一种激光辅助冷喷涂方法及喷嘴装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光辅助冷喷涂方法及喷嘴装置，喷嘴喉部的一侧为喷嘴收缩段，喷嘴喉部的另一侧为喷嘴扩张段，喷嘴在喷嘴收缩段一侧设有高压气体入口和供激光束进入的透光窗口，透光窗口偏离喷嘴轴线设置，喷嘴在喷嘴收缩段上设有反射镜A，喷嘴在喷嘴扩张段一侧设有粉末入口、反射镜B、反射镜C和反射镜D，从透光窗口进入的激光束在喷嘴内部依次经过反射镜A、反射镜D、反射镜B和反射镜C反射后从喷嘴扩张段射出，粉末入口位于反射镜D和反射镜B之间。本技术方案激光与喷嘴轴线呈一定角度射入喷嘴内的反射镜上，光束通过在喷嘴内壁上的反射镜多次反射，最终照射在基体上，可以对喷嘴内部的气体、粉末和基体均匀预热。
【专利说明】一种激光辅助冷喷涂方法及喷嘴装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光辅助冷喷涂方法及喷嘴装置，特别是一种用于激光冷喷涂的超音速喷嘴装置。
【背景技术】
[0002]冷喷涂亦称为冷气体动力喷涂(Cold Gas Dynamic Spray, CGDS),在20世纪80年代中后期，由前苏联科学家提出，它是基于空气动力学原理的一项喷涂技术，其原理是利用高压气体(氮气、氦气、空气、或混合气体等)携带粉末颗粒进入高速气流，通过缩放管(Laval管)产生超音速气固两相流，粉末颗粒经超音速喷管加速后在固态状态下以极高的速度碰撞基板，通过产生强烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。与热喷涂依赖于热能或者化学能不同，冷喷涂更多依赖于粒子的动能。因此该技术具有如下的优点:1)喷涂加热温度远低于其熔点，颗粒基本上没有氧化、烧损和晶粒长大等现象。适用于纳米晶、非晶等对温度敏感材料，Cu、Ti等对氧化敏感材料，碳化物复合材料等对相变敏感材料的喷涂。2)涂层对基体的热影响小，使涂层与基体之间的热应力减少。涂层之间的残余应力小且主要为压应力，有利于获得较厚致密的涂层。3)喷涂效率高，气孔率低。4)喷涂粉末可以回收再利用，经济环保。冷喷涂技术对于扩展热喷涂领域具有极其重要的意义，为表面工程技术的应用开辟了新的途径。已经广泛应用于制备各种功能性涂层、纳米涂层、汽车制造业、机械零件的修复再制造、航空航天等领域。
[0003]到了 20世纪90年代末，科研者开始开展了激光辅助冷喷涂技术的研究。激光辅助冷喷涂是一种新型的喷涂和再制造技术，其原理如图1所示，高压气体源101，送粉器102，Lava喷嘴103，实验箱104，激光器105，高温计106，基体107，涂层108，粉末回收装置109。它将超音速粉末束与沉积区域的激光加热联结在了一起。激光辅助冷喷涂保留了冷喷涂的优点:固态沉积、高的再制造率以及可以在一系列的基材上进行沉积，而且比冷喷涂更具有广泛的应用前景。激光照射在基体上，使基体软化，因此能够实现难沉积材料涂层的制备，扩大了材料和基体的使用范围；激光的引入可以免去使用气体预热装置，减少了压缩气体的消耗，又可以以廉价的压缩空气来代替氮气或氩气，降低了工艺的生产成本；激光软化处理颗粒或者基体，瞬间调节和改变了材料的力学性能，使其塑性流动增大，改善了颗粒碰撞沉积状态，提高了粉末涂层的厚度、沉积率、致密性和结合强度，所制得的涂层优于冷喷涂涂层。
[0004]在欧洲专利GB2439934A中提出了一种结构简单的激光辅助冷喷涂喷嘴，该喷嘴中激光光路与喷嘴同轴，激光光斑略小于喷嘴喉部的直径。工作时，激光透过特殊材料制成的窗口照射进喷嘴中并最终辐照在基体上，喷嘴一路通入高压气体，一路通入待喷涂粉末，两者在Laval喷嘴中达到超音速，以固态形式撞击在基体上形成涂层。整个过程中，激光既加热了气体、粉末颗粒，也加热了基体，使粉末和基体同时软化，因此大大提高了沉积率和结合强度。但是该喷嘴中粉末从收缩段进入喉部，喉部直径通常只有几毫米，对于低熔点和较软的金属粉末材料在激光的照射下容易粘结在喷嘴喉部，长时间工作后易造成喷嘴堵塞，且对光斑直径的要求高，必须小于喷嘴喉部直径。
