本发明涉及一种用来在基体上沉积涂层的系统及方法，具体涉及一种结合使用了电火花和能量束的系统及方法。
背景技术
在各种工业应用中的金属和合金元件常需要进行一定的涂层或焊接操作，比如，用于燃气涡轮发动机的燃油喷嘴在使用一段时间之后，可能会在其边缘处发生退化，因而需要用镀膜或沉积涂层的方法进行修复。
电火花沉积(esd)是一种脉冲微弧冷焊工艺，用高峰值电流的短脉冲把电极材料沉积到基体金属表面，微量的电极材料在脉冲等离子弧的作用下熔化并在基体表面快速固化形成涂层，涂层与基体表面材料呈冶金结合。电火花沉积工艺所用的脉冲脉宽为几毫秒，脉冲频率在0.1至4千赫的范围，使得金属基体散热率可达到99％，因此，电火花沉积工艺以其极小热量输入的优势区别于其他弧焊处理过程。由于没有焊接热影响区的问题，而且由于电火花沉积设备携带方便，使用灵活，既可以对零件或设备表面进行局部修复，也可对一般几何形状的平面或曲面，如刀具、模具的易磨损部位进行涂敷处理以提高硬度和耐磨性。因此，电火花沉积在工件镀膜或修复的应用中具有很大的优势。
然而，电火花沉积工艺也有一定的缺点，从而限制其使用范围。比如，该工艺通常是人工操作，很难控制涂层的质量，此外，由于电火花是一种低能量的热源，电火花沉积工艺在用于较大面积的修复时，不仅沉积速度慢而且成本太高。
因此，有必要开发一种改进的新的系统和方法来在基体上沉积涂层。
技术实现要素：
本发明的实施例一方面提供了一种用来在基体上沉积涂层的复合涂层系统。该系统包括包括能量源和电火花沉积装置。所述能量源用来提供能量束，该能量束选自激光束、电子束、离子束和它们的组合。所述电火花沉积装置包括能量束通道、送粉通道和电极，其中，所述能量束通道用来让所述能量束通过，所述送粉通道用来输送可沉积于所述基体上形成沉积涂层的粉末材料，所述电极内设有与所述能量束通道和送粉通道相通的共同通道，该共同通道可让来自所述送粉通道的粉末材料和来自所述能量束通道的能量束从其中通过后进入所述电极和所述基体之间的放电间隙，并且使得所述粉末材料在通过该共同通道的过程中至少部分被所述能量束熔化。
本发明的实施例另一方面提供了一种电火花沉积装置，该装置包括能量束通道、送粉通道和电极，其中，所述能量束通道用来让所述能量束通过，该能量束选自激光束、电子束、离子束和它们的组合，所述送粉通道用来输送可沉积于基体上形成沉积涂层的粉末材料，所述电极内设有与所述能量束通道和送粉通道相通的共同通道，该共同通道可让来自所述送粉通道的粉末材料和来自所述能量束通道的能量束从其中通过后进入所述电极和所述基体之间的放电间隙，并且使得所述粉末材料在通过该共同通道的过程中至少部分被所述能量束熔化。
本发明的实施例另一方面提供了一种用来在基体上沉积涂层的复合涂层方法。该方法包括：使粉末材料和能量束共同通过一个形成于电火花沉积装置的电极内的通道后进入所述电极和所述基体之间的放电间隙；在所述粉末材料和能量束共同通过所述电极内的通道的过程中，使所述粉末材料至少部分被所述能量束熔化；以及在所述能量束和所述放电间隙中的电火花的共同作用下，将来自所述电极内的通道的至少部分被熔化的粉末材料沉积到所述基体上。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是本发明的一个实施例中的一种高能束-电火花沉积系统的示意图。
图2是本发明的一个实施例中的一种激光-电火花沉积系统的示意图。
图3显示了所形成的涂层的显微结构以及其与基体的结合情况。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。
本发明的一方面涉及一种用来在基体上沉积涂层的系统，该系统结合使用了电火花和高能量束作为复合热源，来将粉末材料沉积到基体上形成涂层。以下将结合附图1和2举例对所述复合热源系统的具体实施方式进行描述。
