件表面形成涂层。该喷涂方法由于熔融微粒所携带的热量不足，致使涂层与工件表面以机械结合为主，结合强度偏低；另外，线材的熔断、喷射不均匀造成涂层的组织不均匀，使得喷涂层的组织疏松、多孔，涂层内部的应力较大。

电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，输送直流或交流电，利用丝材端部产生的电弧作热源来熔化金属，用压缩气流雾化熔滴并喷射到基材表面形成涂层。电弧喷涂只能喷涂导电材料，在线材的熔断处产生积垢，使喷涂颗粒大小悬殊，涂层质地不均；另外，由于电弧热源温度高，造成元素的烧损量比采用火焰喷涂大，易导致涂层硬度有所下降。

技术实现要素：
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本发明针对现有技术存在的上述技术问题，提供一种基于激光加工技术制备涂层的方法和装置。本发明所述提供的一种基于激光加工技术制备涂层的方法具体步骤如下：

(1)在干燥洁净的工件11待喷涂的表面涂覆厚度0.05mm的黑色有机物，作为吸收层。再将工件11固定在工作台12上，开启水喷头17的水阀18，在工件11待喷涂的表面形成2mm厚的流动水层，水流速度为2～5m/s；激光脉冲束7经过聚焦透镜33后会聚，通过工作台12及聚焦透镜33的上下运动，在工件11表面形成直径为0.2～1.5mm的光斑，功率密度为GW/cm²的激光脉冲束7穿过流动的水层照射到工件11待处理表面的吸收层上，吸收层吸收激光能量后气化、电离，形成高温高压等离子体，等离子体在极短时间内膨胀，并受到水层的约束作用，产生GPa量级的冲击波。冲击波使工件11表面发生塑性变形，产生残余压应力和塑性变形的微凹坑；移动工作台12，在工件11待处理表面的另一位置产生塑性的冲击凹坑和残余压应力，工作台12移动的速度由激光脉冲束7的频率和相邻冲击坑的距离确定，因此在待喷涂的工件11表面产生呈现一定密度点阵分布的凹坑。

(2)开启储气罐5的气阀9，使压力为0.5-1.5MPa的保护气体进入喷枪8内，并调节水阀18的开合度，使水流速度在30m/s以上，通过气体和高压水流共同冲刷和冲洗，清除工件11表面残余的未被烧蚀的吸收层，随后关闭水阀18，等气体吹干工件11待喷涂的表面后，移动聚焦透镜的底座39，调节聚焦透镜33位置，使激光脉冲束7聚焦在左右对称设置的喷涂丝15交汇的位置上，喷涂丝15由送丝电机20带动减速器19通过送丝滚轮14送入，调整激光脉冲束7的脉冲能量，使其功率密度为10⁴～10⁶W/cm²，喷涂丝15被激光脉冲束7辐照后，迅速熔化为液态熔滴，高压保护气将液态熔滴迅速雾化成颗粒，形成高速运动的粒子流10撞击工件11表面，在表面形成涂层21，实现一次喷涂。通过工作台12的水平面运动进行多次喷涂，从而完成工件11整个表面的喷涂。

本发明提供一种基于激光加工技术制备涂层的装置，该装置包括激光发生器1、导光及调焦系统、控制系统、储气系统、喷水系统、工件装夹系统及送丝系统；所述激光发生器1能够发出短脉冲激光和连续激光；所述导光及调焦系统包括全反镜6、聚焦透镜33、底座39、上固定板32、双头螺柱41、带台肩双头螺柱29、第一薄螺母30、第二薄螺母37、第二螺母38、第三螺母40、第一螺母35、第三垫片31、第四垫片34、开合螺母36、丝杠13、电机27、电机安装支架24、螺栓25、第二垫片26及电机底座28；所述聚焦透镜33放入底座39中，通过上固定板32与底座39的螺纹连接，将聚焦透镜33固定在底座39上，所述带台肩双头螺柱29的一端通过螺纹与所述底座39连接，通过第二螺母38和第三垫片31拧紧，所述带台肩双头螺柱29的另一端设有第一薄螺母30和第二薄螺母37，第一薄螺母30和第二薄螺母37依靠它们之间的摩擦力相互并紧并使它们位置固定，喷枪8壁与带台肩双头螺柱29的台肩及第二薄螺母37之间留有间隙，使带台肩双头螺柱29能够上下自由运动；双头螺柱41的一端通过螺纹与底座39连接，通过第三螺母40和第四垫片34拧紧，双头螺柱41的另一端通过螺纹连接着开合螺母36，并通过第一螺母35拧紧固定，丝杠13与开合螺母36螺纹连接，丝杠13的另一端与电机27连接并受它驱动，电机底座28通过螺栓25和第二垫片26将电机27固定在直角状的电机安装支架24上，电机安装支架24通过螺钉23和第一垫片22固定在喷枪8壁上，聚焦透镜33的位置通过电机27和丝杠13转动驱动开合螺母36的上下移动来调节。