[0005]美国专利US20110300306A1也提出了一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，采用的也是激光光路与喷嘴同轴的方法。该专利中粉末颗粒由喷嘴扩张段送入，因此避免了粉末因加热软化粘结在喉部的现象。但是激光与粉末同轴的激光辅助冷喷涂喷嘴的共同缺点是激光对颗粒以及喷嘴内载气越热不均匀，存在中间热量多两边热量少的现象，沉积后涂层中间厚两边薄，且粉末利用率较低。
[0006]目前激光辅助冷喷涂技术主要使用的是激光侧向照射的方法，喷嘴是纯冷喷涂所用的喷嘴。中国发明专利CN101153393A中公开了一种含有激光照射的冷气动力喷涂方法，在喷涂的同时，在圆形喷涂斑点的正前方照射有椭圆形激光光斑。该方法可以显著降低冷喷涂过程中粒子的临界速度，提高粘结效率。但是侧向照射激光光斑时，只预热了基体，对一些硬质颗粒在喷嘴中仍然需要预热载气才能使得粉末最终沉积基体，气体消耗大等缺点仍未解决。
【发明内容】
[0007]为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种激光辅助冷喷涂方法及喷嘴装置，激光与喷嘴轴线呈一定角度射入喷嘴内的反射镜上，光束通过在喷嘴内壁上的反射镜多次反射，最终照射在基体上。该装置可以对喷嘴内部的气体、粉末和基体均匀预热，并且可以取消载气预热装置。
[0008]为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案:
[0009]一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，包括喷嘴，喷嘴喉部的一侧为喷嘴收缩段，喷嘴喉部的另一侧为喷嘴扩张段，喷嘴在喷嘴收缩段一侧设有高压气体入口和供激光束进入的透光窗口，透光窗口偏离喷嘴轴线设置，喷嘴在喷嘴收缩段上设有反射镜A，喷嘴在喷嘴扩张段一侧设有粉末入口、反射镜B、反射镜C和反射镜D，从透光窗口进入的激光束在喷嘴内部依次经过反射镜A、反射镜D、反射镜B和反射镜C反射后从喷嘴扩张段射出，粉末入口位于反射镜D和反射镜B之间。
[0010]作为优选，所述高压气体入口与喷嘴轴线垂直，粉末入口与喷嘴轴线垂直。
[0011 ] 作为优选，所述反射镜A和反射镜D与喷嘴一体固定连接，反射镜B和反射镜C以可拆卸方式安装在喷嘴上。
[0012]作为优选，所述反射镜A、反射镜D、反射镜B和反射镜C为平面镜或凹面镜。
[0013]一种激光辅助冷喷涂方法，包括如上所述的一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，高压气体从高压气体入口进入喷嘴内部，依次经过喷嘴收缩段、喷嘴喉部和喷嘴扩张段后喷射至基体；粉末颗粒从粉末入口进入喷嘴扩张段后由高压气体携带形成粉末流喷射至基体；激光束从透光窗口进入喷嘴内部，依次经过反射镜A、反射镜D、反射镜B和反射镜C反射后照射在基体上，激光束在反射过程中穿过粉末流对粉末颗粒进行预热，激光束在基体表面的照射区域与粉末流在基体表面的喷射区域叠合。
[0014]上述激光束的入射角度应在0°到喷嘴收敛角一半之间，透光窗口和反射镜A、B、
C、D的安装位置是经过光束反射角关系确定的，反射镜A必须安装在收缩段上，反射镜B安装在喉部以后并在送粉入口前，而反射镜B、C安装在送粉入口后。作为优选，所述激光束的入射角度(入射激光束与喷嘴轴线的夹角)为1°?10°，喷嘴收缩段的收缩角度(以喷嘴轴线为中心相对设置的两收缩内壁之间的夹角)为30°?45°，喷嘴扩张段的扩张角度(以喷嘴轴线为中心相对设置的两扩张内壁之间的夹角)为10°?12°。