图1显示了一种复合热源系统100的示意图，该复合热源系统100包括电极102，用来通过电火花沉积在基体200上形成沉积镀层。该电极102内设有送粉通道104和能量束通道106，分别用来向所述电极102的前端108和所述基体200之间的放电间隙110中引入粉末材料114和能量束116。所述能量束116可以是激光束、电子束、离子束或它们的组合。所述电极102和基体200分别连接于电源150的正、负极，在使用时，可通过电源150向所述电极102和基体200施加一定电压，并将电极前端108靠近基体200，使得所述电极102和基体200之间的放电间隙110中产生电火花放电，进入所述放电间隙110的粉末材料114形成小的串联电极，熔化的粉末和电极材料转移到基体200表面以形成沉积涂层。在一些实施例中，放电间隙之间的电压在50～150v之间，或更进一步地，在100～150v之间。所述能量束可来自于能量源(未图示)，比如，所述能量束可为来自于激光发生器的激光束，所述系统可进一步包括激光发生器，用来提供所述激光束。
所述送粉通道104和所述能量束通道106的设置使得所述粉末材料114在进入所述放电间隙110之前与所述能量束116相遇，从而使得所述粉末材料114能在进入所述放电间隙110之前至少部分被所述能量束116熔化。具体地，在一些实施例中，所述送粉通道104和能量束通道106在电极102内靠近所述电极前端108的一个交汇点118处互相连通，然后汇聚在一起形成可让所述粉末材料114和能量束116一起从其中通过的共同通道120，该共同通道120连通所述交汇点118和所述电极前端108的外部空间，从而可连通所述交汇点118和所述放电间隙110，这样的设置可使得粉末材料114和能量束116在交汇点118处相遇，再一起经过共同通道120进入放电间隙110，在该过程中至少部分被能量束116熔化。如图1所示，所述送粉通道104和能量束通道106的交汇点118在电极102内部，粉末材料从交汇点118处流向放电间隙110的过程中至少部分被能量束熔化，再进入放电间隙110。此外，激光等能量束进入放电间隙110还起到诱导放电并使得放电更集中的作用，因此，所述复合热源系统100充分利用了能量束和电火花的热量，可实现低热输入高能效的粉末沉积过程，来形成高质量的涂层。
只要能使得粉末材料114在进入放电间隙110之前与能量束116相遇并至少部分被能量束116预加热和局部熔化，所述送粉通道104和能量束通道106的位置和形状可灵活设置。在一些实施例中，所述送粉通道104和能量束通道106同轴设置，即，所述送粉通道104和能量束通道106的设置可使得粉末流(所述粉末材料流动形成的粉末流)的中心轴线与中心能量束的轴线大致重合。在一些实施例中，所述能量束通道106包括沿所述电极102的轴向延伸的轴向通孔，所述送粉通道104围绕所述能量束通道106。具体地，所述送粉通道104可包括围绕所述能量束通道106的环状通道或是多个孔、槽等。在一些具体的实施例中，所述送粉通道104包括围绕所述能量束通道106的一圈倾斜孔，这些倾斜孔相对于所述所述能量束通道106的中心轴线倾斜，且与所述能量束通道106相连通。在一些具体的实施例中，所述送粉通道104包括围绕所述能量束通道的倒椎形环状通道，该倒椎形环状通道与所述能量束通道106同轴且与所述能量束通道相连通。