所述储气系统包括储气罐5、气阀9及导气管4；导气管4的一端连接储气罐5，导气管4的另一端通过气阀9连接喷枪8，气阀9开启后，保护气由储气罐5经导气管4进入喷枪8内。

所述喷水系统由水喷头17、水阀18及连接它们的水管组成；所述喷水系统设置在工作台12的上方。

所述送丝系统包括左右对称的送丝电机20、减速器19、喷涂丝15、送丝滚轮14及丝盘16；送丝电机20开启后，输出的转速经减速器19降速后，带动送丝滚轮14转动，将绕在丝盘16中的喷涂丝15向前移动，实现送丝。

所述工件装夹系统包括喷枪8、工件11及工作台12，喷枪8位于工作台12的正上方，且两侧开有窄槽，便于带台肩双头螺柱29和双头螺柱41通过，工件11固定在工作台12上，并随同工作台12一起运动。

所述控制系统包括计算机2和控制器3；控制器3信息由计算机2输入，控制激光发生器1的发出的激光脉冲束7的频率和能量，控制工作台12移动的方向和速度，控制送丝电机20和电机27的转速及转数，控制水阀18和气阀9的开关及开合度的大小。

本发明具有以下技术特点：

1、利用激光冲击进行工件表面预处理，由于激光参数精确可控，光斑直径尺寸可以精确到微米量级，在预处理时可以根据要求产生塑性的凹坑，而且凹坑的大小和深度以及凹坑的分布密度可以控制，不会对工件表面产生划伤，从而有效地控制基材表面粗糙度，增大涂层与基体的结合面积。

2、利用激光冲击对工件表面进行预处理，在工件表面发生塑性变形，形成了一定厚度分布的残余压应力层，能够有效地抵消在热喷涂形成涂层的过程产生的残余拉应力，能大大降低残余拉应力对涂层质量的危害。

3、激光冲击作为预处理的手段，能够细化工件表层的晶粒。在热喷涂时，基体表层细化的晶粒受热长大，但成才的速度变缓，降低了热喷涂过程中基体晶粒粗大的倾向，提高了涂层的质量。

4、采用激光对线材加热，由于激光输出的能量精确可控，光斑的大小精确可调。因此线材的加热位置精确可调，加热的温度精确可控。既可实现粗大的线材加热，也可实现微细的线材加热，实现精细化操作；既可实现高熔点材料的加热，也可实现低熔点材料的加热，具有较大的加工的柔性。

5、本发明采用激光加工技术将预处理和喷涂工序等多个工序集中起来，代替了繁琐的表面喷砂粗化处理工序再喷涂，不仅装置简单，操作简单方便，容易实现自动化生产，而且可以精确控制，加工速度快，大大提高喷涂的加工效率。

附图说明：

图1是本发明装置结构示意图；

图2是图1中I局部放大结构示意图；

图3是图1中Ⅱ局部放大结构示意图；

图4是图3中A-A向剖视结构示意图图。

图中：1：激光发生器；2：计算机；3：控制器；4：导气管；5：储气罐；6：全反镜；7：激光脉冲束；8：喷枪；9：气阀；10：粒子流；11：工件；12：工作台；13：丝杠；14：送丝滚轮；15：喷涂丝；16：丝盘；17：水喷头；18：水阀；19：减速器；20：送丝电机；21：涂层；22：第一垫片；23：螺钉；24：电机安装支架；25：螺栓；26：第二垫片；27：电机；28：电机底座；29：带台肩双头螺柱；30：第一薄螺母；31：第三垫片；32：上固定板；33：聚焦透镜；34：第四垫片；35：第一螺母；36：开合螺母；37：第二薄螺母；38：第二螺母；39：底座；40：第三螺母；41：双头螺柱。