[0015]本发明由于采用了以上的技术方案，工作时激光器发出与喷嘴轴线呈特定角度的激光束，光束透过窗口，进入喷嘴照射在反射镜A上，光束经反射镜D、B和C的反射最终照射在基体上，与此同时高压气体通过气体入口进入喷嘴内部经Laval喷嘴加速后达到超音速并携带从粉末入口进入喷嘴扩张段中的粉末流，激光束在到达基体的过程中大范围的加热了喷嘴内的气体、粉末颗粒和基体，使粉末和基体软化，有利于粉末颗粒沉积在基体上形成高性能的涂层。该激光辅助冷喷涂喷嘴能够对喷嘴内气体和粉末颗粒及基体预热，且预热均匀，可免去气体加热装置，且光斑形状直径不受限制可灵活调节。粉末从扩张段注入，避免了喷嘴喉部堵塞现象的出现。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是现有技术激光冷喷涂系统的结构示意图。
[0017]图2是本发明的结构示意图；
[0018]I 一激光器,2 一激光束,3 一透光窗口，4 一喷嘴,5 —反射镜A, 6 一粉末入口，7 —反射镜B, 8 —粉末，9 一涂层，10 一基体,11 一反射镜C, 12 一喷嘴扩张段，13 一反射镜D,
14 一喷嘴喉部，15 一喷嘴收缩段，16 —闻压气体入口，17 —喷嘴轴线。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做一个详细的说明。
[0020]实施例1:
[0021]如图2所示的一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，包括喷嘴4，喷嘴喉部14的一侧为喷嘴收缩段15，喷嘴4喉部14的另一侧为喷嘴扩张段12，喷嘴4在喷嘴收缩段15 —侧设有高压气体入口 16和供激光束2进入的透光窗口 3，透光窗口 3偏离喷嘴轴线17设置，喷嘴4在喷嘴收缩段15上设有反射镜A5,喷嘴4在喷嘴扩张段12 —侧设有粉末入口 6、反射镜B7、反射镜Cll和反射镜D13，从透光窗口 3进入的激光束2在喷嘴4内部依次经过反射镜A5、反射镜D13、反射镜B7和反射镜Cll反射后从喷嘴扩张段12射出，粉末入口 6位于反射镜D13和反射镜B7之间。所述高压气体入口 16与喷嘴轴线17垂直，粉末入口 6与喷嘴轴线17垂直。所述反射镜A5和反射镜D13与喷嘴4 一体固定连接，反射镜B7和反射镜Cll以可拆卸方式安装在喷嘴4上。所述反射镜A5、反射镜D13、反射镜B7和反射镜Cll为平面镜或凹面镜。
[0022]一种激光辅助冷喷涂方法，包括如上所述的一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，高压气体从高压气体入口 16进入喷嘴4内部，依次经过喷嘴收缩段15、喷嘴喉部14和喷嘴扩张段12后喷射至基体10 ;粉末颗粒从粉末入口 6进入喷嘴扩张段12后由高压气体携带形成粉末流8喷射至基体10 ;激光器I产生的激光束2，从透光窗口 3进入喷嘴4内部，依次经过反射镜A5、反射镜D13、反射镜B7和反射镜Cll反射后照射在基体10上，激光束2在反射过程中穿过粉末流8对粉末颗粒进行预热，激光束2在基体10表面的照射区域与粉末流8在基体10表面的喷射区域叠合。
[0023]本实施例中，所述激光束2的入射角度为1°?10°，喷嘴收缩段15的收缩角度为30°?45°，喷嘴扩张段12的扩张角度为10°?12°。反射镜5和13直接内嵌在超音速喷嘴4中与喷嘴为一体，而反射镜7和11可拆卸，通过螺钉固定在喷嘴4上。