可通过控制所述能量束的功率大小、所述交汇点118与所述电极前端108之间的距离(在一些实施例中，该距离即所述可让粉末材料和能量束共同通过的共同通道120的轴向长度)，以避免在所述共同通道120中通过的所述至少部分被能量束熔化的粉末材料堵塞该共同通道。在一些实施例中，采用的是功率相对较低的能量束，以避免对所述粉末材料施加过多的热量，从而可防止粉末材料堵住所述共同通道120。在一些具体的实施例中，所述能量束的功率小于等于500瓦，或进一步地，在100瓦到500瓦的范围。在一些实施例中，所述送粉通道104和能量束通道106的交汇点118与所述电极前端108之间的距离在约5毫米到约20毫米的范围，或进一步地，在约10毫米到约16毫米的范围。
在一些实施例中，所述能量束通道和共同通道的径向尺寸大于所述能量束的束斑尺寸，使得所述能量束与所述能量束通道和共同通道的内侧壁有一定距离，从而不会碰到该内侧壁，以避免所述能量束施加于能量束通道的内侧壁带来不利影响。在一些实施例中，所述能量束与能量束通道的内侧壁之间的距离至少为0.1毫米，或进一步地，至少为0.2毫米，比如，可在0.2毫米到0.5毫米之间。在一个具体的实施例中，所述能量束的束斑直径约为1毫米，所述能量束通道的内孔径约为1.5毫米。
可能用于制作所述电极的材料包括但不限于铜、不锈钢、镍基合金、钨和石墨等。在一些实施例中，所述电极可用能量束反射率高的高熔点导电材料制成，或者，至少在所述能量束通道的内侧，即，面对所述能量束的侧壁上涂覆所述反射率高的高熔点导电材料层。在一些具体的实施例中，所述能量束为激光束，所述能量束反射率高的高熔点导电材料为激光反射率高的高熔点导电材料，包括但不限于紫铜、钨等。
可能用作所述粉末的材料包括但不限于不锈钢、镍基合金、镍包氧化铝等。所述电极和所述粉末的材料可能相同也可能不同。所述粉末材料可用载气输送的，所用载气可以是反应性气体，如氧气，也可以是惰性气体，如氩气。在一些实施例中，所述粉末材料的流速在1～3克/分钟之间，或更进一步地，在1～1.5克/分钟之间。在一些实施例中，粉末材料的载气的流速在5～15升/分钟之间，或更进一步地，在5～10升/分钟之间。
图2显示了一个实施例中的一种使用激光束的复合热源系统300的一部分的纵向截面示意图，该图示意性地显示了电极、喷头和激光通道的大致结构，图中省略了一些连接装置和部分细节结构。如图2所示，所述系统300包括激光聚焦镜301、激光传输装置302、喷头主体结构306、电极头314和电极头夹持装置312。其中，所述激光聚焦镜301用来聚焦来自激光发生器(未图示)的激光束，所述激光传输装置302内设有激光通道304来让来自激光聚焦镜301的激光通过。所述喷头主体结构306上设有气孔308，用来向所述聚焦镜301通镜头保护气以保护该聚焦镜301。在一些实施例中，所述激光传输装置302和所述喷头主体结构306之间通过套筒套装的结构进行组装结合，具有伸缩功能，可以通过该伸缩功能来调节二者的轴向总长度，从而调节激光聚焦镜301与基体(未图示)之间的距离。
所述夹持装置312用来夹持所述电极头314，且其可与电机(未图示)相连，在电机驱动下带动电极头314运动，比如，带动电极头314旋转等。一般地，也可将所述夹持装置312和固定于夹持装置312的电极头314合称为电极，通过夹持装置312和电极头314分离的设置，在电极端部发生损耗的情况下只需更换电极头就可继续使用，而不需要更换整个电极。所述夹持装置312和喷头主体结构306之间还设有送粉通道310，用来向电极头314内输送粉末材料。所述电极头314内设通孔316，可用作粉末材料和激光的共同通道，让来自送粉通道310的粉末材料和来自激光聚焦镜301的激光在其中交汇作用后一起进入电极头314和基体之间的放电间隙。在一些具体的实施例中，所述通孔316沿着所述电极头314的旋转轴的方向贯穿所述电极头314，或进一步地，也贯穿整个所述电极。