具体实施方式：

本发明装置包括激光发生器1、导光及调焦系统、控制系统、储气系统、喷水系统、工件装夹系统及送丝系统。其中所述导光及调焦系统包括全反镜6、聚焦透镜33、底座39、上固定板32、双头螺柱41、带台肩双头螺柱29、第一薄螺母30、第二薄螺母37、第二螺母38、第三螺母40、第一螺母35、第三垫片31、第四垫片34、开合螺母36、丝杠13、电机27、电机安装支架24、螺栓25、第二垫片26及电机底座28。所述储气系统包括储气罐5、气阀9、导气管4。所述喷水系统由水喷头17、水阀18以及连接它们的水管组成。所述送丝系统包括左右对称的送丝电机20、减速器19、喷涂丝15、送丝滚轮14及丝盘16。所述工件装夹系统包括喷枪8、工件11和工作台12。所述控制系统包括计算机2和控制器3。电机27通过丝杠13、开合螺母36和双头螺柱41能够带动底座39和聚焦透镜33等上下运动自如。

上述系统各部件安装完毕后，对工件11待喷涂的表面进行洁净化处理，除去表面的油脂、氧化皮和其他污物。在洁净后的工件11表面涂覆一层厚度约为100μm黑色有机物，作为激光能量吸收层，再将带有吸收层的工件11固定安装在工作台12上，能量吸收层对着喷枪8口。

控制器3接受计算机2指令，电机27通过丝杠13的转动来驱动开合螺母36上下移动，以调节聚焦透镜33的高度，使激光脉冲束7通过聚焦透镜33后辐照在吸收层的表面形成直径在0.2～1.5mm范围内的光斑，并开启水喷头17，以在工件11待处理的表面形成2mm厚度的流动水层。激光发生器1发出经过优化的激光脉冲束7，激光脉冲束7的光束模式可以是基模、多模等各种模式，光束模式、输出的能量和频率受控制器3调节和控制。激光脉冲束7经过全反镜6改变传播方向，通过聚焦透镜33、喷枪8和流动的水层后，照射到吸收层上，吸收层材料迅速气化、电离，形成高温高压等离子体，等离子体受到约束层作用，在工件11待喷涂的表面产生压力为GPa量级的冲击波，使工件11表面发生塑性变形，形成微凹坑，并在产生一定厚度的残余压应力层。工作台12接受控制器3的指令后在水平面内移动，保证在整个工件11待喷涂的表面形成一定间距的微凹坑。

此后，气阀9收到指令后开启，保护气体进入喷枪8，水阀18的开度也增加，使水流速度在30m/s以上，在气体和高压水流共同冲刷和冲洗下，工件11表面残留的吸收层被清除干净，随后水阀18关闭，气体吹干工件11待喷涂的表面后，电机27收到控制器3的指令后转动，驱动丝杠13的转动使开合螺母36上下移动，用以调节聚焦透镜33的高度，使激光脉冲束7通过聚焦透镜33后聚焦在喷涂丝15交汇的位置，根据喷涂丝15的直径和材料的熔点，调节激光脉冲束7的能量，由控制器3调节激光的功率密度为10⁴～10⁶W/cm²，调整工作台12上下位置，使工件11待喷涂的表面与喷枪8的出口距离为10～15mm。送丝电机20开启，喷涂丝15由送丝电机20带动减速器19通过送丝滚轮14不断送至喷枪8出口。喷涂丝15被激光脉冲束7辐照后，迅速熔化为液态熔滴，高压保护气将液态熔滴迅速雾化，并吹动雾化的粒子流10高速撞击到工件11表面上，在工件11表面形成涂层21，实现喷涂。工作台12在水平面内运动，完成一层涂层的喷涂，根据涂层21厚度要求，增加工作台12运动循环次数以增加其厚度，当其厚度满足要求后，关闭激光发生器1、送丝电机20和气阀9，取下工件11，完成喷涂。