[0024]激光器I发出与X轴(喷嘴轴线17)呈特定角度的激光束2，光束透过窗口 3，进入喷嘴照射在反射镜5上，光束经反射镜13、7和11的反射最终照射在基体上，与此同时高压气体通过气体入口 16进入喷嘴内部经Laval喷嘴加速后达到超音速并携带从粉末入口 6进入喷嘴扩张段12中的粉末流8，激光束在到达基体的过程中大范围的加热了喷嘴内的气体、粉末颗粒和基体，使粉末和基体软化，有利于粉末颗粒沉积在基体10上形成闻性能的涂层9。该激光辅助冷喷涂喷嘴能够对喷嘴内气体和粉末颗粒及基体预热，且预热均匀，可免去气体加热装置，且光斑形状直径不受限制可灵活调节。该装置粉末从超音速喷嘴的扩张段以后送入，大大降低送粉气压，节约成本，并且可以避免喷嘴喉部发生粘结甚至堵塞现象。通过螺钉固定在喷嘴上的反射镜7和11是可拆卸的，在激光冷喷涂一段时间后，可将反射镜7和11取下，采用专用擦镜纸进行擦拭。
[0025]需要强调的是:以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，包括喷嘴(4)，喷嘴(4)喉部(14)的一侧为喷嘴收缩段(15 )，喷嘴(4)喉部(14)的另一侧为喷嘴扩张段(12 )，喷嘴(4)在喷嘴收缩段(15) —侧设有高压气体入口( 16)和供激光束(2)进入的透光窗口(3)，透光窗口(3)偏离喷嘴轴线(17)设置，喷嘴(4)在喷嘴收缩段(15)上设有反射镜A (5)，喷嘴(4)在喷嘴扩张段(12)—侧设有粉末入口(6)、反射镜B (7)、反射镜C (11)和反射镜D (13)，从透光窗口(3)进入的激光束(2)在喷嘴(4)内部依次经过反射镜A (5)、反射镜D (13)、反射镜B(7)和反射镜C (11)反射后从喷嘴扩张段(12)射出，粉末入口(6)位于反射镜D (13)和反射镜B (7)之间。
2.根据权利要求1所述的一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述高压气体入口(16)与喷嘴轴线(17)垂直，粉末入口(6)与喷嘴轴线(17)垂直。
3.根据权利要求1所述的一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述反射镜A(5)和反射镜D (13)与喷嘴(4) 一体固定连接，反射镜B (7)和反射镜C (11)以可拆卸方式安装在喷嘴(4)上。
4.根据权利要求1所述的一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，其特征在于，所述反射镜A(5)、反射镜D(13)、反射镜B (7)和反射镜C (11)为平面镜或凹面镜。
5.一种激光辅助冷喷涂方法，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的一种激光辅助冷喷涂喷嘴装置，高压气体从高压气体入口(16)进入喷嘴(4)内部，依次经过喷嘴收缩段(15)、喷嘴喉部(14)和喷嘴扩张段(12)后喷射至基体(10);粉末颗粒从粉末入口(6)进入喷嘴扩张段(12)后由高压气体携带形成粉末流(8)喷射至基体(10);激光束(2)从透光窗口(3)进入喷嘴(4)内部，依次经过反射镜A (5)、反射镜D (13)、反射镜B (7)和反射镜C(Il)反射后照射在基体(10 )上，激光束(2 )在反射过程中穿过粉末流(8 )对粉末颗粒进行预热，激光束(2 )在基体(10 )表面的照射区域与粉末流(8 )在基体(10 )表面的喷射区域叠合。
6.根据权利要求5所述的一种激光辅助冷喷涂方法，其特征在于，所述激光束(2)的入射角度为1°?10°，喷嘴收缩段(15)的收缩角度为30°?45°，喷嘴扩张段(12)的扩张角度为10°?12°。
【文档编号】B05C19/06GK103920626SQ201410101590
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】姚建华, 弗拉基米尔·科瓦连柯, 张建锋, 陈智君 申请人:浙江工业大学, 杭州博华激光技术有限公司