在沉积过程中，粉末材料通过送粉通道输送到电极头314内的通孔316，并经过该通孔316进入电极头和基体之间的放电间隙，激光束(或其他能量束)通过激光通道也进入电极头314内的通孔316，并经过该通孔316进入放电间隙。在粉末材料和激光束经过所述通孔316的过程中，粉末材料被激光束预加热且至少部分粉末材料被激光束熔化，然后激光和该被预加热和局部熔化的粉末材料都被引入放电间隙，以电极为阳极，基体为阴极，放电间隙中产生电火花放电，同时，进入放电间隙的激光起到触发和加强放电的作用，在此过程中所述电极和基体之间的粉末材料形成小的串联电极，熔化的粉末和电极材料转移到基体表面形成沉积镀层。在所述激光和电火花的共同作用下，所述至少部分熔化的粉末材料被沉积到所述基体上形成沉积镀层。该沉积镀层与基体之间形成很强的冶金结合力。
由于粉末的加入，使得电极和基体之间的放电间隙可以增大，从而可减少或避免电极的磨损。此外，激光诱导的等离子体使得放电间隙可进一步增大。与传统的电火花沉积系统相比，在如前所述的复合热源沉积系统中，放电间隙明显增大，从而使得整个沉积过程更加可控。在一些实施例中，电极和基体之间的距离(放电间隙)在0.1～0.5mm之间，或更进一步地，在0.3～0.5mm之间。
此外，粉末的加入使得电极的消耗率大大降低，在一些实施例中，当使用足够的粉末时，电极可以没有消耗。在一些实施例中，若电极和粉末的材料不同，且希望只将粉末材料而非电极材料沉积于基体上时，可以使用高熔点电极材料如钨电极或者在电极上预先镀上粉末材料以避免污染。另外，由于热输入低，所述复合热源系统还可以将一些传统工艺中认为不可焊的材料，如含有较高钛铝含量的镍基高温合金等，沉积到基体上形成高质量涂层。
激光等能量束起到触发、加强、引导电火花的作用，从而可消除一些杂散放电(straydischarging)并提高沉积速率。此外，由于在粉末材料和能量束一起通过电极内的通道的过程中，粉末材料持续吸收来自能量束的能量，被预热或局部融化，可以提高能量束的能量利用率并提高沉积效率。另外，所述沉积系统中送粉通道和能量束通道同轴设置并最后汇聚到一个共同通道，以让粉末和能量束一起从电极中出来并进入放电间隙，使得沉积过程没有方向性，而且可以让粉末材料和能量束更容易进入放电通道，从而提高沉积效率。可见，所述沉积系系统和方法结合了激光和电火花沉积的优势，来实现更高的沉积速率和较低的热输入，获得了更好的沉积效果。
实例
在本实例中，通过如图2所示的复合热源沉积系统来进行粉末沉积实验，来将粒子尺寸为45～75微米的高温镍基超合金rene108粉末沉积到厚度为2毫米的rene108基体上。其中，该沉积系统中所用的激光源为光纤激光器，所用的电极头为一个外径为5毫米、内径为2毫米的中空铜电极。所述实验在如下条件中进行：
激光功率：150-200w；
离焦：20mm；
放电间隙(电极和基体之间的距离)：0.5mm；
送粉速率：3g/min；
电极电压：100v，igbt电火花沉积电源；
频率：100hz；
脉宽：1ms；
基体移动速度(scanningspeed):2mm/s；
电极转速：1000r/min；
载气流速：5l/min。
由于rene108中的铝和钛的总百分比高，会导致焊接和应变时效裂纹，rene108通常被认为是一种不可焊的合金，但本实验中，通过所述使用了激光的复合热源沉积系统，成功将rene108粉末材料沉积到基体上形成了涂层，并且达到了约0.5mm每层的沉积效率。图3显示了所形成的涂层402的显微结构以及其与基体404的结合情况，如图3所示，涂层402的未见明显微裂纹，涂层402与基体404之间结合良好，而且由于热输入小，基体404未见明显热影响层。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。